引用本文
刘华华, 蒋富清, 周烨, 李安春. 晚更新世以来奄美三角盆地黏土矿物的来源及其对古气候的指示[J]. 地球科学进展, 2016, 31(3): 286-297.
Liu Huahua, Jiang Fuqing, Zhou Ye, Li Anchun. .Provenance of Clay Minerals in the Amami Sankaku Basin and Their Paleoclimate Implications Since Late Pleistocene[J]. Advanced Earth Science, 2016, 31(3): 286-297.  
Doi:10.11867/j.issn.1001-8166.2016.03.0286.
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Copyright©2016, 地球科学进展 编辑部
晚更新世以来奄美三角盆地黏土矿物的来源及其对古气候的指示
刘华华1,3, 蒋富清1,2*,*, 周烨1,3, 李安春1
1.中国科学院海洋研究所,中国科学院海洋地质与环境重点实验室, 山东 青岛 266071
2.海洋国家实验室海洋地质过程与环境功能实验室, 山东 青岛 266061
3.中国科学院大学, 北京 100049
*通信作者:蒋富清(1972-),男,新疆呼图壁人,副研究员,主要从事海洋沉积学研究.E-mail:fqjiang@qdio.ac.cn

作者简介:刘华华(1989-),女,河北沧州人,硕士研究生,主要从事海洋沉积学研究.E-mail:laosanliu@sina.cn

基金:国家自然科学基金项目“中新世以来奄美三角盆地的风尘记录及其对构造尺度东亚古气候的指示”(编号:41576050); 国家海洋局“全球变化与海气相互作用”专项项目“西太平洋古气候研究” (编号:GASI-04-01-02)资助
摘要

对“国际大洋发现计划”(IODP)351航次U1438A孔晚更新世以来沉积物中黏土矿物的组成、含量及矿物学特征进行了分析。结果表明,U1438A孔中黏土矿物以伊利石为主,平均含量为57%;其次是蒙皂石,平均含量为26%;绿泥石的平均含量为14%;高岭石的含量最少,平均仅为3%。伊利石的结晶度较好(<0.4°Δ2θ),而且化学指数较低(<0.43),表明伊利石主要形成于干冷的气候环境。通过将U1438A孔黏土矿物组合特征与周边可能源区对比,并结合黏土矿物的结晶参数特征,认为蒙皂石主要来源于奄美三角盆地周边岛弧火山物质;伊利石、绿泥石和高岭石主要来自于亚洲大陆风尘。(伊利石+绿泥石)/蒙皂石比值阶段性增加与亚洲大陆晚更新世以来变干冷的趋势是一致的。(伊利石+绿泥石)/蒙皂石和(伊利石+绿泥石)/高岭石比值在冰期的高值,指示了冰期亚洲风尘物质输入的增加,这是对亚洲大陆冰期干旱化和东亚季风增强的响应。

关键词: 奄美三角盆地; 黏土矿物; 物源; 古气候
中图分类号:P736.21+2 文献标志码:A 文章编号:1001-8166(2016)03-0286-12
Provenance of Clay Minerals in the Amami Sankaku Basin and Their Paleoclimate Implications Since Late Pleistocene
Liu Huahua1,3, Jiang Fuqing1,2,*, Zhou Ye1,3, Li Anchun1
1.Institute of Oceanology, Key Laboratory of Marine Geology and Environment, Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266071,China
2.Laboratory for Marine Geology, Qingdao National Laboratory for Marine Science and Technology, Qingdao 266061,China
3.University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049,China

First author:Liu Huahua (1989-), female, Cangzhou City, Hebei Province, Master student. Research area include Marine Sedimentology.E-mail:laosanliu@sina.cn

Corresponding author:Jiang Fuqing (1972-), male, Hutubi County, Xinjiang Province, Associate Professor. Research area include Marine Sedimentology.E-mail:fqjiang@qdio.ac.cn

Fund:Project supported by the National Natural Science Foundation Program“Eolian dust record in the Amami Sankaku Basin and its indication of tectonic time-scale paleoclimate of East Asia since Miocene”(No.41576050); The State Oceanic Administration “Research on the Plaeoclimate of western Pacific” in the Project “Global Change and Air-Sea Interaction” (No.GASI-04-01-02)
Abstract

We analyzed the clay mineral assemblages, content and mineralogical characteristics of Hole U1438A sediment recovered from Amami Sankaku Basin during International Ocean Discovery Program (IODP) expedition 351. The results show that the clay minerals are mainly composed of illite (average 57%), smectite (average 26%), chlorite (average 14%) and minor kaolinite(average 3%). The crystallinity of illite in all samples are good (<0.4 Δ° 2θ), and the chemical indexes of illite in all samples are low (<0.4). Both indicate that illite in Hole U1438A formed in cold and dry climate. By comparing clay mineral assemblages of hole U1438A and the potential sediment sources, we suggest that smectite be mainly derived from the volcanic materials around Amami Sankaku Basin. Illite, chlorite and kaolinite are mainly derived from the Asian dust. The ratios of (illite+chlorite)/smectite show a phased increase over the last 350 ka, which is consistent with the cold and drying trend of the Asian continent since late Pleistocene. The high ratios of (illite+chlorite)/smectite and (illite+chlorite)/kaolinite during glacial period indicate that much more Asian dust was input into the Amami Sankaku Basin, which are responded to the aridity of Asian continent and strengthened east Asian Monsoon during glacial period.

Keyword: Amami Sankaku Basin; Clay minerals; Provenance; Paleoclimate.
1 引言

奄美三角盆地位于菲律宾海西北部, 四周被海脊和海底高原环绕, 它的西北部为奄美高原、东部为九州— 帕劳海脊、南部为大东海脊(图1)。奄美三角盆地形成于始新世[2], 中新世以来大规模火山活动已经停止[3], 而且至今未有研究表明该区域有大规模的洋流活动。稳定的沉积环境使得该盆地形成了沉积连续、保存完好的沉积地层[4]。由于奄美三角盆地位于亚洲季风和盛行西风带的影响范围内, 是亚洲大陆风尘的“ 汇” , 因此是研究亚洲大陆古气候演化的理想区域。

黏土矿物是母岩经风化和成土作用而形成, 颗粒细小(< 2 μ m), 容易被远距离搬运, 因此在海洋中分布广泛, 并且是深海沉积物的主要组分[5]。黏土矿物对气候和环境的变化比较敏感, 其组合、含量变化、特征参数和形态等不仅可以指示物源, 还能够记录物源区气候和环境的信息[6~8]。目前对于奄美三角盆地周围海域, 如南部的西菲律宾海盆、东部的四国海盆和东南部的帕里西— 维拉海盆沉积物中的黏土矿物的组成、来源及其蕴含的古气候意义已经开展了一些研究[8~11], 但是对于奄美三角盆地中的黏土矿物还缺乏研究。

本文拟通过对奄美三角盆地晚更新世以来沉积物中黏土矿物的系统研究, 探讨4种主要黏土矿物:蒙皂石、伊利石、绿泥石和高岭石的来源及其蕴含的古气候意义。

2 材料和方法

本文所用样品U1438A孔位于菲律宾海西北部奄美三角盆地(图1, 27° 23.0108'N, 134° 19.1020'E), 是“ 国际大洋发现计划” (Integrated Ocean Discovery Program, IODP)351航次于2014年用高级活塞取样器(APC)采集, 取样船为“ 乔迪斯— 决心号 (JOIDES Resolution)” , 取样水深4 711 m, 岩心总长24.9 m[12]。沉积物主要由浅黄褐色— 深黄褐色含火山灰软泥、凝灰质软泥和软泥组成, 其中在242~246 cm和570~580 cm处夹有2个火山灰层, 厚度分别为4 cm和10 cm(图2)。由于岩心中部样品采样时受到扰动, 所以只对上部731 cm样品进行研究, 取样间距10 cm, 共计分析样品74个。

图1 U1438A孔位置及洋流示意图(据参考文献[1]修改)Fig.1 Location of Hole U1438A and ocean current (modified after reference[1])

在进行黏土矿物的分离和提取之前, 首先通过顺序淋滤法[13]提取其中的碎屑组分, 然后用离心法[14]提取< 2 μ m的黏土组分。具体分析方法如下:

称取约2 g沉积物全样, 置于离心管中, 依次加入超纯水、醋酸溶液(10%)、盐酸羟胺溶液(0.05 mol/L)、NaOH溶液(1 mol/L)和H2O2溶液(5%), 分别除去沉积物中的海盐、钙质生物、Fe-Mn氧化物和氢氧化物、硅质生物和有机质, 最终获得碎屑组分。利用离心法从碎屑组分中提取< 2 μ m的黏土组分。离心机为美国热电公司生产的ST16高速离心机, 其转速和时间(900 rmp, 3 min)依据SediCalc软件[15]计算得出。

将提取出的黏土组分用涂片法制成定向薄片(自然片), 对所有样片进行乙二醇饱和处理, 选取代表性样品制成加热片。通过综合对比自然片、乙二醇饱和片(60 ℃, 12 h)和加热片(490 ℃, 2 h)的X-射线衍射特征谱线[16]进行黏土矿物的识别和半定量计算。

黏土矿物的识别主要依据不同黏土矿物在3种测试片中衍射峰发生的不同变化。在自然定向片中, 蒙皂石(001)衍射峰的范围是12~15 Å , 而经乙二醇饱和后蒙皂石发生膨胀, 其(001)衍射峰可移至17 Å 左右, 由此判断是否存在蒙皂石, 并区分蒙皂石和绿泥石。自然片中, 伊利石的10 Å 和5 Å 衍射峰很明显, 乙二醇饱和后衍射峰的位置和强度基本上没有变化。高岭石和绿泥石在7 Å 和3.5 Å 附近都存在特征峰, 如果3.5 Å 附近特征峰为双峰, 说明2种矿物同时存在。经高温加热后, 高岭石矿物晶格被破坏, 变为非晶质物质, 因而衍射峰消失, 绿泥石衍射峰变弱甚至消失[16]。

黏土矿物相对含量的计算是以乙二醇饱和片的衍射图谱为依据, 通过Topas2p软件获得蒙皂石(17 Å )、伊利石(10 Å )、绿泥石+高岭石(7 Å )族矿物的特征衍射峰面积, 然后按Biscaye[17]的方法将黏土矿物的特征峰面积分别乘以各自的强度因子:蒙皂石(17 Å )× 1, 伊利石(10 Å )× 4, 绿泥石+高岭石(7 Å )× 2, 得到三者的相对含量。绿泥石(002)和高岭石(001)的衍射峰在7 Å 附近部分叠加, 可以通过绿泥石(004)和高岭石(002)分别在3.58 Å 和3.54 Å 的衍射峰面积比值得到二者的相对含量, 最后将4种黏土矿物的含量校正为100%。

蒙皂石的结晶度用乙二醇曲线上17 Å 衍射峰的半高宽(FWHM)表示, 值越小, 表示结晶度越好。伊利石的结晶度由乙二醇饱和曲线上10 Å 衍射峰的半峰宽表示, 低的结晶度指数代表高的结晶度, 说明大陆源区水解作用较弱, 气候寒冷、干燥[18]。伊利石化学指数的计算是在乙二醇饱和曲线上根据5 Å / 10 Å 峰面积比确定的, 比值小于0.4 为富Fe-Mg伊利石, 代表未风化的云母和伊利石; 比值大于0.4为富Al 伊利石, 代表高的风化程度[6]。

黏土矿物样品前处理、分离、制片和X-射线衍射分析测试均是在中国科学院海洋研究所海洋地质与海洋环境重点实验室完成。分析仪器为德国布鲁克(Bruker)D8 Advance 粉晶X-射线衍射仪, 仪器测试参数如下:CuKα 辐射, 管流40 mA, 管压40 kV, 扫描角度3° ~30° (2θ ), 步长0.02° , 步频0.5 s/步。

3 地层年龄框架

U1438A孔年代框架(图2)是根据古地磁和火山灰层年代作为控制点, 采用线性内插法建立。IODP 351航次利用古地磁测年获得了深度为1 988 cm处样品的年龄为990 ka[11], 依据这一年代数据, 假定沉积速率不变, 通过线性内插法得到2个火山灰层的大致年代分别为121.5 ka(深度242~246 cm)和286.3 ka(深度为570~580 cm)。将此年代数据与奄美三角盆地周边火山活动对比可以发现, 这2层火山灰与日本九州岛Aso火山在130 ka和270.9 ka的喷发时间较为一致。Aso火山口位于日本九州中部(图1; 32° 52.86'N, 131° 6.36'E), 是世界上最大的火山口之一, 占地面积380 km2。晚更新世以来, Aso火山发生了多次大规模的火山喷发, 其中130 ka和270.9 ka是2次比较剧烈的活动期, 爆发指数分别达到6和8(http:∥www.bgs.ac.uk/vogripa/index.cfm)。由此产生的火山灰广泛分布于日本岛以及西北太平洋, 其影响范围甚至超过了1 300 km [19~23]。奄美三角盆地距离该火山600 km左右, 完全在Aso火山的影响范围内, 因此我们认为, U1438A孔中的2个火山灰层分别是由Aso火山在130 ka和270.9 ka这2期火山活动形成的, 这2个年代就是U1438A孔地层年代划分的年代控制点。

图2 U1438A孔岩心照片和地层年代框架
图中红色三角代表火山灰层的位置Fig.2 Image and age-depth plot of Hole U1438A
Red triangle indicates the ash layer

4 结 果
4.1 黏土矿物组成

U1438A孔黏土矿物自然片、乙二醇饱和片和加热片的典型X-射线衍射图谱如图3所示。依据3种不同衍射图谱识别出蒙皂石、伊利石、绿泥石和高岭石4种黏土矿物。非黏土矿物主要为石英, 石英的001衍射峰位于3.34 Å , 与伊利石003衍射峰叠加。蒙皂石的001衍射峰一般位于12~15 Å , 而绿泥石的001衍射峰在14 Å 附近, 在自然定向片中, 14 Å 附近的衍射峰为双峰, 说明该双峰为蒙皂石和绿泥石的叠加峰, 经乙二醇饱和处理后叠加峰分异为17 Å 和14 Å 2个衍射峰, 这符合蒙皂石经乙二醇饱和后衍射峰移至17 Å 的特征, 由此证明蒙皂石存在。伊利石在10 Å 和5 Å 处分别为001和002衍射峰, 图3自然片中, 10 Å 和5 Å 处衍射峰很明显, 乙二醇饱和后衍射峰位置和强度基本上没有变化, 说明伊利石存在。高岭石和绿泥石在自然片衍射图谱的7 Å 和3.5 Å 附近都存在特征峰, 3.5 Å 附近特征峰为双峰, 说明2种矿物同时存在。

图3 U1438A孔黏土矿物X-射线典型衍射图谱(样品深度:360~362 cm)Fig.3 Typical X-Ray Diffraction(XRD)spectra of clay minerals in the Hole U1438A (sample depth: 360~362 cm)

4.2 黏土矿物特征

U1438A孔4种主要黏土矿物的含量及变化如表1和图4所示。伊利石含量最高, 含量变化范围为44%~68%, 平均57%; 蒙皂石含量次之, 变化范围较大(13%~45%), 平均25%; 绿泥石含量范围为8%~19%, 平均14%; 高岭石含量最低, 在1%~5%变化, 平均3%。由图4可知伊利石和绿泥石变化基本一致, MIS10-7含量呈明显增加的趋势, MIS6早期含量突然降低, 然后又呈略有增加的趋势; MIS3-1时期波动加大, 伊利石明显增加, 绿泥石变化不大; 蒙皂石的变化与伊利石大致相反, MIS10-7期间含量呈明显减少的趋势, MIS6早期伊利石含量突然增加, 然后又呈逐渐降低的趋势, MIS3-1时期则表现出较大的波动。高岭石含量除MIS1外, 其他阶段大致呈现出冷期含量低, 暖期含量高的特征。蒙皂石结晶度指数(FWHM)变化范围为0.74° ~1.99° Δ 2θ , 平均1.30° Δ 2θ , 大多数结晶较好, 少数结晶度中等, 整体表现为结晶度指数逐渐减小, 结晶度逐渐变好的趋势。伊利石的FWHM变化范围为0.24° ~0.43° Δ 2θ , 绝大部分都在0.4° Δ 2θ 以下, 说明伊利石结晶度很好; 伊利石的化学指数(CI)变化范围为0.24~0.43, 平均为0.31, 为富Fe-Mg的伊利石; 这2个指标说明伊利石是在寒冷和干旱的气候条件下, 经由物理风化作用形成的。

表1 U1438A孔主要黏土矿物含量及矿物学特征 Table 1 Contents and mineralogical characteristic of the major clay minerals in Hole U1438A

图4 U1438A孔黏土矿物含量及特征参数变化
红色三角代表火山灰层Fig.4 Variation of clay mineral content and mineralogical characteristics in the sediment of Hole U1438A
Red triangle indicates the ash layer

5 讨论
5.1 黏土矿物物源分析

确定沉积物中黏土矿物的来源及其输运方式能够为古气候解释提供依据, 是进行古气候研究的基础[24~26]。前人利用黏土矿物、元素地球化学和Sr-Nd同位素等多种示踪方法对奄美三角盆地邻近海域(如西菲律宾海盆、四国海盆和帕里西— 维拉海盆等)沉积物的来源进行了研究[7, 27~30], 结果表明, 沉积物主要来自亚洲大陆风尘和周围火山岛弧。地处奄美三角盆地的U1438A孔沉积物中主要黏土矿物的来源主要是通过与周边可能源区黏土矿物组成和特征的对比, 以及相关地质背景的分析来确定的。

黏土矿物组成的三角图解(图5)显示奄美三角盆地黏土矿物来源与菲律宾海其他区域的类似, 总体上表现为亚洲大陆物质与火山岛弧物质混合的特征。对于4种主要黏土矿物蒙皂石、伊利石、绿泥石和高岭石的来源具体分析如下:

5.1.1 蒙皂石

海洋沉积物中的蒙皂石一般有2种来源, 一种为陆源碎屑来源, 另一种为海洋中基性火山物质和火山灰蚀变形成[18]。U1438A孔蒙皂石含量平均为26%, 最高达到46%, 远高于以陆源物质输入为主的长江、黄河、黄海和东海等的蒙皂石含量[26, 35, 42~44], 因此长江、黄河、黄海和东海不可能是蒙皂石的主要来源。中国台湾河流中几乎不含蒙皂石[31], 所以排除中国台湾物质对研究区的影响。菲律宾吕宋岛河流沉积物中蒙皂石含量很高(> 60%)[39], 而且流经菲律宾吕宋岛东部的黑潮暖流[45, 46]可能会携带菲律宾吕宋岛部分悬浮物质进入菲律宾海北部, 但是由于菲律宾吕宋岛来源的蒙皂石结晶度为1.13~2.55° Δ 2θ , 平均为1.66° Δ 2θ [34, 47], 总体上比U1438A孔蒙皂石的结晶度差, 因此我们认为菲律宾吕宋岛不是奄美三角盆地蒙皂石的主要来源。日本海沟沉积物的蒙皂石含量(> 60%)类似于菲律宾吕宋岛[48], 但是由于日本南部物质要进入菲律宾海北部会受到黑潮扩散流的阻挡, 黑潮在进入中国东海后流速可达128 cm/s, 到达日本岛外时, 流速增至205 cm/s, 有时甚至高达300 cm/s[49], 在如此高的流速下日本岛来源的蒙皂石很难在研究区大量沉降, 而来自北部、西北部的底层物质则受奄美海台和琉球岛弧的阻挡, 很难进入奄美三角盆地。

奄美三角盆地被奄美海台、大东海脊和九州— 帕劳海脊包围, 其黏土矿物的组成与周围的大东海脊[33]、九州— 帕劳海脊[11]、四国海盆[33]、帕里西— 维拉海盆[28, 40]和西菲律宾海盆[47]等类似, 表现为亚洲大陆和火山岛弧物质的混合(图5)。已有的研究表明, 奄美三角盆地周围区域的蒙皂石主要来源于岛弧火山物质的蚀变[11, 28, 34, 40], 而奄美三角盆地周围区域在渐新世之前的火山活动中形成了大量的玄武岩和安山岩[50], 这些火山岩经化学风化和蚀变作用后可以形成蒙皂石[51, 52], 因此我们认为U1438A孔中蒙皂石也主要来自于周边的火山岛弧物质的风化和蚀变。U1438A孔中蒙皂石和亚洲风尘来源的伊利石和绿泥石(后文详细讨论)明显的负相关性(图6), 也进一步证明蒙皂石并非来源于亚洲大陆, 而是主要来源于火山岛弧物质。

5.1.2 伊利石

伊利石是典型的陆源碎屑矿物, 主要是由陆地上火成岩、变质岩或古老的沉积岩侵蚀形成[9]。碎屑来源的伊利石广泛分布于东亚大陆和日本岛南部, 因此是晚新生代西北太平洋沉积物中伊利石的主要来源[53, 54]。

菲律宾群岛位于菲律宾海西部, 其伊利石含量基本都小于20%[32, 47], 远低于奄美三角盆地U1438A孔中伊利石的含量(平均57%), 而且菲律宾群岛近岸沉积物中伊利石的结晶度值(< 0.2° Δ 2θ )[7]低于U1438A孔, 因此菲律宾群岛不可能成为U1438A孔中伊利石的主要来源。

尽管台湾造山带河流沉积物中伊利石含量高达65%以上[26, 31, 32], 但是奄美三角盆地的伊利石主要不是来自中国台湾, 原因是中国台湾近岸沉积物中伊利石的结晶度值一般都较低(< 0.23° Δ 2θ )[7, 32], 而U1438A孔中伊利石的结晶度值都大于0.26° Δ 2θ , 而且中国台湾河流沉积物中伊利石的化学指数平均值为0.49[31], 高于U1438A孔的0.31, 因此我们认为中国台湾不是奄美三角盆地伊利石的主要来源。

菲律宾海表层沉积物的Al/(Al+ Fe+ Mn)比值很高, 而且从区域分布上看, 伊利石在菲律宾海西部、西北部含量较高(> 40%), 向东南方向含量逐渐降低, 这说明菲律宾海沉积物受西北部陆源物质输入影响[55]。大量的研究表明, 西菲律宾海盆、帕里西— 维拉海盆的深海沉积物中的伊利石主要来源于亚洲大陆风尘[8, 28, 33], 这与该海区蒙皂石主要来源于火山物质蚀变是明显不同的, 这从U1438A孔伊利石与蒙皂石明显的负相关性(图6)可以得到证明。

亚洲大陆黄土的伊利石含量> 65%[8, 26, 35, 36], 明显高于奄美三角盆地U1438A孔的伊利石, 而且U1438A孔伊利石结晶度较好, 化学指数较低(图4), 说明伊利石主要是在干冷气候下由物理风化作用形成。研究区伊利石的结晶度(0.24° ~0.43° Δ 2θ )与中国内陆黄土和古土壤的伊利石结晶度(0.22° ~0.42° Δ 2θ [56])相似。由于奄美三角盆地处于一个相对封闭的环境, 周围被奄美海台、九州— 帕劳海脊和大东— 冲大东海岭包围, 沉积环境稳定, 缺少大的洋流活动, 而且中国东海、黄海以及日本岛南部的物质受黑潮, 以及深水海槽和琉球岛弧阻隔作用, 很难向菲律宾海扩散, 因此我们认为奄美三角盆地U1438A孔沉积物中的伊利石主要来源于亚洲大陆的风成沉积。

5.1.3 绿泥石

绿泥石和伊利石一起被称为“ 高纬度矿物” , 主要形成于中高纬区寒冷干旱的气候环境中[57]。在海洋沉积物中, 绿泥石大部分是陆源碎屑成因, 但局部地区也有少量绿泥石可以由海底火山物质蚀变而成[9, 41]。晚更新世以来, U1438A孔中绿泥石和伊利石含量的变化趋势基本一致(图4), 并且二者具有一定的正相关关系(图6), 绿泥石与蒙皂石在地层中的含量变化相反(图4), 二者具有明显的负相关关系(图6), 说明绿泥石与伊利石来源相同, 但与蒙皂石来源不同, 前已述及, 伊利石主要源于亚洲大陆, 因此我们认为绿泥石也主要来源于亚洲大陆。

5.1.4 高岭石

高岭石一般是岩石在温暖潮湿的大陆环境下经强烈的化学风化、淋滤作用形成[58]。亚洲大陆黄土中高岭石含量为6%~16%[8, 26, 35~38], 明显高于菲律宾海沉积物中高岭石的含量(< 10%[55])。Sr, Nd同位素的证据表明西菲律宾海沉积物中有大量来源于亚洲大陆的风成沉积[29], 而且晚第四纪以来菲律宾海的高岭石含量明显低于亚洲大陆, 在黏土矿物组合上类似于亚洲大陆, 因此通常认为菲律宾海沉积物中高岭石来源于亚洲大陆[8, 40]。奄美三角盆地U1438A孔晚更新世以来的沉积物中高岭石含量很低, 最高含量5%, 平均只有3%, 与菲律宾海盆西部本哈姆隆起(2%~10%, 平均含量5%)和中部的帕里西— 维拉海盆(0~11%, 平均4%)沉积物中高岭石的含量和变化范围基本一致[8, 40], 而且黏土矿物的组合特征(图5)介于亚洲大陆物质和西太平洋火山物质之间, 因此我们认为该孔沉积物中高岭石主要来自亚洲大陆风尘。此外, 高岭石含量的变化呈现冰期低, 间冰期高的特点(图4), 说明暖期有更多的高岭石输入到奄美三角盆地, 这与高岭石形成于暖湿的气候环境是一致的, 这也从一个侧面证明了U1438A孔高岭石的主要来源是亚洲风尘。

图5 U1438A孔与可能源区蒙皂石— 伊利石— 绿泥石三角图解
中国台湾[26, 31, 32], 大东海脊[33], 西菲律宾海盆[34], 黄土[8, 26, 35~38], 菲律宾吕宋岛[39], 九州— 帕劳海脊[11], 帕里西维拉海盆[28, 40], 四国海盆[33], 马里亚纳海槽[41])Fig.5 Ternary diagram of the major clay mineral illite, chlorite and smectite in Hole U1438A and the potential provenances
Taiwan[26, 31, 32]; Daito ridge[33]; West Philippine Basin[34]; Loess[8, 26, 35~38]; Luzon[39]; Kyushu-Palau ridge[11]; Parece Vela Basin[28, 40]; Shikoku Basin[33]; Mariana Trough[41]

图6 U1438A孔各黏土矿物之间的相关性Fig.6 Correlation diagrams between clay minerals in Hole U1438A

5.2 黏土矿物的古气候意义

黏土矿物作为一种次生矿物, 其本身携带着一定的气候信息, 如蒙皂石一般是由中、基性岩在温暖且干湿交替的环境下形成的; 高岭石主要是在炎热潮湿、化学风化较强的环境中形成, 多分布在低纬度地区; 而伊利石和绿泥石能够指示干旱寒冷、化学风化较弱的气候环境[9, 17]。伊利石的结晶度和化学指数也是气候变化的典型指标, 当气温升高、降雨增加时, 化学风化增强, 伊利石的结晶度变差, 化学指数增加, 当气候较为干燥寒冷时, 伊利石结晶度较好, 往往形成富含Fe-Mg的伊利石。

U1438A孔中所有样品的伊利石的结晶度值都小于0.5° Δ 2θ , 大部分结晶度小于0.35° Δ 2θ , 说明伊利石的结晶度很好[18]; 伊利石的化学指数基本都小于0.4, 说明伊利石形成于以物理风化为主的干旱和寒冷气候条件, 指示了伊利石源区亚洲大陆的干冷的气候环境。

由于黏土矿物的含量是一个相对值, 因此单个黏土矿物含量在地层中的变化通常很难直接用来指示气候的变化。为了消除黏土矿物之间的稀释效应的影响, 不同黏土矿物组合及其比值往往被用于指示古气候变化[25]。物源分析表明, U1438A孔伊利石和绿泥石主要来自亚洲大陆风尘, 所以可以将这2种黏土矿物作为一个整体来代表亚洲物质端元; 蒙皂石主要来源于奄美三角盆地周围的火山物质, 因此代表火山物质端元。(伊利石+绿泥石)/蒙皂石比值则代表了U1438A孔沉积物中亚洲大陆物质端元相对于火山物质端元输入的变化。350 ka以来, U1438A孔(伊利石+绿泥石)/蒙皂石比值表现为阶段性增大的趋势(图7), 表明亚洲大陆来源的风尘物质输入相对增加, 这与晚更新世以来亚洲内陆干旱加剧, 以及东亚季风明显增强[63]是一致的, 说明(伊利石+绿泥石)/蒙皂石的比值可以反映亚洲内陆的干旱历史和季风强弱变化。在轨道尺度上, (伊利石+绿泥石)/蒙皂石比值变化与冰期— 间冰期旋回有一定的对应关系(图7), (伊利石+绿泥石)/蒙皂石比值在冰期相对较大, 最大值往往出现在冰期, 尤其以末次冰期MIS2和MIS4, 以及MIS6早期最为显著; 由于伊利石、绿泥石与高岭石来源相同, 但是形成环境明显不同, 绿泥石和伊利石通常代表干冷的气候, 高岭石则代表暖湿气候, 所以(伊利石+绿泥石)/高岭石比值可以反映源区气候的冷暖、干湿变化。(伊利石+绿泥石)/高岭石表现为明显的冰期— 间冰期旋回, 冰期时比值变大, 间冰期时比值减小, 这与中国黄土堆积速率[62]和北太平洋V21-146孔风尘通量[63]在冰期高、间冰期低的变化规律是一致的(图7), 同时与中国黄土中石英的平均粒径在冰期粗, 间冰期相对较细的变化也基本一致(图7)。中国黄土和北太平洋风尘堆积速率冰期高、间冰期低指示了亚洲大陆冰期干冷、间冰期暖湿的气候特点, 黄土平均粒径在冰期粗间冰期细则指示了东亚季风冰期强、间冰期弱的特征。因此, U1438A孔(伊利石+绿泥石)/蒙皂石和(伊利石+绿泥石)/高岭石比值冰期高, 说明亚洲内陆物质输入增加, 指示了冰期亚洲大陆干旱和东亚季风的增强[61, 63, 64]。

图7 U1438A孔(伊利石+绿泥石)/蒙皂石与全球底栖有孔虫氧同位素曲线LR04[59]、黄土中石英平均粒径[60]、黄土堆积速率[61]和北太平洋风尘通量[62]变化对比Fig.7 Comparison between (illite+chlorite)/smectite ratio of Hole U1438A, the stacked global benthic δ 18O record of LR04[59], mean grain-size of quartz[60] and mass accumulation rate in Chinese loess[61], and eolian dust flux in the North Pacific[62]

6 结论

奄美三角盆地U1438A孔晚更新世以来的黏土矿物以伊利石为主, 平均含量为57%, 蒙皂石含量次之, 平均为26%, 绿泥石平均含量为14%, 含少量高岭石, 平均含量为3%。

U1438A孔中黏土矿物主要来自亚洲大陆和奄美三角盆地周围的火山岛弧, 其中伊利石、绿泥石和高岭石主要来自亚洲大陆。蒙皂石主要来自于奄美三角盆地周围岛弧火山物质的蚀变。

U1438A孔伊利石的结晶度指数和化学指数显示伊利石形成于寒冷干旱的气候环境。晚更新世以来(伊利石+绿泥石)/蒙皂石和(伊利石+绿泥石)/高岭石比值在冰期高、间冰期低的特征, 表明冰期亚洲大陆来源的黏土矿物增加, 指示了亚洲大陆冰期干冷、东亚季风增强的气候特征。

致 谢:本文研究样品是由“ 国际大洋发现计划(IODP)” 提供。感谢所有参加“ IODP 351” 航次的船上科学家, 以及所有参与本航次的相关工作人员, 感谢IODP— 中国对于参加航次的资助, 感谢中国科学院海洋研究所助理研究员黄杰博士、博士研究生张晋和沈兴艳在实验及数据分析过程中给予的帮助。

The authors have declared that no competing interests exist.

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