引用本文
周烨, 蒋富清, 南青云, 刘华华, 李安春. 奄美三角盆地晚更新世以来碎屑沉积物粒度特征及其物源和古气候意义[J]. 地球科学进展, 2016, 31(3): 298-309.
Zhou Ye, Jiang Fuqing, Nan Qingyun, Liu Huahua, Li Anchun. .Grain-Size Distribution of Detrital Sediment in the Amami Sankaku Basin Since Late Pleistocene and Its Provenance and Palaeoclimate Implications[J]. Advanced Earth Science, 2016, 31(3): 298-309.  
Doi:10.11867/j.issn.1001-8166.2016.03.0298.
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奄美三角盆地晚更新世以来碎屑沉积物粒度特征及其物源和古气候意义
周烨1,3, 蒋富清1,2*,*, 南青云1,2, 刘华华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:周烨(1992-),女,江西九江人,硕士研究生,主要从事海洋沉积学研究.E-mail:zhouye066@163.com

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“西太平洋古气候研究”(编号:GASI-04-01-02)资助
摘要

对菲律宾海西北部奄美三角盆地U1438A孔约350 ka以来沉积物中碎屑组分的粒度组成进行了分析,结果表明,沉积物中碎屑组分的平均粒径为13.1 μm,粒径变化范围为0.04~160 μm,粒度频率分布呈四峰正偏态分布。利用Weibull分布函数将沉积物碎屑组分的粒度组成分离出4个相对独立的组分。其中超细组分众数约0.3 μm,粒度分布范围为0.04~0.9 μm,可能是海洋自生黏土。细粒端元众数粒径约3.5 μm,粒度分布范围为0.2~32 μm,比北太平洋中部风尘略粗,推测主要为来源于亚洲大陆的风尘。粗粒端元众数粒径约10 μm,粒度分布范围为0.3~90 μm;超粗粒端元众数粒径约40 μm,粒度分布范围为3~160 μm。粗粒组分和超粗粒组分均主要来自于周围海脊和岛弧的火山物质。细粒和粗粒敏感粒级组分的比值(1.3~2.2 μm/28~40 μm)与细粒风尘组分和粗粒火山组分的比值(0.9~3 μm/>10 μm)类似,表现为冰期高、间冰期低,与北太平洋风尘通量、亚洲大陆黄土堆积速率,以及黄土粒径所指示的冰期干旱和东亚季风/西风环流增强的气候变化是一致的,表明冰期由于亚洲大陆的干旱和季风/西风的增强,使得奄美三角盆地中细粒亚洲风尘组分的输入相对增加。因此细粒风尘和粗粒火山物质的比值可以作为亚洲大陆干旱化和大气环流增强的示踪指标。这些研究结果表明奄美三角盆地沉积物的粒度组成可用于重建东亚大陆干旱和大气环流演化历史。

关键词: 奄美三角盆地; 晚更新世; 粒度特征; 古气候
中图分类号:P67 文献标志码:A 文章编号:1001-8166(2016)03-0298-12
Grain-Size Distribution of Detrital Sediment in the Amami Sankaku Basin Since Late Pleistocene and Its Provenance and Palaeoclimate Implications
Zhou Ye1,3, Jiang Fuqing1,2,*, Nan Qingyun1,2, Liu Huahua1,3, Li Anchun1
1.Key Laboratory of Marine Geology and Environment, Institute of Oceanology, 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:Zhou Ye(1992-), female,Jiujiang City,Jiangxi Province,Master student.Research area include marine sedimentology.E-mail:zhouye066@163.com

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 of China “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

The grain size composition of detrital sediments in Hole U1438A from the Amami Sankaku Basin(ASB) in the northwest of the Philippine Sea since the last 350 ka was analyzed. The result shows that the mean grain size of the detrital sediment is about 13.1 μm, ranging from 0.04 to 160 μm. The grain size distribution displays a four-peak pattern and positive skewness. Four independent grain size components were separated by using Weibull distribution function. The ultra-fine component varies from 0.04 to 0.9 μm, with a size mode at about 0.3 μm, which may be genetically related to marine authigenetic clay. The fine-grained fraction ranges from 0.2 to 32 μm, with a size mode at about 3.5 μm, and slightly coarser than the eolian dust of the North Pacific. We argued that this fraction was mainly derived from Asian dust. The coarse-grained and ultra-coarse-grained fractions show distinct size mode at about 10 μm and 40 μm, and range from 0.3 to 90 μm, and from 3 to 160 μm respectively. Both the coarse and ultra-coarse components represent volcanic materials which were mainly derived from the ridges and islands around ASB. The variation of the ratio of environmentally sensitive size population 1.3~2.2 μm/28~40 μm was similar with the ratio of fine-sized component (Asian dust) and coarse-sized component (volcanic material) (0.9~3 μm/>10 μm), showing higher value during glacial period than that during interglacial, which is also identical with the variation of the mass accumulation of eolian dust in the North Pacific and Chinese Loess Plateau, and grain size in Chinese Loess Plateau. The increased ratio responded to the enhanced aridity of Asian continent and strengthened East Asia Winter Monsoon (EAWM)/westerly during glacial period. We argued that the increase of eolian fraction was driven by the enhanced aridity of Asian continent and strengthened East Asia Winter Monsoon (EAWM)/westerly during glacial period. Therefore, the ratio of 0.9~3 μm/>10 μm can be used as a proxy of the increased aridity and enhanced atmospheric circulation of Asian continent. These results suggest that the grain size composition of the detrial sediment in the ASB can be used to reconstruct the history of Asian aridity and atmospheric circulation.

Keyword: Amami Sankaku Basin; Late Pleistocene; Grain size composition; Palaeoclimate.
1 引言

气候变化是人类可持续发展的焦点问题[1], 大气的沉降及陆源风尘向海洋的输送不仅影响着海— 气之间的交换和全球气候系统的变化[2], 同时也蕴含了古气候演变的重要信息[3]。深海沉积物中的风成沉积是风尘源区古气候状况的重要示踪剂[3, 4]。亚洲大陆是全球第二大风尘源区[5], 风尘源区、搬运路径和沉积区主要位于30° ~45° N, 这一区域同样是东亚季风和西风带活动区域。来自戈壁和沙漠的风尘在近地面风的作用下传输至500~3 000 m高空并在中国东南部以及太平洋沉积, 而其中约10%的风尘可由西风带传输到5 000 m高空, 并在太平洋沉积, 成为深海沉积物的重要组分[6]。奄美三角盆地位于菲律宾海西北部, 其周围被奄美海台、大东海岭以及九州— 帕劳海脊所环绕(图1), 海底地形较为平坦, 缺乏大规模的洋流活动, 晚第四纪以来沉积记录连续[8]。奄美三角盆地位于西风带和东亚季风区内, 季风影响十分明显。每年10 月至第二年3 月盛行北西向冬季风[9], 由于位于亚洲大陆风尘源区的下风向, 奄美三角盆地沉积了大量的亚洲风尘[10], 因而奄美三角盆地是研究风尘记录及其所蕴含古气候意义的理想场所。“ 国际大洋发现计划” (Integrated Ocean Discovery Program, IODP)351航次于2014年在奄美三角盆地钻取了高质量的沉积物岩心, 这为开展该海域风尘记录的研究, 以及重建亚洲内陆古气候演化历史提供了良好的材料。

深海沉积物的粒度组成是重要的物源和古气候示踪指标。北太平洋中部沉积物粒度特征研究表明, 风尘和半远洋沉积的粒度组成和分布特征明显不同, 因此可用于区分和识别深海沉积物中风尘组分及其来源[11]。西北太平洋帕里西— 维拉海盆[12]沉积物的粒度组成同样显示了粒度组成在深海沉积物源示踪方面的潜力。深海沉积物中提取出的风尘组分的粒径大小可以指示风力强弱。如北太平洋中部[4]和西北太平洋的帕里西维拉海盆[12]风尘粒径与晚新生代以来古大气环流的强弱有明显的对应关系。相比于北太平洋和帕里西— 维拉海盆, 奄美三角盆地更接近于亚洲大陆, 受东亚季风和西风环流的影响更为显著, 这一海区沉积物中风尘组分及其所蕴含的古气候信息还缺乏研究。本文通过对奄美三角盆地U1438A孔晚更新世以来碎屑组分粒度组成和分布特征的系统研究, 探讨不同粒级碎屑组分来源, 并提取出能反映古气候信息的指标, 为研究晚更新世以来东亚大陆古气候的演化提供更多证据。

2 材料和方法

本文的研究样品U1438A孔(27° 23.0108' N, 134° 19.1020' E)位于西菲律宾海西北部的奄美三角盆地(图1), 由IODP 351航次于2014年用高级活塞取样器(APC)采集, 采样船为“ 乔迪斯— 决心号(JOIDES Resolution)” 钻探船。该站水深4 711 m, 岩心总长24.9 m[13], 由于岩心中部样品采样时受到扰动, 所以只对上部0~731 cm样品进行研究。沉积物主要由浅黄褐色— 深黄褐色含火山灰色软泥、凝灰质软泥和软泥组成, 含有2个火山灰层[8](图2), 分别位于242~246 cm和570~580 cm处。IODP 351航次在该孔的1 988 cm处通过古地磁测得年代为990 ka[8], 假设沉积速率不变, 根据该年龄计算获得的2个火山灰层的年代分别大约为121.5 ka和286.3 ka。而距离研究区奄美三角盆地约600 km处的日本九州岛Aso火山分别在130 ka和270.9 ka发生过大规模的喷发(http:∥www.bgs.ac.uk/vogripa/index.cfm), 其喷发产生的火山灰在中国东海和日本海中均有记录[14, 15]。因此, 我们认为U1438A孔的2层火山灰与Aso火山在130 ka和270.9 ka的喷发事件相对应。通过2层火山灰层年代控制点, 通过线性内插及外推计算获得U1438A孔的年代地层框架(图2)。计算结果表明U1438A孔上部731 cm沉积物记录了奄美三角盆地近350 ka的沉积历史。

本文对U1438A孔上部0~731 cm的沉积物按每10 cm取样, 共计74个沉积物样品用于粒度分析。另外选择U1438B孔(与U1438A孔距离仅10 m[13])中246~248 cm层位的火山灰层样品作为对照。首先通过顺序淋滤方法[16~18]提取沉积物全样中的碎屑组分, 然后再上机测试碎屑组分的粒度组成, 具体方法如下:取全样约300 mg放入15 mL的离心管中, 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%), 分别去除沉积物中的海盐、钙质生物、Fe-Mn氧化物和氢氧化物、生物硅和有机质, 最终获得碎屑组分。最后在碎屑组分中加2.5 mL六偏磷酸钠(0.05 mol/L)分散样品, 以用于上机测试碎屑组分的粒度组成。

样品的粒度分析使用Cilas-1190L型激光粒度仪完成。该粒度仪的测试范围为0.04~2 500 μ m, 粒级间距为1/4Φ , 重复测量的相对误差小于2%。沉积物粒度参数采用McManus矩法公式[19]计算得出。所有样品在中国科学院海洋研究所海洋地质与环境重点实验室进行分析。

海洋沉积物的粒度频率分布曲线表现为多峰、连续光滑的特征, 这往往是多种物源或动力过程综合作用的结果[20]。其分布函数可以表示为各组分原型函数与其百分比乘积的和函数[21]。因此选择合适的原型函数对实测粒度频率分布函数进行拟合可以获取单一粒度组分(如风尘)的信息, 从而获得不同端元的粒度组分特征(如众数值、分布范围和含量等)[21, 22], 进而探讨各端元组分的沉积学意义。Weibull分布函数由于自由度较大且可塑性较强, 可作为沉积物粒度分布的原型函数[22]。这一方法已经被成功应用于中国黄土中不同成因组分的分离识别中[23]。此外, 周宇等[12]通过Weibull函数拟合, 成功地将帕里西— 维拉海盆的沉积物进行了分离, 获得风尘组分的信息, 并研究了近2 Ma以来的亚洲大陆古气候演化。

图1 奄美三角盆地U1438A孔位置和主要洋流示意图(据参考文献[7]修改)Fig.1 Location of Hole U1438A in Amami Sankaku Basin and major ocean circulation (modified after reference[7])

图2 U1438A孔年代地层框架
红色方框代表火山灰层Fig.2 Age-depth plot of Hole U1438A
Red square indicates ash layer

本文利用Weibull函数拟合方法对碎屑组分粒度特征进行分析, 对典型层位样品进行了不同端元的分离, Weibull函数拟合残差均方值均< 1。

3 结 果
3.1 粒度分析结果

U1438A孔约350 ka以来碎屑组分粒度参数如图3所示。碎屑组分主要为黏土粉砂, 大部分层位不含砂, 少数层位含砂, 变化范围为0.1%~32.6%。粉砂含量变化范围为59.1%~87.2%, 平均为74.7%。黏土含量变化范围为8.3%~31.1%, 平均为23.8%。平均粒径变化范围为9.1~52.9 μ m, 平均13.1 μ m。分选系数平均为1.4, 分选较差。偏态平均为0.8, 为正偏。峰态平均4.2, 表明碎屑组分的频率分布曲线窄而高。

碎屑组分粒度频率分布曲线基本呈现四峰分布(图4a和b), 利用Weibull分布函数对实测粒度数据进行拟合, 分离出超细粒、细粒、粗粒和超粗粒等4个相对独立的粒级组分。其中超细粒组分粒度众数约0.3 μ m, 粒度分布范围为0.04~0.9 μ m, 其含量非常低, 为0.52%~1.3%, 平均0.96%; 细粒组分粒度众数约3.5 μ m, 粒度分布范围为0.2~32 μ m, 粒度分布范围较窄, 含量为23.7%~37.7%, 平均29.2%; 粗粒组分粒度众数约10 μ m, 粒度分布范围为0.3~90 μ m, 其粒度分布范围明显比细粒组分宽, 含量为47.7%~60.9%, 平均54.4%; 超粗粒组分粒度众数约40 μ m, 粒度分布范围为3~160 μ m, 含量为9.1%~21.5%, 平均15.5%。

图3 U1438A孔粒度组成和粒度参数变化Fig.3 The variation of grain-size composition and parameters in Hole U1438A

图4 U1438A孔不同层位典型样品和U1438B孔火山灰层粒度频率分布曲线
(a), (b)和(c)分别代表U1438A孔270~271 cm, 460~461 cm和240~241 cm的样品; (d)为U1438B孔246~248 cm火山灰层; 图中还分别给出了通过Weibull函数分离后的4个不同粒度组分的分布曲线Fig.4 The grain-size frequency distribution curve of typical samples in Hole U1438A and ash layer in Hole U1438B
(a), (b) and (c)Indicate samples at 270~271 cm, 460~461 cm and 240~241 cm in Hole U1438A respectively; (d)Indicate samples at ash layer at 246~248 cm in Hole U1438B; The four different grain size components separated with Weibull function fitting are also show in this figure

图4c给出了位于U1438A孔242~246 cm火山灰附近层位240~241 cm的沉积物碎屑组分粒度频率分布曲线, 图4d是选取的U1438B孔246~248 cm典型火山灰层碎屑组分粒度频率分布曲线。利用Weibull分布函数对实测粒度数据进行拟合, 结果显示位于U1438A孔242~246 cm火山灰层附近层位240~241 cm的沉积物碎屑组分粒度特征呈现四峰分布(图4c), 超细粒组分粒度众数为0.3 μ m, 含量0.3%, 粒度分布范围为0.04~0.9μ m。细粒组分粒度众数为3.2 μ m, 含量8.4%, 粒度分布范围为0.2~19 μ m。粗粒组分粒度众数为13.5 μ m, 含量36.3%, 粒度分布范围0.3~145 μ m。超粗粒组分粒度众数为70 μ m, 含量54.9%, 粒度分布范围为1.6~250 μ m。而对于U1438B孔典型火山灰层(246~248 cm), 利用Weibull分布函数对其进行拟合, 结果显示碎屑组分粒度特征呈现三峰分布(图4d), 细粒组分粒度众数为3 μ m, 含量2.3%, 粒度分布范围为0.4~10 μ m。粗粒组分粒度众数为16 μ m, 含量20.3%, 粒度分布范围为0.8~63 μ m。超粗粒组分粒度众数为95 μ m, 含量77.4%, 粒度分布范围为0.8~900 μ m。对比火山灰附近层位(图4c)及火山灰层位(图4d), 发现两者的粒度都很粗, 粒度频率分布曲线以超粗粒组分为主, 其次为粗粒组分及细粒组分。说明位于火山灰层附近层位的沉积物(图4c)受火山灰影响较大, 属于受喷发性火山活动影响的沉积物(过渡类型)。将火山灰附近层位(图4c)、火山灰层位(图4d)与非火山灰层位(图4a和b)进行对比, 发现除火山灰层(图4d)外, 其他三者的碎屑组分均呈现四峰分布, 由超细粒、细粒、粗粒、超粗粒组分组成, 超细粒组分含量均非常低。火山灰层没有超细粒组分存在, 且非火山灰层(图4a和b)碎屑组分主要由细粒和粗粒组分组成, 超粗粒组分含量较少。而火山灰附近层位(图4c)、火山灰层位(图4d)碎屑组分主要由粗粒和超粗粒组分组成, 细粒组分含量较少。

4 讨 论
4.1 物源分析

北太平洋中部和西北太平洋广泛存在亚洲大陆来源的风成沉积, 这已经通过沉积物粒度特征[11]、石英[24]及其氧同位素[25]、黏土矿物[26], 以及Sr, Nd和Pb同位素[27, 28]等多种示踪指标得到证明。而奄美三角盆地周边的四国海盆、帕里西维拉海盆等海区沉积物的粒度、黏土矿物, 以及Sr, Nd同位素组成研究表明, 其碎屑沉积物主要是亚洲大陆物质与周围火山岛弧物质的混合物[29~31]。而研究区沉积物涂片鉴定结果也表明, 碎屑组分中还含有部分粗粒火山玻璃[8]。因此我们认为晚更新世以来U1438A孔碎屑组分主要是亚洲大陆物质与周围火山岛弧物质的混合物。

对于一个沉积体系, 多峰态的粒度分布可能是多种不同来源物质的混合, 也有可能是同一物源但不同动力条件综合作用所形成[20]。依据Weibull函数分离的结果(图4), 其中超细组分的粒度分布范围为0.04~0.9 μ m, 众数粒径和平均粒径约0.25 μ m, 在碎屑组分中含量一般约为1%, 不超过2%。另外超细粒组分含量与0.9~3 μ m组分含量的弱相关性(r=0.38)(图5), 说明超细粒组分(0.04~0.9 μ m)与细组分(0.9~3 μ m)的成因不同。由于这种超细粒组分在风尘源区中国黄土高原的黄土和古土壤中普遍存在[32, 33], 并且通常是黏附在较粗风尘颗粒表面被搬运到沉积区[34], 因此我们推测本文研究样品中的超细粒组分可能与黄土中的超细粒组分有关, 但是进一步的分析却否定了这种推测。如果超细粒物质以黏附的形式与风尘一起搬运到沉积区, 其含量变化应与代表亚洲风尘来源的细粒组分具有正相关性, 但相关系数的结果(图5)却显示超细粒组分(0.04~0.9 μ m)与细组分(0.9~3 μ m)之间并无明显的相关性, 这说明超细粒组分以黏附在较粗风尘颗粒形式搬运到奄美三角盆地的可能性并不大。由于在海洋沉积物中普通存在细粒的海洋自生黏土[35], 这些自生黏土可能是热液成因[36], 也有可能与火山物质转化形成安山质碎屑有关[37]。U1438A孔中的超细粒组分与代表火山物质端元的粗碎屑组分(> 10 μ m)就存在一定的负相关性(r=-0.63)(图5), 因此我们认为U1438A孔碎屑组分中超细粒组分很可能就是这些海洋自生的黏土。

图5 U1438A孔不同粒级组分的相关性图解Fig.5 Correlation diagrams between different size fractions in Hole U1438A

主成分分析是数学中的一种应用统计方法。其基本原理是通过降维选出比原始变量个数少, 能解释大部分变量的几个新变量。将它应用到粒度分析上, 即是将各个粒级作为原始变量, 应用主成分分析提取出能够解释大部分变量的敏感变量, 即敏感粒级。这一方法已经成功应用于中国南海东亚冬、夏季风的历史和演化机制研究[38]。因此本文希望通过主成分分析提取出敏感粒级组分, 并研究其物源和古气候意义。

通过主成分分析获得了2个控制因子F1和F2, F1和F2代表的是将各个粒级组分含量进行线性组合, 以最大方差为基础, 得到的相互独立的主元。它们对所有粒级的方差贡献量分别为42.3%和28.6%, 两者总的方差贡献值为70.9%, F1和F2因子载荷系数如表1所示。由于< 0.8 μ m与> 56 μ m的粒级含量非常少, 总体低于1.8%, 因此没有考虑在内。在F1因子中, 3~11 μ m与16~56 μ m组分的载荷系数较大, 因此3~11 μ m和16~56 μ m组分主要受控于F1因子。在F2因子中, 0.8~3 μ m组分的载荷系数较大, 因此0.8~3 μ m组分主要受控于F2因子。F1因子主要控制较粗颗粒组分, 因此可能代表了火山物质来源; 而F2主要控制细颗粒组分, 代表了亚洲风尘组分。对各粒级因子载荷如图6所示, 结合F1和F2因子载荷系数, 我们得到3种敏感粒级, 分别是1.3~2.2 μ m, 5~7 μ m和28~40 μ m。其中5~7 μ m和28~40 μ m组分在F1因子中载荷系数较高, 因此, 28~40 μ m粒级组分受控于F1因子, 代表对火山物质组分敏感的粒级; 1.3~2.2 μ m组分在F2因子中的载荷系数较高, 因而主要受控于F2因子, 代表对亚洲风尘组分敏感的粒级组分。

表1 U1438A孔碎屑沉积物各粒级组分的因子载荷矩阵 Table 1 Component matrix of different size fraction of detrital sediment in Hole U1438A

将Weibull函数分离出的粗、细组分(图4a和b)与主成分分析得到的不同敏感粒级组分变化对比, 结果如图7所示。从图7中可以看出0.9~3 μ m和1.3~2.2 μ m细粒组分含量变化趋势类似, 而> 10 μ m和28~40 μ m的粗粒组分含量变化趋势类似。粗粒和细粒组分含量变化趋势相反, 说明2种组分可能来自不同的物源。5~7 μ m组分含量并未发现其明显的变化规律。通过对比Weibull函数分离、主成分分析这2种方法的粒度结果, 可以得出U1438A孔碎屑组分主要由众数约为3.5 μ m的细组分与众数约为10 μ m的粗组分组成, 而1.3~2.2 μ m可能是细组分中的敏感粒级组分, 28~40 μ m可能是粗组分中的敏感粒级组分, 5~7 μ m组分是粗粒组分的细端元和细粒组分粗端元的混合, 因此不具有明显的物源指示意义。由Weibull函数分离出的细粒组分粒度众数约3.5 μ m, 粒度分布范围为0.2~32 μ m。而北太平洋风尘沉积的粒度特征为众数约为2 μ m, 粒度组成很少大于16 μ m[11]。经过对比发现两者的粒度分布特征类似, 均表现为粒度较细, 分布范围窄等特征。但研究区的细粒组分比北太平洋中部风尘沉积的粒度众数略粗, 这可能主要有2个原因:一是与搬运距离有关, 北太平洋中部相比研究区距离亚洲大陆更远, 因此由风搬运的风尘粒径更细; 二是与搬运机制有关, 北太平洋中部的风成沉积目前认为主要是由高空环流系统— 西风带搬运[24], 而西北太平洋奄美三角盆地可能还受到东亚季风的影响, 其搬运的风尘粒径一般比高空西风环流搬运的粒径要粗[39]。因此我们认为U1438A孔的细组分主要来自亚洲大陆物质。

图6 U1438A孔粒级— 因子载荷图Fig.6 Grain size vs. factor loading diagram in Hole U1438A

图7 U1438A孔不同粒级组分含量变化Fig.7 The variation of the content of different size fractions in Hole U1438A

由图4a和b可知, 非火山灰层碎屑组分通过Weibull函数分离出2个粗组分分别是众数约10 μ m、粒度分布范围为0.3~90 μ m的较粗组分, 以及粒度众数约40 μ m、粒度分布范围为3~160 μ m的超粗组分。而对于火山灰附近层位(图4c)及火山灰层位(图4d), 其碎屑组分粒度也有2个粗组分(图4c和d)。其中240~241 cm火山灰附近层位(图4c)碎屑组分的2个粗组分分别是众数为13.5 μ m, 粒度分布范围为0.3~145 μ m的较粗组分, 以及众数为70 μ m, 粒度分布范围为1.6~250 μ m的超粗组分。246~248 cm火山灰层(图4d)碎屑组分的2个粗组分分别是众数16 μ m, 粒度分布范围为0.8~63 μ m的较粗组分, 以及众数为95 μ m, 粒度分布范围为0.8~700 μ m的超粗组分。

对于沉积物中的粗粉砂甚至砂级颗粒, 一般是近源形成的产物。而奄美三角盆地沉积环境比较封闭, 缺乏大规模的洋流活动, 且远离大陆和河口(图1), 因此粗组分几乎不可能来自于亚洲大陆。前已述及, U1438A孔碎屑组分主要是亚洲大陆物质与周围火山岛弧物质的混合物。而在太平洋深海沉积物中, 火山成因的物质有2种产状, 一是由喷发性火山喷发形成的火山物质, 在地层中成层出现, 与周围的沉积物界线分明, 形成火山灰层; 另一种可能是海底火山物质风化或蚀变的产物, 以分散形式广泛存在于沉积物中。U1438A孔碎屑组分中众数约为10 μ m的较粗组分与帕里西— 维拉海盆类似, 代表火山物质端元[12], 其存在形式是以分散态存在于深海沉积物中。U1438A孔的2个火山灰层代表的是喷发性火山物质, 粒度众数很粗(图4c和d)。因此非火山灰层碎屑组分中的超粗粒组分, 其众数约40 μ m, 代表的可能是喷发性火山物质。综上我们认为Weibull函数分离出的2个粗组分均来自周围海脊和岛弧的火山物质, 其中众数约10 μ m的较粗组分以分散态形式存在于深海沉积物中, 众数约40 μ m的超粗组分代表喷发性火山作用形成的火山物质。

4.2 古气候意义

晚更新世以来, 地球气候系统表现为典型的冰期— 间冰期旋回[40]。黄土[41]和海洋[42]记录均表明, 全球气候系统已经进入100 ka主导周期, 伴随着全球冰量进一步增加[43]和青藏高原的阶段性隆升[44], 亚洲内陆干旱化进一步加剧, 形成了东亚季风强度进一步增强[45], 冰期更加干旱而间冰期更加湿润[46]的气候特征。对于这一时期气候变化的响应, 北太平洋[4]风尘通量明显增加, 黄土高原风尘堆积速率比早、中更新世明显增加[46], 石英平均粒径比早、中更新世明显增大[47]。

对奄美三角盆地的U1438A孔的碎屑沉积物的粒度组成, 通过主成分分析得到的2个对环境敏感的粒级组分1.3~2.2 μ m和28~40 μ m的含量变化, 以及细粒风尘组分(0.9~3 μ m)和粗粒火山组分(> 10 μ m)的含量变化如图7所示。因为受年代控制点以及沉积序列中可能出现的沉积速率变化因素的影响, 在千年尺度上U1438A孔沉积记录与标准大洋氧同位素记录存在一定的差异, 然而整体上来看, 细粒风尘组分(0.9~3 μ m)和细粒敏感粒级1.3~2.2 μ m的含量在冰期有所增加, 间冰期减少。粗粒火山组分(> 10 μ m)和粗粒的敏感粒级28~40 μ m含量与代表亚洲风尘的细粒组分含量变化相反, 表现为冰期含量减少, 间冰期增加的特征。为了消除混合/稀释作用的影响, 我们分析了细粒风尘组分和粗粒火山组分含量的比值(0.9~3 μ m/10 μ m), 以及细粒敏感粒级组分和粗粒敏感粒级组分的含量比值(图8)。结果表明, 这2组比值更加清晰地展现出冰期和间冰期旋回, 尤其是代表亚洲风尘的细粒组分和代表火山物质的粗粒组分的比值(0.9~3 μ m/> 10 μ m), 表现出明显的冰期高、间冰期低的特征, 这一变化与北太平洋风尘通量[42]、东亚大陆黄土石英平均粒径[47]和黄土堆积速率[46]的变化在冰期— 间冰期尺度上表现出明显的耦合关系(图8)。由于北太平洋风尘通量和黄土堆积速率指示了亚洲亚洲大陆的干/湿变化, 而黄土堆积速率指示了亚洲大气环流系统(东亚季风/西风急流)强弱, 因此晚更新世以来, U1438A孔0.9~3 μ m/> 10 μ m比值的变化代表亚洲风尘向奄美三角盆地输入的变化。这一比值在冰期增加, 表明东亚季风/西风急流增强、亚洲内陆干旱化加剧导致了亚洲大陆风尘向奄美三角盆地输入的增加[4, 47], 因此奄美三角盆地碎屑组分中细粒风尘组分与粗粒火山组分的比值(0.9~3 μ m/> 10 μ m)可以作为亚洲大陆大气环流强弱, 以及干旱的示踪指标。

图8 U1438A孔碎屑组分约350 ka以来粒度参数与其他古气候代用指标
δ 18O为全球底栖氧同位素曲线LRO4[48]; (a)为西北太平洋V21-146孔风尘通量(g /(cm· ka))[42]; (b)为灵台剖面黄土堆积速率(g/( cm2· ka))[46]; (c)为黄土石英平均粒径(标准化)[47]Fig.8 The grain-size parameters of detritual sediment in Hole U1438A over the past 350 ka and other paleoclimate proxies
δ 18O represent the stacked global benthic δ 18O record of LRO4[48]; (a)Represent the eolian flux record of the northwestern from core V21-146(g/(cm· ka))[42]; (b)Represent the mass accumulation rate of loess in Lingtai section(g/( cm2· ka))[46]; (c)Represent the normalized grain-size of quart[47]

5 结 论

本文分析了奄美三角盆地约350 ka以来U1438A孔碎屑组分的粒度特征, 得出了如下结论:

(1) 约350 ka以来, 奄美三角盆地碎屑组分典型样品频率粒度分布呈现四峰态分布特征。利用Weibull分布函数对实测数据进行拟合分离出4个组分, 分别是:众数约0.3 μ m的超细粒组分, 代表海洋自生黏土物质; 众数约3.5 μ m的细粒组分, 代表亚洲大陆来源的风尘物质; 众数约10 μ m的粗粒组分和众数约40 μ m的超粗粒组分, 主要来自奄美三角海盆周围的海脊和火山岛弧物质。

(2) 应用主成分分析法提取出1.3~2.2 μ m和28~40 μ m 2种敏感组分, 分别代表亚洲风尘和火山岛弧物质, 二者的比值变化与0.9~3 μ m/> 10 μ m组分(亚洲风尘/火山物质)比值的变化类似, 表现为冰期高、间冰期低的特征, 与北太平洋风尘通量和中国黄土堆积速率冰期高、间冰期低, 以及黄土石英平均粒径冰期大、间冰期小有很好的对应, 反映了冰期随着全球冰量的增加, 亚洲内陆干旱化加剧, 东亚季风/西风急流增强, 导致风尘物质输入增加。因此0.9~3 μ m/> 10 μ m比值的变化可以作为亚洲大陆干旱和大气环流(东亚季风/西风急流)强弱的一个示踪指标。

致 谢:本文研究样品是由IODP提供。我们感谢所有参加“ IODP 351” 航次的船上科学家, 以及所有参与本航次调查取样的相关工作人员, 感谢IODP— 中国对于参加航次的资助; 中国科学院海洋研究所王红莉实验师在粒度实验过程中给予了大力支持和帮助; 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、赵德博和沈兴艳在数据分析过程中给予了大力帮助, 在此一并致谢。

The authors have declared that no competing interests exist.

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