中太平洋鐵錳結殼灰度序列中米蘭柯維奇周期的識別及結殼生長速率的演化①

韓喜球 邱中炎,2

(1.國家海洋局第二海洋研究所&國家海洋局海底科學重點實驗室 杭州 310012;2.浙江大學地球科學系 杭州310027)

中太平洋鐵錳結殼灰度序列中米蘭柯維奇周期的識別及結殼生長速率的演化①

韓喜球1邱中炎1,2

(1.國家海洋局第二海洋研究所&國家海洋局海底科學重點實驗室 杭州 310012;2.浙江大學地球科學系 杭州310027)

利用數字圖像處理方法提取中太平洋海山鐵錳結殼(CB14)生長剖面的灰度序列,運用功率譜分析方法揭示出結殼由表及里5個亞層中分別存在多級序的顯著周期,它們均能夠分別與地球軌道周期(偏心率周期、黃赤交角周期和歲差周期)的級序很好匹配,根據匹配結果獲得CB14第1至第5亞層的生長速率分別為2.15、2.70、2.43、2.75、2.67 mm/Ma,各亞層的界面年齡分別為1.3、2.5、5.9、6.7、7.5 Ma。表明晚中新世以來,結殼的生長速率呈現波動變化,最近1.3 Ma以來,結殼的生長速率明顯減慢。認為通過識別結殼灰度序列中存在的米蘭柯維奇周期可以有效獲得結殼各生長階段的高分辨率生長速率,可以為研究中新世以來古海洋環境的演化提供重要信息。

鐵錳結殼灰度序列譜分析米蘭柯維奇周期生長速率中太平洋

大洋鐵錳結殼主要分布在全球海洋400～4 000 m水深范圍內的海山、海脊和海臺上,其中在800～2 500 m水深范圍最為豐富。由于結殼的生長速率非常慢,一般為每百萬年數毫米[1～4],受取樣分辨率、測年所需最低樣品用量及各種測年方法本身的局限性所限制,目前各種常規的定年方法都難以使它的年代分辨率達到0.1～1 Ma,而且對于老于10～15 Ma的部分無法給出準確的年齡[5]。因此,長期以來,結殼高分辨率長序列年代框架的建立一直是難題。米蘭柯維奇旋回是一種全球范圍的高頻變化力,它在地層記錄中的烙印主要通過氣候變化實現。近年來研究表明,大洋多金屬結核的生長紋層中包含了米蘭科維奇周期,并提出可以利用地球軌道周期法確定大洋多金屬結核的生長速率和年齡[6～9]。生長在海山上的鐵錳結殼具有與多金屬結核完全類似的生長結構,它的生長記錄同樣也烙上了地球軌道周期的印記,已研究發現鐵錳結殼中的Al元素序列呈現清晰的米蘭科維奇周期,并利用高分辨率230Th/232Th測年進行了驗證[8]。

自Gascoyne[10]和White[11]對石筍微層灰度開展工作以來,微層的灰度研究在全球變化研究中已逐漸得到重視。如李彬等[12]通過掃描石筍光面的反射光強度研究桂林地區的古環境變化。秦小光等[13]通過對北京石花洞石筍薄片樣品微層灰度特征的研究,發現石筍薄片在透光條件下測得的灰度主要受地表氣溫(尤其是夏季氣溫)的影響,可以作為氣溫的替代性指標。本文嘗試通過提取鐵錳結殼生長剖面的灰度變化序列,進行功率譜分析,識別隱含在結殼明暗變化的生長紋層中的米蘭柯維奇周期,以期獲得結殼的高分辨率生長速率,并進一步確定結殼的年齡,以了解結殼各生長階段在生長速率上的變化,為古海洋環境變化研究提供信息。

1 樣品

所研究的鐵錳結殼樣品采自中太平洋—海山,取樣水深3 018 m,由中國大洋協會組織的DY95—8航次拖網所得。樣品為礫狀結殼,呈圓餅狀,表面光滑,局部有瘤狀突起。該結殼樣品具兩層結構,外層厚約1.9 cm,內層厚約3 cm,內外層之間呈角度不整合接觸(圖1)。本文重點對該樣品的外層進行研究。

在顯微鏡下觀察,結殼的生長紋層明暗相間,具有典型的似疊層石結構,柱體形態規則。其紋層在縱向上明暗相間,在橫向上穩定,可追索(圖2)。由于生長環境的變化,疊層石柱體的形態大小和紋層的明暗程度在剖面上具有分帶性。根據分帶現象,CB14樣品的外層可分為5個亞層,各亞層之間未見生長間斷現象。

圖1CB14鐵錳結殼樣品縱向斷面Fig.1 The vertical section of Fe-Mn crust CB14

圖2 鐵錳結殼樣品CB14外層顯微結構照片(局部),具典型的似疊層石結構。照片寬度4 mmFig.2 The micro-texture of the outer layer of CB14(part), containing typical stromatolite-like texture. The width of picture is 4 mm.

圖3 CB14樣品外層(0～18.6 mm)生長剖面的灰度變化曲線Fig.3 The gray-level series of the growth profile of the outer layer(0-18.6 mm)of CB14

2 灰度序列的獲取

將樣品沿中軸切開,磨平,拋光制成光片,利用反光顯微鏡拍攝顯微照片,所用的顯微鏡型號為Nikon Eclipse E600 Pol,配有數碼攝像系統(Digital sight DS -U1)。經過無縫拼接后,提取結殼生長剖面反射率的灰度序列。具體方法步驟如下:

1)把結殼光片放在反光顯微鏡下觀察并連續照相,為了便于對顯微照片進行無縫拼接,相鄰照片要有一定的重疊部分。

2)拼接照片時,首先利用Photoshop軟件微調照片的亮度和對比度,使兩相鄰照片的重疊部分具有完全一致的色調,然后拼合照片。

3)所有照片拼接完成后,利用Photoshop軟件調整圖像方向并進行裁切,使圖像的水平方向平行于微層,縱軸為鐵錳結殼中疊層石柱體的生長方向。

4)選擇完整的疊層石柱體的生長剖面,利用數字圖像處理技術把圖像的灰度數字化,即得鐵錳結殼生長紋層的灰度在空間域上的變化序列。序列的步長為每個像元的長度,本文處理時取每個像元的大小為1.19μm×1.19μm。

在反射光下測得的結殼紋層的灰度綜合體現了結殼中礦物成分含量的變化。灰級越高,圖像越亮,錳礦物含量越高,鐵質礦物及粘土等雜質含量越少;反之,灰級越低,圖像越暗,鐵質礦物及粘土等雜質含量越多。圖3為CB14結殼外層由表及里生長剖面的灰度變化曲線。

3 灰度序列的功率譜分析

鐵錳結殼生長紋層的灰度可以看作是氣候與環境的替代指標。灰度的空間序列是時間序列的隨機函數。為了識別結殼生長剖面上灰度變化所記錄的氣候與環境變化的周期信息,本文把所提取的灰度空間序列資料進行功率譜分析。通過功率譜分析,能夠以譜峰的形式,將序列中的一些隱含的顯著周期揭示出來。

功率譜分析的方法和原理詳見文獻[14]。使用Origin7.0數據處理分析軟件,在分析前,首先對原始數據進行每5點平滑處理,以減小噪聲影響。在進行快速傅立葉變換(FFT)時,取自由度為1,置信度為90%,并選用Blackman延時窗對樣品粗譜進行平滑處理。采樣間隔即序列的步長為1.19μm。

各亞層的功率譜分析結果見圖4和表1。由圖4和表1可以看出,CB14號樣品各亞層灰度序列的主要周期集中在212.8～277.8、126.6～153.8、80.0～112.4、52.1～75.2、38.2～48.3μm。其中,層Ⅰ-2和Ⅰ-4的主要周期比較接近,它們具有153.8～151. 5、90.9～87.0、59.5～56.8、38.2、31.7～28.4μm等周期,由于層Ⅰ-4的序列長度較短,未能出現一級長周期。

圖4 CB14號樣品外層各亞層灰度空間序列的功率譜分析圖譜,圖中Ⅰ-1,Ⅰ-2,Ⅰ-3,Ⅰ-4,Ⅰ-5分別代表結殼外層由表及里的5個亞層。虛線為置信度曲線,置信度為90%Fig.4 The power spectra patterns of gray-level series.Ⅰ-1,Ⅰ-2,Ⅰ-3,Ⅰ-4 andⅠ-5 represents each sub-layer, respectively.The dash line represents 90%confidence level.

4 灰度序列中米蘭柯維奇周期的識別

我們嘗試把CB14灰度序列中識別出來的主要周期與米蘭科維奇周期進行匹配,并計算其相對誤差。表2列出了最佳匹配結果,相對誤差均控制在± 10%以內。由于利用譜分析得到的顯著周期是所分析序列存在的平均循環周期,為統計意義上的準周期。軌道周期也是準周期,據Berger和Pestiaux[15],在天文波段里,譜峰103±24 ka,42±8 ka,23±4 ka顯著存在,譜峰約54 ka在地質記錄里亦很常見。因此,可以認為鐵錳結殼中灰度序列中的主要顯著周期是地球軌道周期打下的烙印。由于Fe-Mn結殼的生長結構的變化是全球氣候和環境及區域海洋要素變化的綜合體現,反射率的灰度變化序列中還出現一些其它非顯著譜峰,這些周期可能代表了鐵錳結殼的生長對氣候系統或軌道周期變化非線性響應的結果。

表1 CB14結殼外層各亞層灰度序列的主要周期Table 1 Ma in cyclicities of the gray-level series presentsin the each sub-layer of crust CB14

表2 CB14結殼外層各亞層灰度序列的顯著空間周期及其與米蘭柯維奇周期匹配后對應的時間周期與相對誤差Table 2 The prom inent periodicities of gray-level series from the sub-layers of crust CB14 compared with present M ilankovitch orbital periods and their relative errors

5 鐵錳結殼的生長速率及其演化

利用功率譜分析所獲得的結殼的主要空間周期與地球軌道周期得到了很好的匹配,根據結殼空間周期與地球軌道周期這一對應關系,可以計算出結殼各亞層的平均生長速率(表3)。顯微鏡下觀察表明, CB14樣品各亞層的生長紋層是連續且勻稱的,未見生長間斷,因此可以認為各亞層內部的生長速率是穩定的。由于結殼在現代海洋環境中仍在生長,可以認為其表面年齡為0,那么根據各亞層的生長速率,可以計算得到結殼連續生長層任意位置的累積年齡(表3)。

由表3可見,結殼CB14外層各亞層的生長速率在2.15～2.70 mm/Ma之間變化,其外殼層底部的年齡約為7.5 Ma,整個外殼層的平均生長速率為2.54 mm/Ma。不同生長階段結殼的生長速率不一,在距今約1.3～2.5Ma和距今約5.9～6.7Ma期間,結殼的生長速率較快,距今1.3Ma以來,結殼的生長速率明顯降低。

我們曾對該結殼的第一亞層進行了高分辨率230Th/232Th測年,獲得生長速率為2.13 mm/Ma[8],利用地球軌道周期法獲得的第一亞層2.15 mm/Ma的生長速率與高分辨率放射性測年得到的生長速率完美吻合,說明本研究的可靠性,同時也說明結殼的灰度可以作為有效的環境變化指標。Chen等[4]利用10Be測年法研究了中太平洋一海山鐵錳結殼的年齡,得到結殼表層0～3 mm的平均生長速率為2.85 mm/Ma,6～10 mm的平均所長速率為4.6 mm/Ma,較本研究得到的生長速率高,但同樣存在表層生長速率較次表層的生長速率低的現象。

原位提取鐵錳結殼的反射率灰度,利用地球軌道周期作為標尺對結殼進行定年,能有效避免取樣環節所引入的誤差。不足之處在于譜分析獲得的周期是準周期,在與米蘭科維奇周期進行匹配的時候同樣也存在誤差。因此,我們強調不能單一地利用地球軌道周期法定年,需要借助放射性測年等手段在其可測范圍內對軌道周期法的定年結果進行校驗,將使研究結果更加可靠。

6 結論

利用數字圖像處理技術提取了中太平洋海山鐵錳結殼樣品顯微生長剖面反射率的灰度變化序列,利用地球軌道周期法研究結殼的生長速率及其演化,得到如下主要結論:

(1)CB14結殼樣品外層包含5個亞層,通過功率譜分析,發現各亞層的灰度變化包含了米蘭柯維奇周期信號。

(2)根據功率譜所揭示出的顯著空間周期與地球軌道周期的對應關系,計算出了CB14結殼外層各亞層的生長速率分別為2.15、2.70、2.43、2.75、2.67 mm/Ma,各亞層的界面年齡分別約為1.3、2.5、5.9、6.7和7.5 Ma。結殼的生長一直處于波動狀態,最近1.3 Ma以來結殼的生長速率較前期明顯減慢。

(3)利用地球軌道周期法并結合放射性定年等手段的交叉驗證是確定結殼生長速率和年齡的有效方法,可以為研究中新世以來古海洋環境演化提供重要信息。

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The Identification ofM ilankovitch Cycles i n the Gray-Level Series of Fe-Mn Crust from the Central Pacific Ocean and Its Growth Rate Evolution

HAN Xi-qiu1Q IU Zhong-yan1,2
(1.Second Institute of Oceanography&Key Laboratory of Submarine Geosciences,State Oceanic Adm in istration,Hangzhou 310012; 2.Department of Earth Sciences,Zhejiang University,Hangzhou 310027)

A Fe-Mn crust sample(CB14)from a seamount in the central Pacific Ocean was studied in detail.According to the micro-texture of the growth profile of the crust,its outer layer(18.7mm in thickness)can be divided into 5 sub-layers,no hiatus observed between the adjacent sub-layers.Using the technique of digital image process-ing,the gray-level variation series of the reflectivity of the growth pattern were obtained.The power spectral analysis revealed thatmost of the prominent cycles identified from gray-level series are corresponding to Milankovitch cycles (eccentricity,obliquity and precession).Through matching and tuning to the Milankovitch cycles,we obtained that the growth rates of sub-layer 1 through sub-layer 5 are 2.15,2.70,2.43,2.75 and 2.67 mm/Ma,respectively. Their corresponding ages are 1.3,2.5,5.9,6.7 and 7.5 Ma,respectively.Our results show that since late Micocene,the growth rates of Fe-Mn crust changed alternatively,since recent 1.3Ma,the growth rate of the Fe-Mn crust slowed down significantly.It is considered that the gray-level series of the growth profile of Fe-Mn crusts can be used as a paleo-environmental indicator,and the application of orbitalpacingmethod on gray-level series is an effective approach to deter mine the high resolution growth rates of Fe-Mn crust and hence provide important infor mation on paleoenvironmental change.

Fe-Mn crust;gray level series;Milankovitch cycles;growth rate;central Pacific Ocean

book=5,ebook=358

韓喜球女1969年出生博士研究員海底資源與海洋環境記錄研究E-mail:xqhan@sio. org.cn

P512.2

A

1000-0550(2010)05-1006-06

①國際海底區域研究開發課題(編號:DY105-01-01-08);國家自然科學基金項目(批準號:40106005,40476050);國家海洋局第二海洋研究所基本科研業務費專項資金項目(編號:JT0801)資助。

2010-05-20;收修改稿日期:2010-06-05