南海沉積物中的黏土礦物:指示東亞季風演化歷史?①

劉志飛

(同濟大學海洋地質國家重點實驗室上海200092)

南海沉積物中的黏土礦物:指示東亞季風演化歷史?①

劉志飛

(同濟大學海洋地質國家重點實驗室上海200092)

黏土礦物以其示蹤洋流變化和揭示物源區同時期氣候變化的能力,近年來在南海沉積古環境研究中的地位日益顯現。但是,南海黏土礦物能否用于直接指示東亞季風演化歷史的研究仍然頗為爭議。本研究認為,南海黏土礦物主要受控于物源區供給和洋流搬運作用,黏土礦物本身不具同時期氣候條件特征。以南海北部為例,珠江、臺灣和呂宋島這三個主要物源區無論是冰期還是間冰期都提供相同的黏土礦物組合,這些黏土礦物在輸入到南海后分別受到不同洋流的搬運。因此,南海晚第四紀黏土礦物組合用于指示東亞季風演化歷史的應用是通過洋流的搬運作用來實現的,在不同海區的應用效果不同。

黏土礦物東亞季風物源區洋流晚第四紀南海

黏土礦物是海洋陸源碎屑沉積物中最重要的顆粒成份,在世界大洋幾乎全部的環境中都廣泛分布,已經在海洋沉積物來源、洋流搬運、以及過去古環境演化研究中發揮了越來越重要的作用[1～5]。黏土礦物用于指示沉積物來源和洋流搬運是考慮其成份在從源到匯的搬運過程中不發生變化,且在海底沉積后不發生自生及成巖后生作用[3,4];用于開展古環境演化研究是考慮其具有揭示同時期氣候變化的能力[5]。然而,黏土礦物是否能夠直接指示同時期氣候條件長期以來一直受到質疑[6]。海洋沉積物的碎屑黏土礦物主要是形成于陸地硅鋁酸鹽巖的化學風化作用,伊利石和綠泥石被認為初始礦物,形成于弱的水解作用和巖石的直接侵蝕;高嶺石代表了強烈的水解作用,是溫暖和潮濕氣候條件下化學風化作用的結果;而蒙脫石代表鐵鎂質硅鋁酸鹽巖的化學風化產物[7]。因此,從直觀上講,高嶺石形成于溫暖和潮濕的氣候條件,伊利石和綠泥石形成于相對寒冷和干旱的氣候條件,而蒙脫石也多形成于溫暖和潮濕的氣候環境,但與火山巖的化學風化作用密切有關。這樣,各黏土礦物的屬種就與氣候條件具有直接的對應關系。問題在于黏土礦物通過化學風化作用來形成需要多長時間。Thiry認為黏土礦物形成至少需要1 Ma[6],黏土礦物對應的氣候條件就有大約1 Ma的滯后。如果這個前提成立,黏土礦物在軌道時間尺度或更高時間分辨率上顯然不能指示同時期的氣候條件,但可用于指示物源區和洋流搬運過程。然而,Oliva等認為在熱帶高降雨量和溫熱的氣候條件下,形成土壤的年均化學風化速率可達5.4 cm,表明在年、季的時間尺度上黏土礦物就可以形成[8]。因此,黏土礦物的氣候條件應用可能要視具體情況而定。

南海作為西太平洋低緯地區最大的邊緣海,由于緊鄰亞洲大陸和西太平洋島弧帶,陸源碎屑顆粒占南海新生代漸新世以來全部沉積物近80%[9],為全球古環境和構造演化、特別是亞洲古季風的研究提供良好材料,從而使南海成為國際過去全球變化計劃研究的海洋研究基地[10,11]。黏土沉積學近年來在南海沉積古環境研究中的地位日益顯現[12～18],這些研究工作主要是圍繞南海“國際大洋鉆探計劃(ODP)”第184航次和“國際海洋過去全球變化計劃(I MAGES)”航次的巖心分析展開的。前人研究的結果顯示,南海晚第四紀時間序列變化的黏土礦物組合大都具有冰期—間冰期的旋回變化,多數被解釋為與同時期物源區氣候變化有密切聯系的化學風化或洋流搬運作用。主要包括兩類不同的解釋:其一,黏土礦物組合的冰期—間冰期旋回變化被解釋為陸地同時期化學風化作用,認為間冰期時期溫暖和潮濕的夏季風氣候加速出露巖石的化學風化作用,形成相對較高含量的高嶺石和蒙脫石礦物[14,16,19];其二,這種黏土礦物組合的冰期—間冰期旋回變化不受同時期的氣候條件直接控制,而是由物源區供給和洋流搬運控制,認為各主要物源區在晚第四紀無論是冰期還是間冰期都提供相同的黏土礦物種類,而冰期和間冰期時期季風風向驅動的相互反轉的表層洋流搬運作用才直接造成黏土礦物組合的旋回變化[12,20,21]。本研究圍繞南海黏土礦物這個古環境解釋的問題,通過回顧和討論黏土礦物源區分析和洋流搬運研究的最新進展,闡述南海黏土礦物組合主要受控于物源區供給和洋流搬運作用,可以間接地指示晚第四紀東亞季風演化歷史。

1 區域背景

圖1 南海北部東亞季風和洋流系統[24]圖中顯示本文討論涉及的河流樣品(藍色圈)、海底表層樣品(紫色圈)、ODP和 IMAGES站位(黃色圓點)的位置。夏季盛行西南向季風(粉紅色立體箭頭)和冬季盛行的東北向季風(藍色立體箭頭)據文獻[22];夏季和冬季表層洋流(分別為紅色點畫線和黑色實線箭頭)據文獻[25];深水洋流(黃色虛線箭頭)據文獻[26];華南近岸流(藍色虛線箭頭)據文獻[27];黑潮(紫色箭頭)據文獻[28]。南海表層洋流的編號分別代表[25]:1.回路洋流;2.黑潮南海分支;3.西北呂宋渦流;4.西北呂宋旋渦;5.呂宋沿岸流;6.南海暖流;7.廣東沿岸流Fig.1 EastAsian monsoon and oceanic current systems in the northern South China Sea(SCS)[24]Locations of surface sediments from surrounding rivers(blue circles)and seafloor(purple circles)and ofODP(Ocean Drilling Program)and IMAGES(InternationalMarine Past Global Change Study)sites(yellow round dots)are indicated.Southwesterlywinds prevailing in summer (pink three-dimensional arrow)and northeasterlywinds prevailing in winter(blue three-dimensional arrow)after reference[22];summer and winter surface currents(red dotted line arrow and black solid arrow,respectively)after reference[25];deep current(yellow dashed arrow)deduced from reference[26];longshore current(blue dashed arrow)after reference[27];Kuroshio current(purple arrow)after reference[28];Numbers for surface currents[25]:1.Loop Current;2.SCSBranch of Kuroshio;3.NW Luzon cyclonic gyre;4.NW Luzon cyclonic eddy;5.NW Luzon coastal current;6.SCSwarm current;7.Guangdong coastal current

南海及其鄰近陸地是東亞季風氣候盛行的地區,冬季風以大陸變冷、亞洲北部發育高壓和東北風穿過南海為特征,而夏季風表現為大陸加熱、西藏上空發育低壓、南海上空形成西南風以及華南降雨量普遍增高[11,22]。冬季在東北風的驅動下形成逆時針表層洋流,而夏季在西南風的驅動下形成西南向表層洋流,接受鄰近陸地化學風化和機械剝蝕的產物[23]。然而,近期研究發現南海發育十分復雜的洋流系統[24]。本文以南海北部為例來說明,南海北部洋流系統主要包括:表層洋流、深水洋流、以及局部分布的華南近岸流和呂宋沿岸流(圖1)。夏季和冬季的表層洋流并不完全隨季風方向的轉變而全部反向,僅在北部陸架和上陸坡區域在西南向南海暖流和東北向廣東沿岸流之間轉變[25]。其他海區的表層洋流在夏季和冬季基本保持一致,特別是位于陸坡和廣海的大部分區域明顯受到黑潮侵入影響[28],由呂宋海峽侵入的黑潮南海分支向北轉變為南海暖流,向南演變為西北呂宋渦流和旋渦[25]。靠近陸地的華南近岸流[27]和呂宋沿岸流[25]也不隨季節的變化而改變。根據海水含氧和鹽度分布推測的深水洋流由呂宋海峽進入南海后,大致沿2 000～2 500 m深度逆時針方向流動,也不具季節性變化[26]。南海北部以珠江、臺灣和呂宋島弧為主的物源供給區輸入的陸源碎屑顆粒受到這些洋流系統的綜合影響,使海洋沉積的碎屑黏土礦物既攜帶物源區氣候變化的信息,又富有洋流搬運和沉積的特征[13,29]。

2 南海晚第四紀黏土礦物組合

南海晚第四紀黏土礦物組合的時間序列研究在國際上始于ODP第184航次的鉆孔分析,位于南海北部陸坡ODP1146站(圖1)第四紀的黏土礦物組合具有明顯的冰期—間冰期旋回變化,伊利石、綠泥石和高嶺石含量在冰期時增高,而蒙脫石含量在間冰期時增高[13,20]。這項研究結果解釋認為,南海北部的黏土礦物主要受控于物源區供給和表層洋流搬運作用,提出在冰期—間冰期的時間尺度上,間冰期盛行的西南表層洋流將更多的蒙脫石由南部和東部向北搬運,表現為加強的夏季風;冰期盛行的逆時針表層洋流將大量伊利石和綠泥石由臺灣以及東北部其他物源搬運至南海北坡,表現為強盛的冬季風[13,20]。然而,位于其東側的ODP1145站(圖1)晚第四紀的黏土礦物組合則不顯示冰期—間冰期的旋回變化,卻呈現出20 ka的周期性波動[16]。該項研究發現蒙脫石/(伊利石+綠泥石)比率與北緯20°(9月)平均輻射量具有較好的對應關系,高比值發生在輻射量增加之時,據此提出黏土礦物的形成與受輻射量控制的夏季風降雨影響,認為黏土礦物的形成代表了同時期陸源區的氣候條件[16]。

南海西部MD05-2901孔(圖1)的晚第四紀黏土礦物組合是迄今最高分辨率(1 ka)的時間序列變化研究[21]。該項研究揭示,南海西部450 ka以來的伊利石、綠泥石和高嶺石含量表現出明顯的冰期—間冰期旋回變化,而蒙脫石含量呈現頻率更高的周期性變化(圖2)。通過物源區分析認為,該孔的蒙脫石主要由巽他陸架及其主要源區印度尼西亞島弧提供,伊利石和綠泥石主要由湄公河和紅河提供,而高嶺石則主要由珠江提供,表層洋流的搬運過程對黏土礦物的組合起到了決定性作用[21]。高嶺石/(伊利石+綠泥石)比值的頻譜分析顯示強烈的100 ka偏心率周期,指示了冰蓋驅動的冬季風演化;而蒙脫石含量的頻譜分析除了具有41 ka斜率周期以外,還具有23 ka和19 ka歲差周期、以及13 ka半歲差周期,指示了熱帶驅動的夏季風演化[21]。由此可見,該孔的黏土礦物組合指示東亞季風演化主要是通過洋流搬運過程來實現的,而不是季風氣候直接驅動同時期化學風化的過程。

3 南海北部表層沉積物的黏土礦物組合及其源區和搬運機制

現代表層沉積物中黏土礦物組成及其搬運機制,在很大程度上可以幫助地質歷史時期黏土礦物的古環境解釋。南海表層及其周邊流域盆地表層沉積物的黏土礦物學調查雖然在20世紀70年代后期就已開展[30],但其系統研究隨著南海古環境研究的整體發展趨勢在近幾年才全面展開[24,29,31～33],而且以南海北部最為成熟。根據前人研究,南海北部的陸源碎屑沉積物主要來源于華南的珠江、臺灣西南部河流、以及呂宋島河流[24,29]。盡管有學者認為風塵沉積對南海北部有所貢獻[10,14],但至今沒有提供直接證據的研究成果發表,而多數其他研究通過黏土礦物學、Nd同位素和顆粒粒度的大量研究,認為風塵沉積的貢獻完全可以被忽略,而認為南海周邊河流沉積物是其主要來源[13,15～21]。

圖2 南海西部MD05-2901孔450 ka以來黏土礦物組合[21]Fig.2Claymineral assemblages over the past 450 ka at CoreMD05-2901 in the western South China Sea[21]

珠江屬于世界上重要的大型河流,其沉積物的黏土礦物成分主要為高嶺石(平均值為46%,以下同),其次為綠泥石(25%)和伊利石(26%),基本不含蒙脫石[31,32]。臺灣的山區河流雖然匯水區面積很小,但是由于構造活動和季風/臺風降雨的影響,其徑流量和沉積物輸送量都非常巨大,成為南海周邊陸源懸浮沉積物的重要來源,其河流沉積物的黏土礦物成分主要為伊利石(56%)和綠泥石(41%),含有極少量的高嶺石和蒙脫石[29]。呂宋島河流的匯水區面積也很小,構造活動尤其是火山活動非常發育,季風降雨的影響也很大,其河流沉積物的黏土礦物成分主要為蒙脫石(86%),含有少量高嶺石(9%)和綠泥石(5%),幾乎不含伊利石[33]。這三個物源區的黏土礦物組合在晚第四紀的時間尺度上并不發生顯著變化[29,31,33]。珠江盆地自中生代以來都很穩定,長期受東亞季風降雨氣候影響,土壤剖面富含高嶺石。呂宋島雖然也受季風降雨的氣候影響,但其中基性火山活動頻繁,這類火山巖極易通過化學風化作用形成蒙脫石。臺灣的新生代沉積巖和變質巖受到構造活動和臺風降雨的強烈影響,剝蝕速率極高,使出露的巖石沒有充足的時間發生化學風化作用就遭侵蝕,形成伊利石和綠泥石組合。因此,這三個地區提供的黏土礦物組合在晚第四紀的時間尺度上不會發生顯著變化,無論是冰期還是間冰期都提供相同的黏土礦物組合。

通過珠江、臺灣和呂宋島主要河流沉積物黏土礦物含量與其近岸和南海北部表層黏土礦物含量的對比研究,發現河流近岸沉積物的黏土礦物組合都接近其河道的黏土礦物組成,但陸架至深水盆地的黏土礦物組合都介于這三個主要物源區端元成分之間(圖3)[24]。其中,南海北部東側的樣品全部分布在臺灣和呂宋島端元成分之間,并呈現線性分布,說明珠江對其黏土礦物含量的貢獻很低[32];而西側多數樣品主要也介于臺灣和呂宋島端元成分之間,并略向珠江端元偏移,另有少量樣品(主要采自陸架區域)分布珠江口近岸樣品區間,表明珠江對南海東北部西側特別是其深水區的黏土礦物貢獻量仍然是較低的[24,32]。因此,在考慮主要由珠江、臺灣和呂宋島三個物源區提供南海北部陸源沉積物的情況下,蒙脫石就主要源自呂宋島,高嶺石主要源自珠江,而伊利石和綠泥石主要分別源自臺灣和珠江[24,29]。

圖3 南海北部表層及鄰近的珠江、臺灣和呂宋島流域表層沉積物的黏土礦物含量對比[24]樣品位置分布見圖1,南海北部表層沉積物的黏土礦物資料據文獻[24],珠江資料據文獻[31,32],臺灣河流資料據文獻[29],呂宋島河流資料據文獻[33]Fig.3 Ternary diagram of the major claymineral groups illite+chlorite,kaolinite,and s mectite of surface sediments in the northern South China Sea and adjacent Pearl River,Taiwan,and Luzon drainage basins[24]See Fig.1 for sample locations.Date of the northern South China Sea from reference[24];data of the Pearl River from references[21,32]; data of Taiwan rivers from reference[29];data ofLuzon rivers from reference[33]

根據南海北部表層樣品中黏土礦物組合平面分布的研究結果,這三個主要物源區的黏土礦物在輸入到南海后分別受到不同洋流的搬運(圖4)[24]。南海北部深水區的伊利石和綠泥石主要源自臺灣,由深水洋流搬運而至,但也部分由珠江提供;而北部陸架和上陸坡的伊利石和綠泥石也是主要源自臺灣,但由冬季盛行的廣東沿岸流搬運。蒙脫石主要源自呂宋島弧,由黑潮侵入后形成的黑潮南海分支表層洋流搬運而至。由珠江提供的高嶺石傳輸受到廣東沿岸流和華南近岸流嚴重影響,由珠江口輸入到南海后即向西搬運,很少量進入南海深水區,造成在南海北部大部分海區的高嶺石含量普遍都在5%～10%范圍[24]。因此,南海北部黏土礦物組合主要受控于物源區供給和洋流搬運作用,黏土礦物本身不具同時期氣候條件特征,其應用于晚第四紀東亞季風演化歷史的研究是通過洋流的搬運作用來實現。比如:位于南海西部的MD05-2901孔(圖1)在冬季和夏季時表層洋流受控于反轉的季風風向而反向,分別從北部和南部搬運完全不同的黏土礦物組合,形成明顯的冰期—間冰期黏土礦物組合的旋回變化;而位于南海北部的ODP1145站(圖1)在冬季和夏季時的表層洋流不發生反轉,僅是位置的偏移,造成其搬運黏土礦物的種類維持不變,加之深水洋流搬運的黏土礦物混合效應,使該海區黏土礦物組合沒有明顯的冰期—間冰期旋回變化。

4 主要認識

圖4 南海北部黏土礦物的源區及其搬運機制[24]Fig.4 Sources and spatial transport processes ofmain claymineral species in the northern South China Sea[24]

(1)南海黏土礦物組合主要受控于物源區供給和洋流搬運作用,黏土礦物本身不具同時期氣候條件特征。以南海北部為例,珠江、臺灣和呂宋島這三個主要物源區無論是冰期還是間冰期都提供相同的黏土礦物組合,珠江主要提供高嶺石(并含伊利石和綠泥石),臺灣主要提供伊利石和綠泥石,而呂宋島則主要提供蒙脫石。這些黏土礦物在輸入到南海后分別受到不同洋流的搬運,臺灣提供的伊利石和綠泥石組合大部分由深水洋流向西南深水區搬運,部分由廣東沿岸流在北部陸架和上陸坡向西搬運;呂宋島提供的蒙脫石由黑潮侵入后形成的黑潮南海分支表層洋流向西搬運;而珠江提供的高嶺石在進入南海后,即受到廣東沿岸流和華南近岸流嚴重影響而向西搬運。

(2)南海晚第四紀黏土礦物組合用于指示東亞季風演化歷史的應用是通過洋流的搬運作用來實現的。南海西部由于冬季和夏季反轉的季風風向驅動反轉的表層洋流,分別從北部和南部搬運完全不同的黏土礦物組合,形成明顯的冰期—間冰期黏土礦物組合的旋回變化。南海北部雖然季風風向在冬季和夏季反轉,但大部分海區表層洋流主要受控于黑潮侵入后形成的黑潮南海分支,加之深水洋流搬運的黏土礦物混合效應,使該海區黏土礦物組合沒有明顯的冰期—間冰期旋回變化。

致謝本研究工作得到同濟大學海洋地質國家重點實驗室拓守廷、趙玉龍、李夏晶和王浩的幫助,法國巴黎第十一大學Christophe Colin教授參與有益討論,在此表示衷心感謝!

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ClayM ineral Assemblages in Sedi ments of the South China Sea: East Asian Monsoon Evolution Proxies?

L IU Zhi-fei
(State Key Laboratory ofMarine Geology,Tongji Un iversity,Shanghai200092)

Clay minerals can be used to track oceanic current variations and to reveal contemporaneous paleoclimatic changes prevailing in continental source areas,and have played a significant role in sedimentation and paleoenvironment studiesof the South China Sea.However,it is quite debatable whether clayminerals in the South China Sea can directly indicate the EastAsian monsoon evolution.This study reports that the clay mineral assemblage in the South China Sea ismainly controlled by provenance supply and current transport,and that the clay minerals themselves do not bear the contemporaneous paleocli matic characteristics.For example,as three major provenances of terrigenous clastics,the PearlRiver,Taiwan,and Luzon provide similar the claymineral assemblages,respectively,regardlessof glacial or interglacial stages.Once entering the South China Sea,these clayminerals are transported by different oceanic currents.Therefore,the implication of late Quaternary claymineral assemblages in the South China Sea for proxiesof the EastAsian monsoon evolution is realized through the current transportprocesseswith various results in different parts of the South China Sea.

clayminerals;EastAsian monsoon;provenance;oceanic current;late Quaternary;South China Sea

book=5,ebook=334

劉志飛男1969年出生教授博士生導師沉積學E-mail:lzhifei@tongji.edu.cn

P512.2

A

1000-0550(2010)05-1012-08

①國家自然科學基金項目(批準號:40925008、40876024、40776027)、國家重點基礎研究發展計劃(973計劃)(批準號:2007CB815906)、上海市曙光人才計劃(批準號:07SG23)和上海市優秀學科帶頭人計劃(批準號:10XD1406300)聯合資助。

2010-05-20;收修改稿日期:2010-06-05