南海北部陸架沉積物礦物記錄的全新世東亞夏季風(fēng)變化

黃 超，王 鵬, 孔德明，黃 鑫

南海北部陸架沉積物礦物記錄的全新世東亞夏季風(fēng)變化

黃 超1,2，王 鵬1, 孔德明1，黃 鑫1

（1. 廣東省近海海洋變化與災(zāi)害預(yù)警重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/廣東海洋大學(xué)海洋與氣象學(xué)院，廣東 湛江 524088；2. 中國(guó)科學(xué)院邊緣海與大洋地質(zhì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510301）

【目的】探討南海北部大陸架泥質(zhì)區(qū)巖芯沉積物礦物學(xué)特征與氣候環(huán)境變化的關(guān)系。【方法】利用巖芯沉積物礦物學(xué)開展研究。【結(jié)果】巖芯沉積物碎屑物質(zhì)主要由石英、長(zhǎng)石、伊利石和綠泥石組成。【結(jié)論】巖芯沉積物中黏土/長(zhǎng)石的比值是比較可靠的古氣候變化代用指標(biāo)，記錄了研究區(qū)域過去7500年以來東亞夏季風(fēng)的演變歷史。7500－2000 cal yr BP期間，東亞夏季風(fēng)整體上呈現(xiàn)減弱變化趨勢(shì)，其中7500－3500 cal yr BP期間，東亞夏季風(fēng)相對(duì)強(qiáng)盛，而3500－2000 cal yr BP期間，東亞夏季風(fēng)相對(duì)較弱。

東亞夏季風(fēng)；全新世；南海；礦物組成

東亞夏季風(fēng)作為全球氣候系統(tǒng)中重要的組成部分，控制著東亞地區(qū)水文和生態(tài)環(huán)境變化。“將古論今”是古氣候?qū)W研究中重要的方法論，因而從相對(duì)更長(zhǎng)時(shí)間跨度來深入探究過去氣候演變的規(guī)律、特征及其驅(qū)動(dòng)機(jī)制，可能有助于我們更準(zhǔn)確預(yù)測(cè)未來東亞夏季風(fēng)的演變趨勢(shì)。近些年在我國(guó)東部季風(fēng)區(qū)開展了大量全新世以來的東亞夏季風(fēng)研究，取得比較好的研究進(jìn)展。但這些研究工作主要基于大陸的湖泊、泥炭、石筍和黃土等地質(zhì)載體[1-4]，而來自于海洋沉積，尤其是近海大陸架高分辨率的東亞夏季風(fēng)研究相對(duì)較少[5-7]。南海作為西太平洋最大邊緣海，深受東亞夏季風(fēng)影響，其主要物質(zhì)來源為鄰近大陸的化學(xué)風(fēng)化和機(jī)械剝蝕的產(chǎn)物[8]。礦物成分是近海沉積物陸源碎屑物質(zhì)的重要組成部分，可以示蹤物源區(qū)的氣候環(huán)境變化，分別在南海北部陸坡[9-11]、菲律賓西部海域[12]以及印度洋盆[13]開展了比較成功的研究，揭示了研究區(qū)域夏季風(fēng)的演變歷史。然而，以往研究工作主要利用深海區(qū)沉積物開展較長(zhǎng)時(shí)間尺度的氣候變化，而南海北部近海陸架較少開展有關(guān)全新世以來詳細(xì)的礦物學(xué)研究工作[14]。本研究以采自南海北部大陸架粵西泥質(zhì)區(qū)的YJ Core巖芯作為研究對(duì)象，通過210Pb和AMS14C兩種測(cè)年方法建立YJ Core巖芯的年齡–深度模式，開展詳細(xì)的礦物學(xué)研究工作，分析研究區(qū)沉積物礦物成分的變化特征，并與區(qū)域已有東亞夏季風(fēng)記錄進(jìn)行對(duì)比分析，以期利用高分辨礦物學(xué)指標(biāo)揭示物源區(qū)全新世以來東亞夏季風(fēng)的演變歷史。

1 材料與方法

2013年7月在粵西海域近岸大陸架水深約 21 m位置（112°8.08′E, 21°31.44′N, 圖1），獲得長(zhǎng)為610 cm的無擾動(dòng)巖芯。

圖1 YJ Core研究區(qū)域分布

利用210Pb、137Cs和 AMS14C兩種測(cè)年方法建立YJ Core巖芯的年代框架。210Pb、137Cs分析測(cè)試在中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)極地環(huán)境研究室完成。通過選取巖芯不同深度18個(gè)層位中保存完整的貝殼樣品，送往美國(guó)Beta實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行AMS14C年代分析。根據(jù)YJ Core巖芯的18個(gè)年代結(jié)果的2σ誤差范圍內(nèi)校正年齡的均值，利用RCore Team[15]和Bacon v2.2進(jìn)行貝葉斯年代–深度模型計(jì)算得到巖芯樣品的年齡[16]。最終獲得的巖芯樣品的平均年齡分辨率為小于35 a/樣。詳細(xì)的年代-深度模型見文獻(xiàn)[17]。

冷凍干燥研磨好的全巖樣品使用德國(guó)BRUKER D8 ADVANCE 型X 射線衍射儀Cu（單色）進(jìn)行礦物成分的分析，其中工作電壓40 kV；工作電流30 mA；掃描范圍2= 3° ~ 85°；狹縫1 mm；掃描速度：4°/min，分析精度約為5%。礦物成分XRD分析在中國(guó)科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所礦物學(xué)與成礦學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成。

2 結(jié)果與分析

YJ Core巖芯沉積物碎屑物質(zhì)主要由石英、長(zhǎng)石、伊利石和綠泥石組成（圖2），也包含少量方解石、白云石等礦物成分。巖芯沉積物中石英含量的變化范圍為22% ~ 62%，其平均值為41%；長(zhǎng)石含量的變化范圍為2% ~ 38%，其平均含量為13%；黏土礦物伊利石和綠泥石含量的變化范圍分別為7% ~ 40%和10% ~ 26%，其平均值分別為20%和18%，且伊利石含量與綠泥石含量在整體上呈現(xiàn)類似變化趨勢(shì)。黏土/長(zhǎng)石的比值變化范圍為0.5 ~ 7.6，平均值為3.3。巖芯沉積物中黏土/長(zhǎng)石的比值在7500－6800 cal yr BP期間較低；在6800－3500 cal yr BP期間，黏土/長(zhǎng)石的比值相對(duì)較高；在3500－2000 cal yr BP期間，黏土/長(zhǎng)石的比值相對(duì)較低；近2 000 a以來，黏土/長(zhǎng)石的比值呈現(xiàn)上升變化趨勢(shì)。

圖2 巖芯沉積物中石英、長(zhǎng)石、伊利石和綠泥石含量以及黏土/長(zhǎng)石比值的時(shí)間序列變化

3 討論

3.1 沉積物礦物特征的氣候環(huán)境指示意義

黏土礦物對(duì)化學(xué)風(fēng)化響應(yīng)靈敏，且黏土礦物主要來自于長(zhǎng)石、輝石、角閃石和云母等礦物分解轉(zhuǎn)化而成的次生礦物[18]。YJ Core巖芯沉積物中輝石和角閃石的含量非常少，表明陸源礦物經(jīng)歷了強(qiáng)烈的風(fēng)化和分選[8]。因此，黏土/長(zhǎng)石比值可用作為化學(xué)風(fēng)化強(qiáng)度變化的代用指標(biāo)[11,19-20]。此外，巖芯沉積物中黏土/長(zhǎng)石的比值變化與巖芯化學(xué)風(fēng)化記錄CIA和Al/K比值的變化趨勢(shì)一致（圖3）[17]，進(jìn)一步證明巖芯沉積物中黏土/長(zhǎng)石的比值變化可以用來指示化學(xué)風(fēng)化強(qiáng)度的變化，進(jìn)而反映研究區(qū)東亞夏季風(fēng)降水的變化。黏土/長(zhǎng)石的比值越高，表明化學(xué)風(fēng)化作用越強(qiáng)，從而指示強(qiáng)盛的東亞夏季風(fēng)，反之亦然。

圖3 巖芯沉積物中黏土/長(zhǎng)石的比值、Al/K比值、CIA的時(shí)間序列變化[17]以及海平面變化[21]

3.2 沉積物礦物指標(biāo)記錄的全新世東亞夏季風(fēng)變化

如圖3所示，根據(jù)YJ Core巖芯沉積物黏土/長(zhǎng)石的比值變化特征，我們將巖芯按照時(shí)間序列劃分為4個(gè)階段。第一階段，7500－6800 cal yr BP，由于海平面快速上升[21]，導(dǎo)致黏土/長(zhǎng)石的比值可能同時(shí)受到東亞夏季風(fēng)和海平面變化的共同影響；第二階段，6800－3500 cal yr BP，巖芯沉積物中黏土/長(zhǎng)石的比值相對(duì)較高，表明該時(shí)期化學(xué)風(fēng)化作用較為強(qiáng)烈，這與YJ Core 巖芯沉積物中化學(xué)風(fēng)化指標(biāo)CIA和Al/K比值的變化一致[17]，且該時(shí)期巖芯沉積物中的陸源輸入量較高[17]，可能指示強(qiáng)盛的東亞夏季風(fēng)；第三階段，3500－2000 cal yr BP，巖芯沉積物中黏土/長(zhǎng)石的比值處于最低值階段，同時(shí)巖芯沉積物中化學(xué)風(fēng)化指標(biāo)CIA和Al/K比值也處于最低值階段[17]，表明該時(shí)期化學(xué)風(fēng)化作用相對(duì)較弱，可能指示較弱的東亞夏季風(fēng)；第四階段，2000－0 cal yr BP，巖芯沉積物中化學(xué)風(fēng)化指標(biāo)黏土/長(zhǎng)石比值呈現(xiàn)上升的變化趨勢(shì)，同時(shí)巖芯沉積物中化學(xué)風(fēng)化指標(biāo)CIA和Al/K比值也表現(xiàn)為增加的變化趨勢(shì)[17]，可能表明化學(xué)風(fēng)化作用在該時(shí)期相對(duì)增強(qiáng)，但Huang等研究[17]已經(jīng)證明，近2 000a以來YJ Core巖芯沉積物的代用指標(biāo)可能不再受氣候變化的控制，而可能主要受到日益增強(qiáng)的人類活動(dòng)影響，由于人類活動(dòng)增強(qiáng)，在很大程度上改變了河流系統(tǒng)和化學(xué)風(fēng)化強(qiáng)度變化[22-23]。因此，近2 000 a以來，YJ Core巖芯沉積物化學(xué)指標(biāo)黏土/長(zhǎng)石的比值可能主要受日益增強(qiáng)的人類活動(dòng)影響。

如圖4a所示，YJ Core巖芯沉積物中化學(xué)風(fēng)化強(qiáng)度指標(biāo)黏土/長(zhǎng)石的比值在7500－2000 cal yr BP期間整體上呈現(xiàn)下降的變化趨勢(shì)，指示物源區(qū)化學(xué)風(fēng)化強(qiáng)度在該時(shí)期減弱，可能是受到逐漸削弱的東亞夏季風(fēng)的影響。在我國(guó)南方地區(qū)，來自湖泊和泥炭的研究發(fā)現(xiàn)，在7500－2000 cal yr BP期間，東亞夏季風(fēng)整體上表現(xiàn)為下降的變化趨勢(shì)。例如，廣東湛江湖光巖瑪珥湖的多種生物地球化學(xué)指標(biāo)的研究顯示，在7500－2000 cal yr BP期間東亞夏季風(fēng)逐漸減弱(圖4b)[1]。類似地，大湖泥炭δ13Corg值在7500－2000 cal yr BP呈現(xiàn)偏重的變化，反映逐漸減弱的東亞夏季風(fēng)變化(圖4c)[24]。董哥洞石筍δ18O在全新世期間呈現(xiàn)偏重的變化趨勢(shì)，表明東亞夏季風(fēng)整體上呈減弱的變化趨勢(shì)(圖4d)[3]。Li 等[25]基于長(zhǎng)江中下游地區(qū)三個(gè)化石孢粉的數(shù)據(jù)定量重建全新世的溫度和降水變化，結(jié)果發(fā)現(xiàn)中晚全新世期間該區(qū)域?yàn)橄鄬?duì)冷干的氣候環(huán)境(圖4e)。珠江河口多個(gè)巖芯沉積物的研究表明，東亞夏季風(fēng)在中晚全新世期間呈現(xiàn)減弱的變化趨勢(shì)。珠江河口巖芯HKUV1和B1/2沉積物中的化學(xué)風(fēng)化指標(biāo)K/Al和K/Rb以及黏土礦物學(xué)數(shù)據(jù)的分析表明，6800－2000 cal yr BP期間減弱的化學(xué)風(fēng)化和物理侵蝕主要響應(yīng)于削弱的夏季風(fēng)變化[22]。類似地，珠江河口沉積物的δ13Corg和生物標(biāo)志化合物單體δ13C記錄顯示，在6500－2000 cal yr BP期間，碳同位素值整體呈現(xiàn)偏重的變化趨勢(shì)，反映東亞夏季風(fēng)逐漸減弱[26-28]。綜上所述，我國(guó)南方不同區(qū)域多種地質(zhì)載體的不同指標(biāo)的綜合對(duì)比分析表明，在7500－2000 cal yr BP期間，東亞夏季風(fēng)呈現(xiàn)逐漸減弱的變化趨勢(shì)，這與我們巖芯YJ Core沉積物化學(xué)風(fēng)化指標(biāo)黏土/長(zhǎng)石的比值所記錄的東亞夏季風(fēng)的變化趨勢(shì)一致。

（a）YJ Core巖芯沉積物中黏土/長(zhǎng)石的比值；（b）湖光巖瑪珥湖Δδ13C31–29記錄[1]；（c）大湖泥炭δ13Corg記錄[2]；（d）董哥洞石筍δ18O記錄[3]；（e）長(zhǎng)江下游地區(qū)基于三個(gè)化石孢粉的數(shù)據(jù)定量重建的年降水量變化[25]

4 結(jié)論

通過對(duì)南海北部近海沉積巖芯YJ Core沉積物進(jìn)行礦物成分的分析，獲取該區(qū)域過去7 500 a以來的高分辨礦物學(xué)記錄。研究表明YJ Core巖芯沉積物碎屑物質(zhì)主要由石英、長(zhǎng)石、伊利石和綠泥石組成，同時(shí)也包含少量的方解石、白云石等礦物成分。YJ Core巖芯沉積物中黏土/長(zhǎng)石的比值對(duì)氣候變化響應(yīng)靈敏，記錄了過去7 500 a以來東亞夏季風(fēng)的演變歷史。7500－6800 cal yr BP期間，東亞夏季風(fēng)和海平面變化共同影響巖芯沉積物中化學(xué)風(fēng)化指標(biāo)黏土/長(zhǎng)石的比值變化；6800－3500 cal yr BP期間，黏土/長(zhǎng)石的比值相對(duì)較高，可能反映相對(duì)強(qiáng)烈的化學(xué)風(fēng)化，進(jìn)而可能指示該時(shí)期相對(duì)強(qiáng)盛的東亞夏季風(fēng)；3500－2000 cal yr BP期間，黏土/長(zhǎng)石的比值相對(duì)較低，表明東亞夏季風(fēng)相對(duì)較弱。

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Variation of the East Asian Summer Monsoon During the Holocene as Recorded by Mineral Composition of Sediments from an Archive of Continental Shelf Sediments in the Northern South China Sea

HUANG Chao1,2, WANG Peng1, KONG De-ming1, HUANG Xin1

（1./,,524088,; 2,,510301,）

【Objective】This study investigates the environmental effect on mineral composition of sediments from the South China Sea (SCS). 【Method】Detailed environmental mineral study of sediments from the YJ Core derived from the northern inner shelf of the SCS was performed. 【Result】Quartz, feldspar, illite, and chlorite constitute most of the terrigenous detrital material. 【Conclusion】The ratio of clay/feldspar is sensitive to local climatic/environmental conditions. We have used the clay/feldspar of these sediments to accurately reconstruct the change of the East Asian summer monsoon (EASM) over the past 7500 cal yr BP. From 7500 to 2000 cal yr BP, the EASM exhibits an overall decreasing trend, with strong EASM during the 7500–3500 cal yr BP but weak EASM during the 3500–2000 cal yr BP.

East Asian summer monsoon; Holocene; South China Sea; mineral composition

P532

A

1673-9159（2020）04-0035-06

10.3969/j.issn.1673-9159.2020.04.006

2020-01-17

廣東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（2020A1515010500）；中國(guó)科學(xué)院邊緣海與大洋地質(zhì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室資助（OMG2019-10）；黃土與第四紀(jì)地質(zhì)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金資助項(xiàng)目（SKLLQG1908）；中國(guó)科學(xué)院海洋地質(zhì)與環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金課題資助（MGE2019KG04）；廣東海洋大學(xué)“創(chuàng)新強(qiáng)校”資助項(xiàng)目（230419097）；廣東海洋大學(xué)科研啟動(dòng)費(fèi)資助項(xiàng)目（R19007）

黃超（1988－），男，博士，講師，主要從事地球化學(xué)與過去全球變化研究。Email：Huangchao@gig.ac.cn

黃鑫（1987－），男，講師，主要從事海洋有機(jī)地球化學(xué)研究。E-mail：shaoshanhx@126.com

黃超，王鵬，孔德明，等. 南海北部陸架沉積物礦物記錄的全新世東亞夏季風(fēng)變化[J].廣東海洋大學(xué)學(xué)報(bào)，2020，40（4）：35-40.

（責(zé)任編輯：劉嶺）