西菲律賓海盆XT06孔第四紀磁性地層與深海沉積動力過程

胡邦琦，易亮，趙京濤，郭建衛，丁雪，王飛飛，諶微微

1. 中國地質調查局青島海洋地質研究所，青島 266071

2. 青島海洋科學與技術試點國家實驗室，海洋礦產資源評價與探測技術功能實驗室，青島 266071

3. 同濟大學海洋與地球科學學院，海洋地質國家重點實驗室，上海 200092

西菲律賓海盆位于菲律賓海板塊西部（圖1），形成于古新世的海底擴張活動。海盆的東邊是九州-帕勞海脊，北邊是沖大東海脊，并北西向俯沖至琉球-臺灣-菲律賓島弧之下[1]。西菲律賓海盆的水深約為5 500～6 000 m，大部分均位于碳酸鹽補償深度（CCD）之下。海盆內的深海水體主要與南極下層繞極流（LCDW）有關[2]，這些水團大部分從九州-帕勞海脊的缺口處進入菲律賓海后分為南北兩支，北支以反氣旋環流為主，圍繞菲律賓海盆北部和四國海盆運動，南支則表現為大尺度的氣旋式環流[3]。海盆內沉積物多以棕黃色、紅棕色、棕色的碳酸鹽含量極低的深海軟泥為主，并含有火山或巖漿巖碎屑物質[4]。海盆沉積物的黏土礦物主要為火山成因的蒙脫石和來自亞洲大陸風塵的伊利石、高嶺石和綠泥石[5-6]。進一步的研究[7-9]指示這些火山碎屑主要來自近源的多條海脊（圖1），而其他陸源組分在大氣環流的作用下[10-11]由亞洲內陸干旱區輸運而來[10,12]。據測算，風塵物質最高可占沉積物內碎屑組分的75%[13]，亞洲冬季風在這些風塵物質向西北太平洋輸運過程中扮演了重要角色[14-15]。

近年來，前人對菲律賓海沉積物的風塵組成特征、源區判別以及搬運動力等科學問題進行了大量研究。例如，有研究認為黏土礦物的空間組合受海底地形和風塵沉積的雙重控制[16]，可用于重建熱帶太平洋ENSO長期演化及其與季風的耦合關系[17]，也借此推斷菲律賓海沉積物的不同物源貢獻[18]。此外，Wan等通過沉積物黏土礦物分析，提出高緯冰蓋擴張、亞洲冬季風增強和粉塵通量增加是控制菲律賓海沉積過程的主要因素[19]；但Seo等基于鍶釹同位素和黏土礦物組合特征則認為西風和信風才是粉塵輸運的主要動力來源[20]。這些研究加深了對菲律賓海這一關鍵區域沉積過程的認識，但對菲律賓海深海沉積動力過程尚未有較多涉及。本文利用菲律賓海中部XT06孔柱狀沉積物（圖1），通過磁性地層學和沉積物粒度分析，解析了約2.2 Ma以來研究區的沉積過程與動力特征，探討了這些沉積動力特征與全球變化之間的可能聯系。

1 材料與方法

1.1 樣品

XT06 孔柱狀沉積物（16.07° N、134.01° E，5 473 m），總長390 cm，由青島海洋地質研究所通過重力取樣器獲取。XT06孔沉積物巖性較為均一，顏色呈棕灰色、棕黃色，可見少量黑色微結核分布于巖心中，未見明顯沉積分層或間斷現象。XT06孔沉積物在室溫下保存，運輸至實驗室后進行剖分，用于古地磁和沉積物粒度分析與研究。

1.2 沉積物剩磁測試

利用2 cm×2 cm×150 cm的無磁塑料U型槽進行取樣。剩磁測量在同濟大學海洋地質國家重點實驗室的低溫超導磁力儀（2G 755-4K model, 2G Enterprises, USA）上完成。為去除粘滯剩磁影響，并獲得特征剩磁方向，采用交變退磁方法，最高外加場強為90 mT，間距為5～10 mT，共13步。采用Randolph J. Enkin開發的PGMSC（V4.2）數據處理軟件，利用主成分分析法進行特征剩磁方向的計算[21]，每次擬合利用不少于8個連續數據點進行，且最大角偏差小于10°。

1.3 沉積物粒度測試

按2 cm間距進行沉積物粒度分析取樣，共獲得195份樣品。粒度分析前處理方法為：取適量樣品置于燒杯，加10～15 mL濃度為30%的H2O2，使其充分反應24 h；隨后加入5～10 mL濃度為10%的HCl，使其充分反應；樣品經預處理后，注滿蒸餾水，靜置24 h后抽去蒸餾水，用超聲波清洗機振蕩后測量，每份樣品連續測量兩次，若兩次所得粒度頻率分布曲線不重合，則需將該份樣品重新測試。粒度測試工作在青島海洋地質研究所實驗測試中心完成，所用儀器為英國Malvern Mastersizer 2000型激光粒度儀，測量范圍為0.02～2 000 μm，重復測量的相對誤差小于3%。

圖1 研究區概況與站位示意圖綠色線為深層（水深大于4 000 m）環流示意圖，據文獻[3]繪制。LCDW，南極下層繞極流；AABW，南極底層水。Fig.1 Location map of the study area and core XT06Green dash lines in the upper panel represent deep-sea circulation（below 4 000 m）; LCDW, lower circumpolar deep water; AABW, Antarctic bottom water.

參照前人研究成果，多峰粒度分布可能包含多個不同沉積動力過程[22]，而這一多峰分布特征可以用諸如正態函數、Weibull函數、t函數等數學形式予以表達[23-27]。作為數學分解的前提，合適的模型選擇與參數設定是完成這一分析的重要步驟，Weibull函數分布在沉積物粒度研究中已有很好應用[28-31]。根據XT06孔沉積物粒度測試結果，目標函數設定如下：

其中，x為沉積物粒徑值（μm），α代表曲線形態，β表示組分中值粒徑，m為分解后各組分的相對含量。

另一方面，基于沉積物各粒級組分數據的主成分分析和敏感粒級組分也是區分不同動力組分或來源的有效手段，在各類沉積物粒度分析中也有較好的應用[32-36]。為了更為全面地揭示XT06站記錄的沉積動力過程，并對函數分解結果進行交叉驗證，我們對同一批粒度數據進行主成分分析和敏感粒級組分分析，并對不同方法獲得的粒度分析結果進行對比與檢驗。

2 結果

2.1 剩磁特征與磁極性柱

XT06孔大部分樣品表現為兩種磁組分，通過10 mT交變磁步驟，可以基本消除次生磁成分的影響。因此，選用20～60 mT的區間剩磁分量，利用“最小二乘法擬合”方法[21]進行直線段擬合；最終，除了個別樣品外，大多數樣品均獲得了穩定的特征剩磁（約占總樣品數的96%）。代表性樣品的退磁矢量投影圖（亦稱Z-氏圖）[37]見圖2。以連續4個特征剩磁點為磁極性區間的判別標準，XT06孔共獲得187個具有穩定特征剩磁的樣品，其磁極性序列表現為6個磁極性區間，分別為：負極性R1（120～150 cm）、R2（162～286 cm）和 R3（324 cm以深），正極性 N1（0～120 cm）、N2（150～162 cm）和 N3（286～324 cm）；此外，還可辨識出兩個正極性漂移區間：e1（234～238 cm）和 e2（364～368 cm）。

2.2 磁極性區間的對比方案與年代框架

由于本區域其他沉積柱狀樣已有的年代學結果指示區域的沉積速率（SAR）大致為 40～250 cm/Myr[6,15,38-40]，在假定XT06孔未有明顯沉積間斷的基礎上，可將上述辨識出的磁極性區間對比至國際標準磁極性序列[41]。具體對比方案如下（圖3）：（1）正極性區間N1、N2和N3分別對應于布容正極性時（C1n/Brunhes chron）、加拉米洛亞極性時（C1r.1n/Jaramillo subchron）和奧杜維爾正極性時（C2n/ Olduvai chron）；（2）負極性區間 R1、R2和 R3對應于松山負極性時（Matuyama chron）的不同時段；（3）在假定沉積速率較為穩定的基礎上，將XT06孔的極性漂移事件e1和e2分別對比至吉爾薩（Gilsa）和留尼旺（Reunion）。綜上所述，本文建立了XT06孔的古地磁年代框架（表1），時間跨度為約2.2 Myr，平均沉積速率為177 cm/Myr，并用于后續的深海沉積動力分析。

2.3 沉積物粒度特征

XT06孔沉積物中黏土粒級（＜4 μm）含量變化于 30%～50%，粉砂粒級（4～63 μm）含量范圍為50%～80%，砂粒級（＞63 μm）含量非常低，僅在該孔下部的十余個樣品中出現（圖4）。

粒度頻率曲線可以直觀地反映沉積物不同組分的含量變化，其形態的差異指示了不同因素控制的動力過程。XT06孔沉積物粒度頻率曲線以雙峰為主，普遍含有細尾。所有頻率曲線的細峰峰值為4～6 μm，粗峰峰值分布于 20～30 μm（圖 4）。此外，十余個已檢測出砂粒組分的樣品，雙峰形態與其他樣品基本一致，但粗峰峰值（約50 μm）較其他樣品稍大（圖 4C）。

C值是累積含量1%的沉積物粒度，可以反映沉積時的最大水動能；M值是累積含量50%的沉積物粒度，可以反映沉積環境的平均水動能，粒度象（C-M）圖可用于指示沉積搬運模式[44]。XT06孔沉積物C-M圖投點集中于4 μm＜M＜7 μm和30 μm＜C＜50 μm（圖4B），屬于遠洋懸浮質（pelagic suspension）的區間[44]，指示了極低的深海沉積動力條件。此外，十余個已檢測出砂粒組分的樣品，投點集中于8 μm＜M＜20 μm 和 60 μm＜C＜100 μm（圖 4），可能代表了低沉積速率下的微結核的影響[40]，也可能指示了水動力條件的較大差異。

2.4 沉積物粒度組分與動力過程

基于Weibull分布的函數分解（EM1和EM2）和敏感粒級組分分析（Cc1和Cc2）的結果均表明XT06站沉積物具有兩個明顯的沉積動力組分（圖4E），且不同方法之間所獲得動力組分的中值粒徑變化有很好的一致性。對于主成分分析結果（表2），第一（Fc1）和第三（Fc3）具有和其他兩種方法類似的動力學意義（圖4F），而第二組分（Fc2）包含了所有粒徑的信息，可能代表了粗粒和細粒組分之間的消長關系。從各粒度參數隨深度的變化來看，砂粒級組分僅在XT06站柱狀沉積物的底部出現（圖5A），由于目前尚缺乏其他證據用于揭示底部砂粒級組分的詳細成因，后續分析將僅針對XT06孔上部366 cm展開。對于這些參數的具體變化，不同方法獲得的兩個動力組分不但具有非常類似的波動，在相對含量上也存在一致的消長關系，指示了早更新世以來控制研究區深海底層沉積過程的主要動力因素較為穩定。

圖2 XT06站沉積物代表性樣品的系統退磁結果正交投影圖空心圓上的數字代表 1：5 mT；2：10 mT；3：15 mT；4：20 mT；5：25 mT；6：30 mT；7：40 mT；8：50 mT；9：60 mT；10：70 mT；11：80 mT；12：90 mT。實心方塊代表水平投影，空心圓代表垂直投影；NRM為天然剩磁。Fig.2 Orthogonal diagrams of stepwise alternating-field demagnetization of representative samplesThe numbers on open circles are: 1, 5 mT; 2, 10 mT; 3, 15 mT; 4, 20 mT; 5, 25 mT; 6, 30 mT; 7, 40 mT; 8, 50 mT; 9, 60 mT; 10, 70 mT; 11, 80 mT; 12, 90 mT.NRM, natural remanent magnetization; Solid（open）circles（squares）represent the horizontal（vertical）planes.

3 討論

3.1 沉積速率變化與區域過程

基于XT06孔沉積物的古地磁地層結果及其年代學控制點（表1），發現早更新世以來XT06孔的沉積速率變化可以明確劃分為兩個時段（圖6）：約1.5 Ma之前，沉積速率較快，約為250 cm/Myr；1.5 Ma以來，沉積速率變慢，為142 cm/Myr。通過對比分析前人在XT06孔鄰近海域柱狀沉積物的磁性地層學結果（圖6），發現研究區沉積物的沉積速率在1.0～1.5 Ma期間發生過一次轉折，但存在空間差異性。最近研究指出馬里亞納海溝南坡的沉積速率在約1.3 Ma由慢轉快[40]，這一現象在菲律賓海深海柱樣沉積物的古地磁學研究中也有報道[43,45]；而在此次研究中，XT06孔沉積速率則由快轉慢，反映了菲律賓海深海的區域差異。

圖3 菲律賓海中部XT06站沉積的磁性地層結果A. 巖心照片，B—C. 特征剩磁，D. XT06 站磁極性柱，E. 國際標準磁極性柱[41]。B，布容 Brunhes；M，松山 Matuyama；J，加拉米洛 Jaramillo；O，奧杜維爾 Olduvai；R，留尼旺 Reunion；M/B，松山-布容界限；Ga/M，高斯-松山界限。Fig.3 Magnetostratigraphy of core XT06（A）photo of the core;（B-C）ChRM declination and inclination, respectively;（D）the polarity of core XT06 with six identified magnetozones;（E）The geological polarity timescale（GPTS）. B, Brunhes chron; M, Matuyama chron; J, Jaramillo subchron; O, Olduvai; R, Reunion; M/B,the Matuyama/Brunhes boundary; Ga/M, the Gauss-Matuyama boundary.

首先，菲律賓海盆內的碎屑物質主要來自近源的海底洋脊玄武巖的風化、搬運和遠源的亞洲內陸干旱區風塵輸入[7-9,15]。XT06孔的沉積速率轉折事件，在時間上與中更新世氣候轉型期（MPT）的早期啟動是一致的。中更新世氣候轉型期是現代地球氣候系統的主要塑造事件之一，表現為全球氣候變化的周期由此前的4萬年為主導，逐步轉變為10萬年周期為主導，代表了冰期氣候的振幅加劇與影響增大[46-48]；近來也有研究發現這一氣候轉型在東亞地區代表了季風氣候由原先的2萬年和4萬年共同主導，轉向10萬年的氣候主周期[49]。作為菲律賓海碎屑物質的兩大來源之一，亞洲內陸從中更新世氣候轉型期開始，表現為更加顯著的干旱化過程，也指示了更加快速與強烈的粉塵活動[50-51]。本次研究的XT06站沉積物粒度特征顯示（圖5,7），細顆粒的貢獻持續增加，可能與亞洲內陸干旱化引發的粉塵輸入增強[43]密切相關，但該站沉積速率相對MPT之前反而明顯減低，推測可能存在其他影響因素導致XT06孔深海沉積過程的轉折。

對于中更新世氣候轉型，除了地球氣候主導周期的轉變，還伴隨了全球大洋環流的重組[52-53]，可能影響菲律賓海底層沉積的輸運路徑或強度。在XT06孔的東側，馬里亞納海溝南坡發現沉積Mn元素含量在1.3 Ma發生了明顯轉折，指示了底層海洋的氧化-還原狀態顯著增強，可能代表了南極深/底層水（AABW/LCDW）自中更新世氣候轉型期以來的影響增加[40]。然而，底層水影響的增強將使得沉積物粒徑變粗，與本次研究的XT06站沉積物粒度的變化特征相反（圖5,7）。

此外，1.0 Ma前后是東亞-西太平洋構造活動較為活躍的時期。例如，約1.0 Ma，橫亙在中國大陸與日本列島之間的浙閩古隆起可能曾經有部分抬升[54]，日本本州中部的山體可能在1.0 Ma左右達到目前高度[55]，日本南海海溝的濁流沉積在此間也發現顯著的弱化[56]，馬里亞納海溝南坡也可能發生了構造變形[40]。這些東亞-西太平洋的區域構造變形事件可能與亞洲和美洲板塊的碰撞[55]及太平洋板塊的俯沖作用[57]密切相關。

綜合上述分析，我們推測：XT06站在MPT前后的沉積轉折與區域內其他研究站位的情況相反，說明在構造時間尺度上，東亞-西太平洋地區的構造活動可能改變了研究區沉積空間的整體格局，引發了沉積中心的遷移；在這一過程中，亞洲內陸粉塵輸入的增加使得XT06孔沉積物粒徑總體變細，而底層水增強在構造時間尺度上不是影響研究區沉積過程的主要因素。

表1 XT06站磁極性柱年齡對比Table 1 Correlation of magnetozones of core XT06 to the geomagnetic polarity time scale

3.2 深海沉積動力過程與全球對比

由于沉積物粒度各組分含量是不同沉積動力或來源的直接表現，因此，利用鉆孔內沉積物樣品的粒度特征，通過沉積動力分析，可以在更精細的時間尺度上反演沉積物所記錄的環境演化特征，進而推斷研究區沉積動力環境的控制因素及其與全球變化之間的聯系。

XT06孔沉積物的粒度變化明顯，且以細粒沉積為主，反映了相對低能的深海底層動力環境特征（圖7）。雖然沉積柱樣底部發現少量砂粒級的貢獻（圖5），但可能并非代表較高動力組分的特征，而是源于其他環境因素（如微結核等）的影響。為了更為精確地獲得不同分析結果的一致性變化，我們對粗粒和細粒兩個組分的時間序列進一步開展了主成分分析（表2）。結果表明兩個組分表現為完全一致且互為消長的變化特征（圖7），指示了控制粗粒和細粒兩個組分的是同一環境要素。因此，我們后續的分析將以主成分分析獲得第一主成分Fc1為對象，通過與已有的環境代用指標對比，分析菲律賓海中部深海沉積動力過程的可能影響因素。

在古地磁年代框架的基礎上（表1），通過區域對比，我們發現XT06孔的Fc1序列具有較好的冰期-間冰期旋回（圖8A），與全球冰量變化的代用指標深海氧同位素LR04曲線[58]有著很好的一致性（圖8B），特別是在古地磁年齡控制點附近，可以觀察到兩條序列之間的穩定關系。由于Fc1代表了細顆粒的貢獻，兩者之間的一致性說明了在冰期-間冰期尺度上，菲律賓海中部在溫暖氣候背景下具有較強的沉積動力條件，而在寒冷期則表現為較弱的深海動力過程。通過與全球大洋δ13C梯度值[59]的對比發現（圖8D），XT06孔記錄的沉積動力在冰期-間冰期旋回上的差異可能直接受控于南極深/底層水團演化過程（圖1），具體表現為Fc1序列值越大，沉積動力越弱，影響研究區的南極深/底層水團也相應減弱，反之則增強。這種冰期-間冰期旋回上的深海環流變化特征與前人研究結果較為一致。例如，基于深海δ13C等代用指標的研究表明，由于冰期深層水團的生成率明顯較間冰期時更低，大洋深海環流在冰期時較弱而間冰期時較強[60-64]，最近在馬里亞納海溝南坡的研究結果也表現了類似的變化特征[40]。

圖4 XT06站沉積物粒度特征A. 粒度組分三角圖，B. C-M圖，C. 粒度頻率曲線，D. 累積頻率曲線，E. 粒度兩組分分解結果，F. 粒度主成分分析結果。其中Mean代表所有樣品平均的粒徑分布，S.D.為敏感粒級曲線（左側縱坐標）；Cc1和Cc2為敏感粒級組分；EM1和EM2為Weibull函數分解組分（右側縱坐標）。Fig.4 Characteristics of sediment grain size of core XT06（A）ternary diagrams;（B）C-M diagrams;（C）grain-size distributions, PDF: probability density function;（D）grain-size distributions, CDF: cumulative distribution function.（E）Mathematical unmixing, EM1 and EM2 are the two characterized grain-size components; Cc1 and Cc2 are the two components by grain-size sensitive fraction; Mean, the averaged grain-size curve of all samples; S.D., the standard deviation of all samples.（F）Principal component analysis.Fc1, Fc2, and Fc3 are the three components.

另一方面，菲律賓海盆也是亞洲內陸粉塵向西北太平洋輸運過程中的主要沉積海盆。根據沉積物礦物學和地球化學結果估算，在菲律賓海東部的深海沉積物中包含顯著的風塵貢獻，其他部分主要來自西馬里亞納海脊、九州-帕勞海脊、馬里亞納海槽等近源輸入[7-9]。考慮到風塵向西北太平洋輸入過程中，越靠近太平洋西側，風塵貢獻越大，本文研究的XT06孔更靠近亞洲大陸一側，沉積物中應包含更顯著的風塵貢獻。通過對比（圖8C）發現XT06孔的Fc-1序列與中國黃土粒度綜合曲線[65]之間也存在一定的相似性。由于風塵貢獻主要表現為細顆粒的增加[66-68]，上述對比展現了間冰期細顆粒減少、粉塵貢獻減弱，與前人認識一致。

表2 XT06站沉積物粒度主成分分析結果Table 2 Results of principal component analysis for XT06 sediments

圖5 XT06站沉積物粒度參數隨鉆孔深度的變化Fig.5 Changes in sediment grain-size parameters of core XT06

此外，菲律賓海XT06站的Fc1序列表現為總體上升的趨勢，與亞洲內陸干旱化大體一致（圖8C）。不過，在約2 Ma前后，兩者呈現負相關關系；同時，在冰期-間冰期尺度上，兩者的一致性也低于深海氧同位素綜合曲線（LR04）和全球大洋δ13C梯度值序列。因此，我們推測菲律賓海的深海沉積動力過程在冰期-間冰期尺度上主要受全球冰量變化和大洋底層環流強度控制，而亞洲內陸的風塵輸入影響更多體現在構造時間尺度上。

圖6 研究區沉積速率對比菲律賓海F090102站數據源自文獻[43]，馬里亞納海溝南坡A25和J01A站數據源自文獻[40]。Fig.6 Comparisons of age-depth model and sedimentation rate between various cores in the Philippian Sea and the West Pacific

圖7 多種分析方法獲得的粒度特征組分對比Fig.7 Comparisons between changes in various grain-size parameters

圖8 XT06站柱狀沉積的粒度特征與全球其他環境指標的對比A. XT06站沉積物粒度Fc1指標，B. 全球海洋有孔蟲氧同位素綜合曲線[58]，C. 中國黃土粒度綜合曲線[65]，D. 大洋有孔蟲碳同位素梯度值（北大西洋ODP607站與赤道太平洋ODP849站δ13C差值），可以代表南極上層繞極流的強度變化[59]。Fig.8 Comparisons between XT06 grain-size records and global climate changes（A）Fc1 record of core XT06;（B）LR04 marine foraminiferal oxygen isotope stack [58];（C）stack record of chinese loess plateau, representing Asian monsoon changes [65];（D）benthic δ13C difference between North Atlantic ODP Site 607 and Eqatorial Pacific ODP Site 849 [59], reflecting LCDW intensity.

4 結論

通過對菲律賓海中部XT06孔柱狀沉積物進行磁性地層與沉積物粒度分析，探討了過去約2.2 Ma以來研究區的沉積特征與動力變化，得出以下幾點結論：

（1）通過系統的交變退磁，可以基本消除次生磁成分的影響；由此辨識出6個磁極性區間，分別記錄了布容正極性時、加拉米洛亞極性時、奧杜維爾正極性時和松山負極性時。

（2）獲得XT06站沉積的古地磁年代框架，發現XT06站沉積速率由快轉慢，推測研究區1.0～1.5 Ma期間沉積過程的明顯變化代表了深海環境的重要轉折，可能與東亞-西太平洋構造活動引發的區域沉積中心遷移有關。

（3）XT06站沉積物屬于典型的遠洋懸浮體，反映了較低的沉積動力環境。通過多種粒度分析的交叉對比和驗證，發現XT06站沉積物中包含具有消長關系的粗、細兩個動力學組分，指示了較為穩定的深海沉積動力環境過程。

（4）在構造時間尺度上，亞洲內陸干旱化導致的粉塵輸入增加可能是控制研究區沉積物粒度特征的主要因素；而在冰期-間冰期時間尺度上，深海沉積動力可能主要受深海環流強度的控制，表現為冰期南極深/底層水團影響減弱、而間冰期增強的區域特征。