南黃海沉積物磁性特征及其對物源變化的指示
——以南黃海中部泥質區YSC-10孔為例

劉庚，韓喜彬，陳燕萍，胡邦琦，易亮

1.自然資源部第二海洋研究所，自然資源部海底科學重點實驗室，杭州 310012

2.中國地質調查局青島海洋地質研究所，自然資源部海洋油氣資源與環境地質重點實驗室，山東青島 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

0 引言

氣候變化和環境過程控制著磁性礦物的形成、搬運、沉積和改造，因此，沉積物磁性性質可作為環境變化和氣候過程的有效代用指標[1]，在陸地[2-3]和海洋沉積物[4]的研究中應用廣泛。中國東部陸架海是研究海陸相互作用的良好靶區，磁學指標在黃、東海海區沉積物研究中的應用增進了人們對古環境和古氣候變化的認識[5-7]。

黃海是一個半封閉的陸架海，被中國大陸和朝鮮半島所包圍，黃海的物源主要來自長江、黃河以及朝鮮半島的部分河流[8]。這些入海碎屑物質在海洋水動力的作用下，形成了多個泥質區[9]，南黃海中部泥質區是其中最大的一個（圖1）。該泥質區的物源受諸多因素影響，如海平面變化[15]、冬季風驅動的沿岸流[16]、黃海暖流[12]、東亞夏季風[8,17]、河口三角洲發育[10]及河流改道[13,18]等。因此，研究南黃海物源可以反映全新世以來的古氣候、古海洋變化及海陸相互作用等區域古環境演化特征。

圖1 黃東海流系[8]與 YSC-10，YDZ-3[10]，YSDP 102[11]，YSDP 103[12]，38002 和 31003[13]站位示意圖灰色區域表示黃海全新世沉積[14]Fig.1 Current systems in the Yellow Sea and East China Sea[8]and geographic location of boreholesLocation of sites YSC-10,YDZ-3[10],YSDP 102[11],YSDP 103[12],38002 and 31003[13];grey area represents Holocene deposition of the Yellow Sea[14]

河流入海物質的輸運和沉積受控于海洋環流，黃海暖流和兩側的沿岸流構成了南黃海的主要環流體系[19]。黃海暖流對黃海海域的物質搬運、沉積環境變化有著重要影響，其演化歷史與環境效應受到廣泛關注[20-22]。由于不同環境代用指標的響應和記錄站位的位置不同，關于黃海暖流的形成時間前人研究有較大差異。Konget al.[12]基于地球化學證據和有孔蟲分布規律推斷約4.3 ka B.P.黃海暖流進入黃海東南部。劉健等[20]的研究表明約6 ka B.P.黃海暖流的進入改變了南黃海東南側泥質區的化學組成、沉積磁組構特征和有孔蟲分布。南黃海東南部YSDP 102孔的有孔蟲記錄顯示黃海暖流及與其相伴的冷水團形成于距今6.4 ka B.P.[21]。YE-2孔的海表溫度升高表明黃海暖流于6.9 ka B.P.進入南黃海中部泥質區[22]。本文將通過磁學指標、巖性粒度等的綜合對比，分析影響南黃海中部YSC-10孔磁學指標強弱變化的主要因素，進而探討南黃海物源變化及其環境意義。

1 區域背景

南黃海陸架寬緩，平均水深55 m，以水深80 m為界有一西北—東南走向的海槽[15]（圖1）。南黃海水文環境主要受周圍入海河流和源自西太平洋的暖流影響[19]，南黃海入海淡水主要來自長江（6.0×1011t/a）和黃河（3.0×1010t/a），朝鮮半島河流的影響較小[12]。全新世以來海平面快速上漲，8～9 ka B.P.海平面比現在低約15 m，海平面的快速上漲止于7 ka B.P.[23]。

南黃海存在由黃海暖流和沿岸流構成的環流體系[19]。在冬季風的驅動下沿岸流將黃河入海物質向南搬運，此外在夏季風和黃海暖流的影響下，長江沖淡水攜帶的物質向西北輸運，共同影響南黃海沉積環境過程[24]。

2 樣品與方法

研究站位 YSC-10（122°25′E，35°58′N，水深56.8 m）位于南黃海中部泥質區西緣，由中國地質調查局青島海洋地質研究所于2015年以重力取樣法取得，巖芯長454 cm。YSC-10孔巖性均一，沉積物表面呈灰色、青灰色，以黏土、粉砂顆粒為主，部分層位砂粒含量較高。巖芯0～150 cm按5 cm間隔取樣，150～454 cm按2 cm間隔取樣。

取浮游有孔蟲（混合種）用于14C定年，在美國Beta Analytic Inc以加速器質譜法（AMS）測得其年齡。為消除碳儲庫影響[25]，用Calib7.1 program校正[26]，區域碳庫為-138 ± 68 a。

磁學實驗在中國科學院地質與地球物理研究所古地磁與年代學實驗室完成。樣品低頻（976 Hz,χlf）、高頻（15616 Hz,χhf）磁化率和磁化率—溫度（χ-T）曲線用卡帕橋磁化率儀（KLY-3S/CS-3）測得。頻率磁化率（χfd）由χlf和χhf差值的百分比計算獲得。因YSC-10孔巖性較為一致，等間距選取10個樣品，在氬氣環境下測量其χ-T曲線（室溫至700℃）。非磁滯剩磁（ARM）和等溫剩磁（IRM）利用2G-760巖石超導磁力儀測得，χARM由ARM值經直流場矯正獲得。其中，ARM的交變場強和直流場強分別設定為100 mT和0.05 mT；IRM的外加場強為1 T、-0.1 T、-0.3 T，這里以1 T的IRM為飽和等溫剩磁（SIRM）。

樣品粒度測試在南京大學地理與海洋科學學院進行。將0.2 g干樣置于燒杯之中，加入20 mL去離子水溶解；然后向燒杯中加入30%的足量過氧化氫以去除有機質，直至不再產生氣泡；再加入濃度為0.25 mol/L的鹽酸于樣品中，以除去鈣質膠結物和生物殼體（CaCO3），直到無氣泡產生。然后加入去離子水靜置24 h，用吸管吸取上層清液，重復此過程，直到溶液接近中性。加5～10 mL濃度為0.5 mol/L的六偏磷酸鈉于燒杯中，攪拌后靜置24 h。在上機測試前用超聲波震蕩1 min使樣品充分分散，處理后的樣品用Malvern Mastersizer 2000型激光粒度儀測試。

3 結果

3.1 粒度特征與年齡框架

YSC-10孔巖性變化較為均一，粒度偏細，中值粒徑（M）為（6.57±0.65）μm，黏土、粉砂和砂含量分別為（63.22±4.22）%、（34.51±3.17）%和（2.28±1.57）%。依據沉積物黏土—粉砂—砂三組分含量和中值粒徑隨深度的變化特征（圖2），可將YSC-10孔以～250 cm深度分為上下兩個單元。其中，YSC-10孔下段（250 cm以深），粒度較粗且變化較大，中值粒徑為（7.02±0.55）μm，黏土、粉砂和砂含量分別為（60.35±3.53）% 、（36.63±2.69）% 和（3.03±1.91）% ；YSC-10孔上段（250 cm以淺），粒度相對較細且變化較小，中值粒徑為（6.01±0.26）μm，黏土、粉砂和砂含量分別為（66.78±1.95）%、（31.88±1.68）%和（1.34±0.67）%。

圖2 YSC-10孔粒度與磁學參數垂直變化圖（a）黏土（<8 μm）、粉砂（8～63 μm）和砂（>63 μm）百分含量；（b）年齡框架；（c）中值粒徑；（d）低頻質量磁化率；（e）頻率磁化率；（f）非磁滯剩磁；（g）飽和等溫剩磁；（h）非磁滯剩磁與飽和等溫剩磁的比值Fig.2 Profiles of proxies in sediment of core YSC-10(a)clay percentage(<8 μ m),silt(8-63 μ m)and sand(>63 μ m);(b)chronological framework;(c)median grain size;(d)low-frequency mass susceptibility;(e)frequency susceptibility;(f)anhysteretic remanent magnetization(ARM);(g)saturation isothermal remanent magnetization(SIRM);and(h)ARM:SIRM ratio

根據獲得的有孔蟲14C年齡（表1），可以計算YSC-10孔的沉積速率變化：9.0～6.4 cal ka B.P.，沉積速率為88～99 cm/ka；6.4～5.1 cal ka B.P.，沉積速率降低 至 52 cm/ka；5.1～4.5 cal ka B.P.，沉積速率為YSC-10全孔最高時段，達到111 cm/ka；4.5～2.0 cal ka B.P.，沉積速率最低，僅為29 cm/ka；全孔平均沉積速率為63.65 cm/ka。盡管沉積速率發生了較大變化，但14C年齡總體隨深度的增加而增大，且時深關系較為穩定（r=0.97，p<0.01）。考慮到陸架沉積物有孔蟲14C的測年本身具有一定的不確定性[27]，去掉最后一個定年數據后，利用一元線性回歸分析獲得時深轉換關系，以線性內插的方式建立YSC-10孔的年齡框架（圖2b）。根據這一年齡模式，推測YSC-10巖芯表層沉積物的年齡為1 881 cal a B.P.，底部年齡始于9 075 cal a B.P.。YSC-10孔表層沉積物的缺失，可能與研究站位處于南黃海中部泥質區的邊緣且靠近山東半島南側侵蝕區[28]有關。

表1 YSC-10孔14C定年結果Table 1 Radiocarbon dates of materials from core YSC-10

3.2 沉積物磁性礦物

磁性礦物在加熱和冷卻過程中，磁化率會隨溫度的變化而發生改變，而不同磁性礦物的磁化率溫度特性具有顯著差異[29]。YSC-10孔樣品的χ-T曲線顯示從室溫加熱至280℃，磁化率呈緩慢衰減趨勢（圖3），指示了順磁性礦物的貢獻[30]；280℃～480℃磁化率逐漸上升，可能存在含鐵硅酸鹽礦物、黏土礦物、針鐵礦、水鐵礦等轉化成磁鐵礦[31]；480℃～520℃磁化率緩慢下降，可能受到了磁赤鐵礦轉變為赤鐵礦的影響[1]；在加熱至540℃以上時磁化率急劇下降，在580℃達到低值，反映了磁鐵礦的特征[32]；580℃～650℃磁化率緩慢降低，表明少量赤鐵礦的存在[33]。樣品在冷卻至580℃、540℃和320℃時磁化率出現上升，最后冷卻至室溫。樣品經過加熱冷卻后的磁化率是加熱前的8倍以上，反映了加熱—冷卻過程中有較多其他含鐵礦物轉化為磁鐵礦[33]。由于各深度的χ-T曲線形態相似，我們認為YSC-10孔沉積物樣品中的磁性礦物以磁鐵礦和磁赤鐵礦為主，且在該孔沉積時段并未發生明顯改變。

圖3 YSC-10孔代表性樣品的χ-T曲線（紅色為升溫曲線，藍色為降溫曲線）Fig.3 Representative χ-T curves of core YSC-10(red=warming curve,blue=cooling curve)

3.3 環境磁學指標變化

根據YSC-10孔沉積物磁學參數的變化可將巖芯以110 cm深度分為上下兩層（圖2）。

Ⅰ層（110 cm以深，時代為9.0～4.8 cal ka B.P.）。低頻質量磁化率（χlf）、頻率磁化率（χfd）、非磁滯剩磁（χARM）、飽和等溫剩磁（SIRM）、非磁滯剩磁與飽和等溫剩磁的比值（χARM/SIRM）在110 cm以深處值較低且變化較小，分別為（9.20±1.15）×10-8m3/kg、（1.77±0.49）%、（7.96±3.86）×10-9m3/kg、（2.87±0.93）×10-4Am2/kg和（2.75±0.92）×10-5m/A。

Ⅱ層（110 cm以上，時代為4.8～2.4 cal ka B.P.）。χlf、χfd和SIRM的值向上急劇增大，分別是（12.98±2.02）×10-8m3/kg、（2.63±0.48）% 和（12.01±4.92）×10-4Am2/kg。χARM和χARM/SIRM的值在110～50 cm明顯增大，50～15 cm處逐漸降低，其值分別為（81.16 54.68）×10-9m3/kg、（6.04±2.92）×10-5m/A。

4 討論

4.1 磁性指標—粒度關系

磁性指標與沉積物粒度關系有可能反映了物質來源、沉積后期改造等環境要素的變化[34-35]。根據磁性參數的物理意義[35]，一般χ和磁性礦物的含量有關；χfd指示樣品中的超順磁（SP）亞鐵磁性顆粒含量；χARM則反映單疇（SD）顆粒含量；χARM/SIRM可指示磁性顆粒大小的變化，其高值指示較細的單疇（SD）顆粒含量較高，且不受SP顆粒的影響。因此，根據YSC-10孔沉積物環境磁學指標的變化特征，對磁學指標—粒度之間的相關性進行分析（圖4）。結果顯示：Ⅰ層中（9.0～4.8 cal ka B.P.），沉積物中值粒徑（M）與χlf、χfd、χARM和SIRM均表現為負相關關系（r=-0.58～-0.16），表明磁性礦物大多賦存于較細的沉積顆粒中；Ⅱ層中（4.8～2.4 cal ka B.P.），沉積物M值與χlf、χfd、χARM、SIRM和χARM/SIRM均為正相關關系（r=0.21～0.39），表明磁性礦物更多賦存于較粗的沉積物中。

圖4 YSC-10孔低頻質量磁化率（χlf）、頻率磁化率（χfd）、非磁滯剩磁（χARM）、飽和等溫剩磁（SIRM）、非磁滯剩磁與飽和等溫剩磁比值（χARM/SIRM）與中值粒徑（M）散點圖紅色對應Ⅱ層（4.8～2.4 cal ka B.P.）；藍色對應Ⅰ層（9.0～4.8 cal ka B.P.）Fig.4 Relationship between magnetic proxies and median grain size of core YSC-10[Red=layer II(4.8-2.4 cal ka B.P.);blue=layer I(9.0-4.8 cal ka B.P.)]

由于各環境磁學指標的變化具有較好的一致性，我們以χlf為研究對象，進一步分析YSC-10孔沉積物磁性特征與各粒徑組分含量之間的關系（圖5）。結果顯示，Ⅰ層沉積物χlf明顯強于II層，反映了較高的磁性礦物含量，χlf與<8 μm的細顆粒含量為正相關關系，與8～63 μm含量為負相關，而與＞ 63 μm組分相關關系不顯著，指示了這些沉積物中的磁性礦物可能主要富集于<8 μm的細顆粒組分中。另一方面，Ⅱ層沉積物χlf與16～63 μm顆粒含量呈正相關關系，指示了磁性礦物可能更多富集于粉砂顆粒中。

圖5 YSC-10孔沉積物χlf與各粒級含量散點圖紅色對應Ⅱ層（4.8～2.4 cal ka B.P.）；藍色對應Ⅰ層（9.0～4.8 cal ka B.P.）Fig.5 Relationship between low-frequency mass susceptibility and grain size of core YSC-10Red=layer II(4.8-2.4 cal ka B.P.);blue=layer I(9.0-4.8 cal ka B.P.)

4.2 不同來源的沉積物磁學特征差異

Qiaoet al.[36]指出在百年尺度上風塵輸入僅占南黃海泥質區物源的1%～2%。考慮到朝鮮半島的河流輸入對南黃海泥質區的物源貢獻較小[12]，加之本文研究站位偏向中國大陸一側，以下僅討論長江和黃河的可能影響。

長江河口沉積物的磁性明顯強于黃河河口，在χ、χARM和SIRM數值上，長江河口沉積物是后者的2倍以上（圖6）。這一特征與兩大河流的流域地質特征及氣候類型差異密切相關[35]，因而可以利用磁性特征判別兩者在沉積物供給中的差異。此外，黃河與長江沉積物的磁化率—粒度關系顯著不同，據此也可推測陸架沉積物的物源變化[13,35]。例如，由于黃土中磁性礦物主要賦存于與成土作用有關的細顆粒組分中[37]，北黃海38002孔的物源主要來自黃河搬運的黃土物質，該孔中值粒徑與磁化率呈現為顯著的負相關關系（圖7）。相反的，長江口31003孔沉積物的中值粒徑與磁化率為正相關（圖7），可能指示了長江流域的風化過程與河口水動力狀況[13]。這些已有的研究為本文利用沉積物磁性特征的環境判別提供了基礎。通過對比（圖6，7），我們發現YSC-10孔的χ、χARM和SIRM等磁性指標的變化在中全新世前后（～4.8 cal ka B.P.）具有顯著差異，此后分別為之前的1.4倍、10.2倍和4.2倍，指示了中全新世以來南黃海中部泥質區沉積物的磁性顯著增強、磁性礦物含量明顯增多。同時，YSC-10孔沉積物的磁化率和中值粒徑的相關關系也在4.8 cal ka B.P.由之前的負相關轉變為正相關。這些環境磁學參數及磁化率—粒度相關關系的變化與長江、黃河河口沉積物的相關特征一致，指示了南黃海中部泥質區沉積環境或物質供給等要素在中全新世前后的顯著差異。

圖6 YSC-10孔、長江和黃河沉積物[35]磁學特征差異長江樣品取自目前主流河道的南支河道；黃河樣品取自黃河口門附近河道Fig.6 The difference of the magnetic characteristics of the sediment in the core YSC-10,the Changjiang River and the Yellow River[35]Samples from Yangtze River taken from southern branch of the current main river;samples of the Yellow River taken from the channel near the mouth of the Yellow River

圖7 YSC-10孔、北黃海38002孔和東海31003孔（中值粒徑M<20 μm的沉積物）[13]質量磁化率—中值粒徑（χ-M）散點圖Fig.7 Relationship between mass susceptibility and median grain size of core YSC-10 at 4.8-2.4 cal ka B.P.(red),core YSC-10 at 9.0-4.8 cal ka B.P.(blue),core 38002 in the North Yellow Sea(yellow)and sediments with M(median grain size)<20 μm in core 31003 in the East China Sea(green)[13]

4.3 早期成巖作用的可能影響

沉積物在還原條件下發生的早期成巖作用會導致磁性礦物的溶解和相變[38-40]，并與沉積物中有機質含量密切相關[41]。有機質的分解將消耗水體中的溶解氧，形成還原環境，促使含鐵礦物發生溶解和/或轉化[42]，導致沉積物磁化率值降低[43]。前人研究顯示，4.5～2.0 cal ka B.P.時，南黃海YSDP 103孔總有機碳（TOC）含量為0.55%～1.04%，顯著高于早中全新世（圖8c），指示南黃海底層沉積環境可能處于貧氧狀態。不過，此時YSC-10孔環境磁學代用指標也有較高數值（圖8a，b），由此推測底層環境的還原作用對研究區沉積物磁性礦物的影響較弱。此外，更早期的沉積物受成巖作用影響較大，磁鐵礦在氧化環境中將向赤鐵礦轉化[45]。雖然本文的χ-T曲線的分析結果指示了赤鐵礦的存在（圖3），但各樣品χ-T曲線高溫段（580℃～650℃）的變化特征基本一致，指示YSC-10孔各層沉積物中的赤鐵礦含量相對其他磁性礦物未有明顯差異。這些特征共同說明YSC-10孔的環境磁學參數值在4.8 cal ka B.P.以來明顯升高可能是由不同時期長江和黃河物質輸運對研究區沉積堆積的貢獻差異所造成。

圖8 （a）YSC-10孔低頻質量磁化率（χlf）；（b）YSC-10孔非磁滯剩磁與飽和等溫磁化率比值（χARM/SIRM）；（c）YSDP 103孔總有機碳（TOC）[12]；（d）YSDP 102孔浮游有孔蟲暖水種G.ruber[11]；（e）臺灣 Retreat湖TOC含量[44]；（f）YZD-3孔粒度參數 GSC-12[10]；（g）YSC-10孔沉積速率Fig.8 (a)Low-frequency mass susceptibility(χlf)of core YSC-10;(b)ratio of anhysteretic remanent magnetization(ARM):saturation isothermal remanent magnetization(SIRM)(χARM/SIRM)of core YSC-10;(c)total organic carbon(TOC)of core YSDP 103[12];(d)planktonic foraminifera warm water species G.ruber in core YSDP 102[11];(e)TOC content in Retreat Lake,Taiwan[44];(f)grain size parameter GSC-12 in core YZD-3[10];and(g)sedimentation rate of core YSC-10

4.4 影響沉積過程的可能因素

全新世以來海平面快速上漲，8～9 ka B.P.東海海平面比現在低約15 m[23]，約7 ka B.P.到達現今海平面高度[15]。東亞季風是氣候變化的重要影響因素，臺灣Retreat湖TOC含量可以指示臺灣夏季降雨強度[44]。南黃海早全新世至4.3 ka B.P.的河口沉積環境可能指示了夏季風增強導致河流入海淡水的影響增大[12]（圖8）。高溫高鹽的黃海暖流是黑潮的重要分支，與沿岸流組成了黃海環流體系，影響著南黃海沉積環境[19]。南黃海YSDP 103孔TOC從4.5 ka B.P.開始明顯增加（圖8c），由于冰后期海平面不斷上漲使得YSDP 103孔由濱海轉為淺海沉積環境，河流輸入的陸源有機質減少，因此Konget al.推斷TOC主要受控于海水表層生物生產力，由此推測黃海暖流在4.5 ka B.P.進入南黃海[12]。南黃海YSDP 102孔浮游有孔蟲暖水種G.ruber的數量自4.3 ka B.P.以來也明顯增多（圖8d），同樣指示了黃海暖流的影響增大[11]。此外，濟州島西南泥質區B3孔從6 ka B.P.開始出現白云石，顯示出長江的顯著影響及現代黃、東海環流體系的發育[46-47]。Liuet al.[48]還通過對北黃海NYS-101孔的微量和稀土元素分析推測8.2～6.5 ka B.P.物源主要來自沿岸流搬運的黃河物質，此后則增加了長江和朝鮮半島河流輸運物質的貢獻。

在綜合考慮這些區域環境過程的基礎上，本研究基于環境磁學參數變化及磁化率—粒度相關性分析，推測9.0～4.8 cal ka B.P.南黃海中部YSC-10孔物源可能主要來自黃河，4.8～2.4 cal ka B.P.時期則更多地受長江物源影響，且與黃海暖流的發育密切相關。

此前關于黃海暖流的形成時間還存在一定爭議，大致有 4.3 ka B.P.[12]、6 ka B.P.[20]、6.4 ka B.P.[21]和6.9 ka B.P.[22]等觀點。由于YSC-10孔位于南黃海中部泥質區西緣，離岸較近，受沿岸流作用較大，因此YSC-10孔對黃海暖流演化的響應可能較晚。另一方面，基于浮游有孔蟲的區域分布特征，Kimet al.推斷全新世黃海暖流并未入侵至35°N以北[49-50]，與現代觀測中黃海暖流可向北延伸至渤海[19]的情況存在較大差異。由于在受河流影響大的陸架海區浮游有孔蟲豐度低且易溶解[12]，基于有孔蟲分析的黃海暖流的演化重建可能存在一定偏差。考慮到本研究站位已位于35°N以北，本文基于環境磁學的研究結果，推測中全新世以來黃海暖流對黃海35°N以北海域的沉積過程已產生重要影響，與現代觀測基本吻合，從而為彌補黃海暖流重建的不足提供了新的驗證指標。

此外，渤海西岸的YDZ-3孔粒度參數指示6.2 ka B.P.以來渤海黃河三角洲不斷發育[10]（圖8f），黃河搬運的碎屑物質可能主要堆積于渤海西岸，造成向外輸運量的減少。同時中晚全新世以來，季風降雨帶南移[51]，黃河入海物質通量減少[17]。這些區域環境要素的關鍵過程，可能是4.8 cal ka B.P.以來YSC-10孔沉積速率的降低、沉積過程受長江入海物質影響增大的主要原因。

5 結論

長江與黃河物質在質量磁化率、非磁滯剩磁、飽和等溫剩磁等環境磁學參數以及粒度—相關關系上的差異為研究南黃海物源變化提供了新證據。結果表明，9.0～4.8 cal ka B.P.，YSC-10孔的物源可能主要受黃河控制；4.8 cal ka B.P.以來，長江物源的影響則相對較大。隨著中晚全新世以來東亞季風降雨帶的南移和黃河三角洲的不斷發育，YSC-10孔的黃河物質減少，沉積速率降低；自4.8 cal ka B.P.以來，與黃海暖流有關的長江影響逐漸增加。受限于本文利用的研究站位與環境代用指標，相關結論尚需該區域更多站位和多指標分析的共同檢驗。