非洲東南納塔爾海谷MIS12期以來的物質來源和古氣候變化：IODP U1474孔黏土礦物記錄

宋濠男，張泳聰，韓喜彬，胡栟銚，龍飛江

1.自然資源部海底科學重點實驗室，杭州310012

2.自然資源部第二海洋研究所，杭州310012

3.成都理工大學沉積地質研究院，成都610059

非洲東南部位于熱帶與亞熱帶大氣環(huán)流系統(tǒng)的交界面上，是全球氣候變化的一個敏感區(qū)域[1]，它的氣候和環(huán)境變化直接影響到早期人類的遷移路徑以及經(jīng)濟體系變化[2-7]，其對非洲生態(tài)系統(tǒng)的影響也可能在人類進化中發(fā)揮了關鍵作用[8]。特別是深海氧同位素（Marine Isotope Stages，MIS）MIS12期是中更新世時期氣候的重要轉折點，其前后的全球氣候環(huán)境特征存在明顯的差異[9-13]，全球的冰期-間冰期循環(huán)的振幅在MIS12期末期以后大幅增加，并伴隨著海洋中廣泛的碳酸鹽巖溶解[14]。非洲東南部岸外的納塔爾海谷（Natal Valley）在莫桑比克脊之西，為一南北走向的沉積盆地（圖1），河流從非洲東南部帶來的大量物質在此沉積，巨厚的沉積物記錄了該區(qū)域氣候、環(huán)境和海洋演變的信息[15-16]，流經(jīng)此處的厄加勒斯海流控制著熱量和鹽分從印度-太平洋向大西洋的運輸[17]。Edouard和Rosalind通過MD 962077站位記錄認為在極為寒冷的MIS12和MIS10時期，雖然海平面溫度比現(xiàn)代溫度低6攝氏度，但生產力達到頂峰，南半球亞熱帶鋒帶（STF）的北移7°幾乎切斷了厄加勒斯海流，進而調節(jié)冰期的氣 候[17]。Simon等 利 用 柱 狀 樣CD 154 10-06 P的XRF巖心掃描數(shù)據(jù)的Fe/K元素比值恢復了氣候變化過程，結果顯示非洲東南部區(qū)域270 ka以來的氣候變化主要受控于軌道歲差影響下的當?shù)靥栞椛涞淖兓透呔暥韧蝗坏臍夂蝌寗訌娖萚18]。非洲東南部的氣候環(huán)境除了受當?shù)靥栞椛渫猓谶^去的300 ka的冰期中，山地灌木的擴散還受到了厄加勒斯海流海平面溫度的影響[19]。可以看出，非洲東南部冰期氣候的變化受到了當?shù)靥栞椛渥兓⒛习肭騺啛釒тh帶（STF）移動和厄加勒斯海流表層溫度的變化，但對于其冰期和間冰期的氣候變化特征和控制因素還存在著矛盾和疑惑的地方。

圖1 U1474孔位置及洋流示意圖[20]紅色五星代表U1474孔，黃色箭頭為西南印度洋主要表層流，橙色箭頭為底層流，灰色箭頭為南非在南半球夏季（12、1—2月）的大氣環(huán)流，黑色虛線為熱帶輻合帶（ITCZ）與剛果氣流邊界（CAB）[21]。AC：厄加勒斯流，BC：本格拉流，MCE：莫桑比克海峽流，SEC：南赤道流，SEMC：馬達加斯加東南流，NEMC：馬達加斯加東北流，EACC：東非沿海流，AABW：南極底層水。Fig.1 Locations of Hole U1474 and ocean currents[20]Red star:Hole U1474,yellow arrows: main surface currents,main undercurrents（orange arrows）and in the southwest Indian Ocean and atmospheric circulation（grey arrows）over southern Africa during austral summer（December,January,February）with approximate position of the Intertropical Convergence Zone（ITCZ）and Congo Air Boundary（CAB）（dashed lines;adapted from Hall et al.[20]）. AC：Agulhas Current,BUC：Benguela Current,MCE：Mozambique Channel Current,SEC：South Equatorial Current,SEMC：South East Madagascar Current, NEMC：North East Madagascar Current,EACC：East Africa Coastal Current,AABW: Antarctic Bottom Water.

為解決諸如此類問題，IODP 361航次以南部非洲氣候為主題進行巖心提取研究，以解決以下4個問題：①評價上新世/ 更新世轉換期厄加勒斯海流（Agulhas Current）對氣候變化的敏感性及其與高緯氣候變化、赤道熱平衡和季風之間的關系。②重建氣候變化過程中印度洋-大西洋通道環(huán)流動力學及風場變化和南大洋極鋒移動的關系。③驗證過去5 Ma以來厄加勒斯泄流及伴隨的漲潮轉換和大西洋經(jīng)向翻轉洋流（the Atlantic Meridional Overturning Circulation 或AMOC）及氣候重組之間的關聯(lián)性。④探討厄加勒斯洋流變化對南部非洲大陸氣候,特別是降水和河流流量的影響[22]。

黏土礦物由母巖經(jīng)風化和成土作用而形成，是組成黏土巖和土壤的主要礦物，它的形成和轉化與其所處的氣候和環(huán)境密切相關，較小顆粒（＜2μm）容易被長距離搬運，是深海沉積物的主要組分。如蒙脫石是一種次生礦物，是在半干旱氣候條件下由鋁硅酸鹽和鐵鎂礦物經(jīng)化學風化作用而形成的[14,23]。伊利石是一種原生礦物，反映了大陸風化過程中水解作用的減弱和寒冷干旱氣候條件下巖石的直接侵蝕作用[23]。與伊利石類似，綠泥石也是寒冷和干燥條件下直接物理風化的產物。高嶺石通常形成于淋濾作用強的熱帶亞熱帶地區(qū)，在弱酸性、單硅質土壤中很容易發(fā)現(xiàn)，其形成主要受控于大陸水解強度，可作為淋濾作用強、降水豐富的指標。因此，黏土礦物的組成、含量及其相互關系可用來推測其形成區(qū)和來源區(qū)的風化作用類型，以重建古氣候環(huán)境變化的過程與規(guī)律[24-25]。

本文擬通過納塔爾海谷MIS12期以來沉積物中黏土礦物的系統(tǒng)研究，探討研究區(qū)的物質來源和非洲東南部古氣候演化過程。

1 區(qū)域概況

IODP361航次U1474站位于非洲東南部納塔爾海谷北端，納塔爾海谷位于非洲東南部海岸和莫桑比克脊之間的南北走向沉積盆地，其北側為莫桑比克廣闊的沿海平原，向南進入特蘭斯凱盆地[26]（圖1），毗鄰莫桑比克海峽，是西南印度洋與南大西洋交匯的重要位置。納塔爾海谷的沉積物厚度巨大，是非洲大陸東南陸緣剝蝕物質的重要沉積區(qū)，其盆地陸源沉積物的供應主要是來自納塔爾海岸眾多短而湍急的河流（如圖蓋拉河，南非的第二大河）的季節(jié)性供給[27]，以及林波波河和贊比西河等河流攜帶物質的貢獻。納塔爾海谷的表層沉積物擴散受到了靠近陸架邊緣向南流動的厄加勒斯海流的強烈影響[27]。

厄加勒斯海流寬約100 km，表層速度高達1.5 m/s，在32°S附近的流量可達約70 Sv[28]。厄加勒斯海流系統(tǒng)是全球大洋環(huán)流的重要組成部分[29]，是一個被忽視的潛在的全球氣候變化的觸發(fā)器或反饋機制[30]。研究區(qū)底層洋流主要是來自北大西洋冷而密度大的北大西洋深層水（the North Atlantic Deep Water，NADW）經(jīng)厄加勒斯海峽向北沿大陸斜坡進入到納塔爾海谷[31-32]。

研究區(qū)受到了熱帶輻合帶（the intertropical convergence zone,ITCZ）和剛果氣流邊界（congo air boundary,CAB）的影響，同時受到了來自印度洋的東風和來自南大洋西風的影響。位于研究區(qū)位置的ITCZ和CAB主要由3個氣團匯聚而成，分別是來自西南印度洋的東南信風、來自非洲東北部的季風流以及來自大西洋的西風[20]。ITCZ控制著熱帶低氣壓帶以及熱帶降雨帶的變化，其夏季平均位置在15°～20°S，與非洲東南部區(qū)域夏季最大降雨的時間及位置大致一致[20]。

2 樣品與方法

2.1 樣品

本文研究鉆孔U1474（31°13.00′S、31°32.71′E，水深3 045 m）位于南非德班東南的納塔爾海谷北端（圖1），是“國際大洋發(fā)現(xiàn)計劃”IODP361航次于2016年2月14—17日用高級活塞取樣器采集，取樣船為“喬迪斯—決心號”（JOIDES Resolution），該站獲取了8個鉆孔，樣品總長910.75 m。根據(jù)IODP361項目組分工和個人申請，本研究獲得了U1474的A、D和F三個孔的676個子樣，這3個鉆孔的子樣是經(jīng)過了樣品深度計算和層序關聯(lián)后得到的CCSF深度（core composite depth scales，CCSF）[20]共83.082 m，取樣間隔為10 cm。依據(jù)IODP U1474站位的年代框架[20]，對MIS12以來20 m以淺深度的樣品進行XRF化學元素掃描和149個黏土礦物樣品的測試分析（3.997和16.161 m兩個層位樣品缺失）。

2.2 年代框架

U1474孔站位的年代模型主要基于船上的微體古生物學和磁性地層學方法建立[20]。微體古生物定年主要利用鈣質超微化石的生物分帶性，通過判斷特定種的浮游有孔蟲，用底棲有孔蟲Stilostomella的滅絕時間來進行年代判定。古地磁利用吉爾伯特反向極性時、高斯正向極性、松山反向極性時、布容正向極性時和拉斯洽普反向亞時等古地磁時代的邊界約束了沉積物的年代，與生物地層學資料相一致。這些數(shù)據(jù)基于全站的254.7 m共46個有效年代控制點通過線性擬合的方法得出最后的年代-深度結果。

2.3 XRF化學掃描

U1474巖心在哥倫比亞拉蒙特-多爾蒂地球觀測 中 心 采 用 瑞 典Cox公 司 的Itrax Core Scanner掃描分析儀[33]掃描分析完成。樣品自樣品庫取出在實驗室放置30分鐘，剖成兩半后進行巖性描述，完成后再用塑料卡片對沉積物表面進行整理，并覆蓋一層4μm厚的Ultralene塑料薄膜，然后將其放置在掃描分析儀下，通過電腦操作，掃描沿著半管巖心表面中心進行，X熒光射線照射面積為沿著巖心縱向（頂?shù)追较颍挾? mm，巖心橫向2 cm，掃描間隔2 mm，高壓發(fā)生器采用Cr管，電壓30 kV，電流55 mA，曝光時間2s[34]。

在XRF元素掃描結果替代指標的選取上，Simon等使用在U1474附 近 的 站 位CD154 10-06P的XRF元素掃描結果中的Fe/K比值有效地重建了夸祖魯-納塔爾（南非東部省份，圖蓋拉河流域覆蓋的主要地區(qū)）270 ka以來的陸地水文氣候變化[18]。同樣在夸祖魯-納塔爾，由于地處熱帶濕潤地區(qū)，較高的降水促使當?shù)鼗鶐r發(fā)生了較強烈的化學風化，導致當?shù)氐耐寥谰哂懈唢L化、富鐵的特征，并伴隨著河流一起排放入海。而海洋沉積物中Fe/K比值較高被認為是由于潮濕環(huán)境下大陸發(fā)生了較為強烈的土壤侵蝕或者較強的化學風化引起的。由于當?shù)亟邓康脑黾樱瑢е律闪说湫偷臒釒c亞熱帶環(huán)境下的高風化土壤，其中由于黏土礦物發(fā)生了強烈的化學風化，使得硅酸鹽黏土結構發(fā)生變化，使剩余土壤變得富含鐵氧化物，最終在沉積物中記錄為較高的Fe/K值。因此，本文選用Fe/K比值作為反映物源區(qū)降水變化的指標，作為反映非洲東南陸地上由于潮濕氣候所導致的高度的土壤侵蝕或加強的化學風化過程替代指標[18]。

2.4 黏土礦物

黏土礦物樣品前處理、分離、制片和X-射線衍射分析測試均在自然資源部第二海洋研究所海底科學實驗室進行。參考《海洋調查規(guī)范GB/T 12763.8-2007》[35]，取約10 g樣品，經(jīng)過洗鹽、去有機質后過篩，篩出大于63μm的粒級組分，并將剩余樣品根據(jù)斯托克斯沉降定律提取小于2μm的粒級組分并制成定向片進行XRD分析[14,36]。XRD分析使用X‘Pert Pro MPD多晶X射線衍射儀，測試參數(shù)如下：CuKα輻射，管流40 mA，管壓45 kV，對三種不同條件下的定向片進行測試，包括自然條件、乙二醇蒸汽35℃下36 h，以及高溫550℃下2 h。掃描角度3°～30°（2θ），步長0.02°，步頻0.5 s/步。黏土礦物圖譜的分析與計算使用Jade 6.0軟件進行，定性分析依據(jù)三種定向片衍射峰的特征綜合對比完成，半定量分析依據(jù)Biscaye確定的權重系數(shù)使用黏土礦物在乙二醇飽和片的（001）衍射峰的峰面積比計算[37]，蒙脫石（S）為17?衍射峰，伊利石（I）為10?衍射峰，高嶺石（K）與綠泥石（C）共同使用7?衍射峰，最后由3.57?與3.53?衍射峰確定高嶺石與綠泥石各自的相對含量。伊利石化學指數(shù)通過5?與10?峰面積比計算得出。伊利石結晶度使用Kübler指數(shù)（KI），即10?衍射峰的半高寬，其低值表示結晶度較好，高值表示結晶度較差[38]。每個樣品計算4次求取平均值作為最終結果，誤差控制在3%以內。采用S/（I+ C）比值作為指示源區(qū)化學風化和物理侵蝕相對強度的有效指標；采用K/（I+C）比值作為指示源區(qū)風化類型與風化程度的替代指標，其高值指示源區(qū)潮濕且化學風化強，低值則為相對干燥且物理風化強的環(huán)境。應用黏土礦物比值作為替代指標可以有效地消除其他組分的稀釋效應。黏土礦物指標的頻譜分析使用Redfit3.8軟件進行，濾波分析使用OriginPro軟件進行。

3 結果

3.1 巖性描述

U1474巖芯包含兩個巖性單元，第1段深度為0～0.5 m，巖性為帶有有孔蟲化石的棕色黏土；第2段深度為0.5～254.07 m，巖性為由富有孔蟲微體化石的灰綠色黏土與不含有孔蟲微體化石的灰綠色黏土間隔交替組成[20]。富微體古生物化石的黏土在整根巖心中最為常見，在第二段中常見的是深灰色的有孔蟲細砂層，厚度從幾厘米到小于2 m，每根長1.5 m的巖心中有1—3段深灰色的有孔蟲細砂層，這些砂層的組成以石英和碳酸鹽為主，許多具有侵蝕基底。第2段沉積物中還存在由于生物擾動作用產生的深灰色斑紋，這些生物擾動的強度隨深度增加而增加。根據(jù)X射線衍射和涂片的觀察結果，第2段的沉積物中還包括厚度為毫米到厘米級、含有黃鐵礦和海綠石的綠色層。

3.2 年代框架

U1474站位的年代模型如圖2所示，不考慮沉積物的固結壓實和沉降作用，本站巖芯的沉積速率為4.1 cm/ka，其底部的年代為476 kaBP，為深海氧同位素MIS12期的早期。

圖2 U1474孔地層年代框架基于主要浮游有孔蟲、鈣質超微化石、硅藻和古地磁資料[20]。Fig.2 The chronological framework of the hole U1474Age estimates based on a mixture of major planktonic foraminifer,calcareous nannoplankton,diatom,and paleomagnetic datums[20].

3.3 黏土礦物

3.3.1 黏土礦物組成

U1474孔黏土礦物自然片、乙二醇飽和片和加熱片的典型X-射線衍射圖譜如圖3所示。依據(jù)3種不同衍射圖譜識別出蒙脫石、伊利石、高嶺石和綠泥石4種黏土礦物。非黏土礦物主要為石英，石英的001衍射峰位于3.33?，與伊利石003衍射峰疊加。蒙脫石的001衍射峰位于17?，而綠泥石的001衍射峰在14 ?附近。伊利石在10?和5?處分別為001和002 衍射峰，圖3自然片中，10 ?和5?處衍射峰都很明顯，乙二醇飽和后衍射峰的位置和強度變化不大，說明伊利石的存在。高嶺石和綠泥石在自然片衍射圖譜的7?和3.5?附近都存在特征峰，綠泥石的特征峰較小。

圖3 U1474孔黏土礦物X-射線典型衍射圖譜（樣品深度：1 492～1 494 cm）Fig.3 Typical X-Ray Diffraction（XRD）spectra of clay minerals in the Hole U1474（sample depth:1 492～1 494 cm）

U1474孔4種黏土礦物的含量及變化如表1和圖4所示。各層位均含有蒙脫石、伊利石、高嶺石和綠泥石，其中蒙脫石含量最高，含量變化范圍27.77%～55.34%，平均值39.23%；伊利石次之，變化范圍14.06%～36.21%，平均值26.11%；高嶺石含量第三，變化范圍為10.86%～23.07%，平均值17.79%；綠泥石含量最小，含量為9.67%～22.88%，平均值17.19%。故本文黏土礦物的組合類型為蒙脫石-伊利石-高嶺石-綠泥石型。伊利石結晶度的KI指數(shù)范圍為0.28°Δ2θ～0.51°Δ2θ,平均值為0.35°Δ2θ，表明本文的伊利石結晶度較好；伊利石化學指數(shù)范圍為0.13～0.53，平均值0.30，大多低于0.4，表明伊利石類型為物理風化條件下形成的富鐵、鎂型伊利石，且源區(qū)的風化條件主要為干冷氣候環(huán)境下控制的物理風化條件。

表1 U1474孔的主要黏土礦物含量及其礦物學特征Table 1 Contents and mineralogical characteristic of major clay minerals in Hole U1474

由圖4可以看出，蒙脫石與伊利石（圖4a）、蒙脫石與高嶺石（圖4b）、蒙脫石與綠泥石（圖4c）都呈現(xiàn)出負相關，高嶺石與綠泥石（圖4d）、伊利石與綠泥石（圖4e）、伊利石與高嶺石（圖4f）呈現(xiàn)正相關，但后二者的相關性非常弱。圖5中站位的垂向變化也顯示出類似的變化。

圖4 U1474孔黏土礦物之間相關性Fig.4 Correlation diagrams between clay minerals in Hole U1474

3.3.2 黏土礦物的冰期-間冰期變化旋回

結合年代框架，對照全球底棲有孔蟲氧同位素曲線LR04[39]，U1474站位黏土礦物自MIS12期以來可以分為5個階段：MIS12-MIS11，MIS10-MIS9，MIS8-MIS7，MIS6-MIS5，MIS4-MIS1（圖5）。

MIS12-MIS11：本旋回內，由老到新蒙脫石含量整體處于較高水平，呈減少趨勢，含量為55%～35%，平均44%（圖5g）；伊利石含量為33%～18%，平均25%（圖5f）；高嶺石和綠泥石在MIS12期含量較低，可能是由于此階段蒙脫石含量增加導致的。高嶺石含量11%～21%，平均17%（圖5e）；綠泥石含量10%～19%，平均15%（圖5d）。伊利石結晶度較為穩(wěn)定，KI指數(shù)為0.284～0.382°Δ2θ,平均值0.338°Δ2θ，指示伊利石結晶度較好（圖5c）；伊利石化學指數(shù)為0.158～0.525，平均值0.255，低于0.4（圖5b），除在MIS11早期含量較高外，其余均處于低值狀態(tài)，指示源區(qū)主要風化類型為物理風化。沒有發(fā)現(xiàn)明顯的冰期-間冰期旋回證據(jù)。

圖5 MIS12期以來U1474孔黏土礦物組合特征及其變化全球底棲有孔蟲氧同位素曲線LR04數(shù)據(jù)來自Lisiecki和Raymond[39]，陰影部分表示間冰期階段。Fig.5 Variations of clay mineral assemblages of Site 1474 since MIS12The MIS is marine isotope stage，the stacked global benthicδ18O record of LR04 from Lisiecki和Raymond[39]，the shaded bars and numbers indicate marine isotope interglacial periods.

MIS10-MIS9：本旋回中蒙脫石32%～50%，平均值39%，整體呈現(xiàn)為由冰期至間冰期含量明顯增加，即MIS10階段含量較低，MIS9含量升高；其他黏土礦物含量波動不明顯，伊利石17%～36%，平均值27%，相比MIS12-MIS11含量有所升高；高嶺石14%～21%，平均值17%，綠泥石13%～19%，平均值17%。伊利石結晶度與伊利石化學指數(shù)也相對穩(wěn)定，KI指數(shù)0.300～0.375°Δ2θ，平均值0.340°Δ2θ，結晶度較好；伊利石化學指數(shù)0.15～0.41，平均值0.30，指示以干冷氣候條件下控制的物理風化為主的風化類型。

MIS8-MIS7：本旋回內各黏土礦物含量均顯示在MIS8早中期相對穩(wěn)定，MIS8晚期（約270 ka）開始至MIS7呈現(xiàn)較為劇烈的波動。蒙脫石31%～51%，平均值40%，在冰期MIS8期間幾乎穩(wěn)定在40%左右的平均值上下，MIS7期間波動相對劇烈；伊利石14%～32%，平均值24%，相比蒙脫石波動更明顯，其含量值尤其在MIS8后期出現(xiàn)了明顯的交替變化；高嶺石15%～23%，平均值18%，綠泥石15%～23%，平均值18%。伊利石結晶度與伊利石化學指數(shù)也在MIS8晚期以后出現(xiàn)了幾個明顯的高值，KI指數(shù)0.284～0.506°Δ2θ，平均值0.353°Δ2θ，除4個KI指數(shù)在0.5左右的樣品指示伊利石結晶度較差以外其余時間段內結晶度較好；伊利石化學指數(shù)0.13～0.51，平均值0.33，在210～270 ka期間可能是受相對暖濕氣候影響的化學風化為主，MIS8至270 ka則以物理風化為主。

MIS6-MIS5：本旋回中蒙脫石28%～48%，平均值36%，在MIS6晚期（約150 ka）含量明顯升高，整體上MIS6比MIS5含量低，且總體上相比之前含量有所下降；伊利石17%～35%，平均值28%，在MIS5-MIS6之間存在明顯低值；高嶺石與綠泥石含量相對穩(wěn)定，高嶺石15%～25%，平均值18%，綠泥石15%～21%，平均值18%。伊利石結晶度與伊利石化學指數(shù)在MIS6晚期也出現(xiàn)了含量升高的現(xiàn)象，KI指 數(shù)0.312°Δ2θ～0.457°Δ2θ，平 均 值0.344°Δ2θ，總體結晶度較好；伊利石化學指數(shù)0.19～0.51，平均值0.31，指示以干冷氣候條件下控制的物理風化為主的風化類型。

MIS4-MIS1：本旋回中蒙脫石為28%～42%，平均值34%，總體含量為所有階段中最低，但發(fā)現(xiàn)了明顯的冰期-間冰期旋回，即MIS2的蒙脫石含量明顯低于MIS3和MIS1；伊利石19%～32%，平均值28%，從MIS3至MIS1逐漸升高；高嶺石含量相對穩(wěn)定，為16%～21%，平均值18%，綠泥石含量相比之下則處于最高，階段內相對穩(wěn)定，變化不明顯，為18%～21%，平均值19%。伊利石結晶度在MIS3早期出現(xiàn)了高值，指示結晶度較差，但隨后下降，呈較好的結晶度，KI指數(shù)為0.307°Δ2θ～0.513°Δ2θ，平均值0.358°Δ2θ；伊利石化學指數(shù)在150 ka前后出現(xiàn)高值，靠近0.4，指示風化類型在該時間段內由物理風化主導轉為化學風化主導，其余時間為0.24～0.38，平均值0.30，均低于0.4，指示主體以干冷氣候條件下控制的物理風化為主的類型。

4 討論

4.1 納塔爾海谷沉積物質的來源

海洋沉積物中黏土礦物及其組成變化是研究陸源碎屑來源、遷移路徑和海區(qū)古環(huán)境古氣候變化的重要而有效的指標[40-44]。前人研究表明納塔爾海谷是非洲大陸東南部物質剝蝕風化后經(jīng)河流搬運到 海的 主 要 匯 聚 沉 積 區(qū) 域[15,20,34]。分 布 在 非洲 東 南部地區(qū)的主要河流為莫桑比克北部的贊比西河[20]、莫桑比克南部的林波波河[45]和流程較短、流速較快的圖蓋拉河（圖1），上述流域可能構成了納塔爾海谷的主要物質來源區(qū)。

IODP U1474站位黏土礦物組合位于圖蓋拉河、林波波河和贊比西河等三條河流流域黏土礦物的三角圖的中間（圖6），說明該站位黏土礦物組成與三條河流流域表層黏土礦物的組成都較為接近，但三條主要河流的黏土礦物含量組合分布過于廣泛，不足以對物源區(qū)的組成加以約束，從地形以及海流變化條件上來考慮，由于贊比西河排放入海的沉積物向南移動的過程中受到莫桑比克海脊的阻隔，同時較為強力的莫桑比克渦流流向也對其沉積物的運移有較大影響，致使到達納塔爾海谷的海洋沉積物含量極少。林波波河由于其河口入海位置有寬緩陸架形成的海底沉積平原，導致大量的沉積物匯聚于此，對U1474孔的沉積物影響較小。圖蓋拉河排放入海的沉積物則屬于近源排放，使得搬運到U1474鉆孔的沉積物沒有受到地形的阻隔以及渦流的擾動，因此圖蓋拉河沉積物占據(jù)了U1474孔沉積物的主要部分，圖蓋拉河也是影響本區(qū)域內沉積物中黏土礦物含量變化的最主要源區(qū)。這與U1474孔 鄰 近 的CD154 10-06P鉆 孔（30°10.36′S、32°8.91′E）元素指標結果顯示的圖蓋拉河流域物源相一致[18]，指示本區(qū)域內的物源區(qū)主要為圖蓋拉河，U1474孔的黏土礦物指標可以用于討論非洲東南部圖蓋拉河流域的氣候變化歷史。

4.2 非洲東南部圖蓋拉河流域MIS12期以來的氣候變化

黏土礦物攜帶了一定的源區(qū)氣候信息，納塔爾海谷的黏土礦物組成及其參數(shù)變化可以反映其源區(qū)非洲東南部圖蓋拉河流域的氣候變化。結合黏土礦物參數(shù)進行頻譜和濾波分析可以有效地反映出軌道周期對區(qū)域內氣候的影響程度（圖7、8）。圖9顯示納塔爾海谷U1474孔黏土礦物（圖9b—g）和XRF掃描的Fe/K元素比值（圖9h）自氧同位素MIS12期以來的變化與全球底棲有孔蟲氧同位素變化（圖9a）、全球海平面變化（圖9i）、南緯30°太陽光照（圖9k中藍實線）、地球軌道偏心率（圖9k中粉色實線）等變化有很好的總體對應關系和變化趨勢，尤其在SST呈現(xiàn)高值時分別對應了S/（I+C）與K/（I+C）的高值部分，這意味著納塔爾海谷U1474孔反映的自MIS12期以來的氣候環(huán)境有著軌道尺度旋回特征，但部分時期變化又不盡相同，具體如下：

圖 6 U1474站位黏土礦物物源分析三角圖圖蓋拉河流域據(jù)Cass和Johnston[46]修改，林波波河和贊比西河流域據(jù)Setti等[47]修改。藍色區(qū)域為納塔爾土壤黏土礦物指示的圖蓋拉河流域，黃色區(qū)域表示林波波河流域，紫色區(qū)域表示贊比西河流域。Fig.6 The ternary figure for provenance analysis at Site U1474The Tugela river from Cass and Johnston[46], Zambezi River and Limpopo River from Setti et al[47].Blue Shading: Natal Soils,Yellow Shading:Limpopo River,Purple Shading:Zambezi River.

圖7 U1474孔伊利石化學指數(shù)頻譜分析圖藍色線：伊利石化學指數(shù)頻譜圖，紅色線：歲差頻譜圖。Fig.7 Spectrum analysis of illite chemical index and precession Blue line:Spectrum analysis of illite chemical index,red line:Spectrum analysis of precession.

MIS12-MIS11：MIS12期間，蒙脫石（圖9g）含量在此期間處于高位，蒙脫石本身屬于化學風化的產物，是伊利石在半干旱氣候條件下由鋁硅酸鹽和鐵鎂礦物化學風化形成的[48]，整體上伊利石化學指數(shù)ICI低于0.4（圖9b），伊利石結晶度KI指數(shù)處于較低值（圖9c），說明伊利石結晶度較好，其意味著非洲東南以物理風化為主。良好的伊利石結晶度也指示了MIS12時期較低的氣溫條件，這與MD962077站位記錄的海水表層溫度低值的氣候背景一致[18]。這兩個指標ICI與KI值顯示在MIS12中期（約460 kaBP）存在升高的波動，沉積物中XRF掃描的Fe/K元素比值也能反映氣候變化[49]，其與伊利石化學指數(shù)和伊利石結晶度呈現(xiàn)相同的變化趨勢，說明此時間段內非洲東南部相對潮濕。MIS12期間這似乎與良好的伊利石結晶度指示的冷濕氣候變化有些沖突。圖9g顯示蒙脫石含量在此期間上升的同時，伊利石含量下降，說明蒙脫石含量的異常升高確實可能與相對潮濕情況下伊利石在加強的淋濾作用下淋失K+從而轉化為蒙脫石有關。在間冰期MIS11期，伊利石ICI和KI指數(shù)有短暫高值，指示源區(qū)有短暫的化學風化加強過程，同樣相對高值在蒙脫石/（伊利石+綠泥石）：S/（I+C）（圖9d）中也可以發(fā)現(xiàn)，而高嶺石/（伊利石+綠泥石）：K/（I+C）（圖9e）則無明顯高值，說明此時期淋濾作用弱，更傾向于半干旱條件下的化學風化作用強烈。其后伊利石ICI和KI指數(shù)持續(xù)處于低值，以物理風化為主，但S/（I+C）與K/（I+C）出現(xiàn)了強烈的波動且整體位于高值，指示了相對溫暖且干濕交替的氣候條件，這與全球海平面升高（圖9i）和臨近海表溫度（圖9j中綠色實線）變化有很好的對應。

MIS10-MIS9：伊利石ICI均低于0.4（圖9b），指示主體以物理風化為主。在本階段的冰期-間冰期循環(huán)中，蒙脫石含量及其S/（I+C）比值均顯示了在冰期MIS10的低值以及間冰期MIS9的高值。MIS10早期，伊利石KI指數(shù)、S/（I+C）以及K/（I+C）均處于低值，伊利石結晶度較好，說明此時源區(qū)的物理風化強烈且氣候寒冷干燥。MIS10后期約350 kaBP，此時各黏土礦物指標含量均明顯上升，說明氣候由寒冷干燥轉為相對溫暖濕潤，其后的間冰期MIS9則進一步上升，進入相對溫暖的時期，這與MD962077的SST記錄的高值相對應[17]（圖9j中綠色實線），而濕潤的氣候條件與MD96-2048站位所記錄的于MIS10和MIS9轉換時期出現(xiàn)的羅漢松（podocarpus）花粉百分比最大值相對應[5]。羅漢松適合生長在濕潤的山地森林[3]，這與該時期的溫暖濕潤環(huán)境是一致的。MIS9中期325 kaBP，S/（I+C）（圖9d）與K/（I+C）（圖9e）指標明顯下降，指示此時源區(qū)可能出現(xiàn)了干冷的氣候波動事件，其后指標上升并回歸到相對溫暖的氣候條件下，此時相應的羅漢松花粉也回到了最大值[5]。

圖9 U1474孔黏土礦物組成、XRF掃描Fe/K元素比值、全球海平面變化、MD962077孔的海表溫度總有機碳、南緯30°太陽光照及地球公轉軌道偏心率變化對比a:全球底棲有孔蟲氧同位素變化（數(shù)據(jù)來自Lisiecki和Raymond[39]），b: 伊利石化學指數(shù),c:伊利石結晶度,d:蒙脫石/（伊利石+綠泥石）,e:高嶺石/（伊利石+綠泥石）,f:高嶺石,g:蒙脫石, h:化學元素XRF掃描Fe/K（數(shù)據(jù)來自Dabin等[34]），i:全球海平面變化（數(shù)據(jù)來自Bintanja等[10]），j:MD962077孔的海表溫度（SST）和總有機碳（TOC）（數(shù)據(jù)來自Bard和Rickaby[17]）,k:南緯30°一月份光照（藍色實線）和地球公轉軌道偏心率（Eccentricity）（粉色實線）（數(shù)據(jù)來自Laskar等[50]）。Fig.9 the comparison of clay mineral proxies，XRF element scanning Fe/K ratio，global sea level change,the SST , total organic carbon,solar insolation and the earth orbit eccentricity of 30°Sa:Global benthic foraminiferal oxygen isotope stage MIS（from Lisiecki and Raymond[39]），b:illite chemical index,c:illite crystallinity,d:Smectite/（Illite+Chlorite）ratio,e:Kaolinite/（Illite+ Chlorite）ratio,f:kaolinite,g:smectite,h:XRF element scanning Fe/K ratio（from Dabin et al.[34]），i:global sea level change（feom Bintanja et al.[10]），j: percentage of total organic carbon（TOC）and sea surface temperature（SST）of Core MD962077（from Bard and Rickaby[17]）,k:the January insolation of 30°S（the blue dashed line）,Eccentricity）（the pink dashed line）（from Laskar et al.[50]）.

MIS8-MIS7：本旋回黏土礦物組成及參數(shù)（圖9b—g）在MIS8期早、中期的變化相對穩(wěn)定，伊利石ICI低于0.4，KI指數(shù)處于低值，伊利石結晶度較好，整體上為寒冷干燥氣候下的物理風化環(huán)境，旋回內黏土礦物比值較低，但相比MIS10期則有相對上升，說明本階段源區(qū)的冰期寒冷程度相對MIS10期有所減弱，由MD962077的SST（圖9j中綠色實線）結果在此期間的小幅上升也可以驗證。MIS8期晚期（約270 kaBP）開始至MIS7期各指標所指示的氣候波動較為劇烈，各黏土礦物指標出現(xiàn)高值（圖9b—g），伊利石ICI此時大于0.4（圖9b），伊利石KI指數(shù)（圖9c）出現(xiàn)了第一個峰值，源區(qū)出現(xiàn)了化學風化為主的風化類型，且此時期高嶺石含量（圖9f）也較高，說明此時降雨量豐富，源區(qū)變得溫暖濕潤，同期MD96-2048的喜潮濕的羅漢松花粉百分比出現(xiàn)最大值，與我們的黏土礦物記錄一致[5]。而其后的時期又出現(xiàn)了各指標大幅度下降的情形，源區(qū)寒冷干燥且以物理風化為主，繼而各指標開始了較為劇烈的波動一直到MIS7期結束，指示此階段氣候變化以暖濕氣候與干冷氣候交替、化學風化與物理風化交替的特征。

MIS6-MIS5：在MIS6期早期（190～150 kaBP）伊利石ICI低于0.4（圖9b），指示源區(qū)風化類型以物理風化為主，伊利石KI指數(shù)（圖9c）較低，伊利石結晶度較好。同期其他黏土礦物比值也穩(wěn)定在低值，與冰期的寒冷氣候相吻合。其中在170～160 kaBP期間，F(xiàn)e/K比值存在部分高值，與蒙脫石含量的增加相對應，同時伊利石化學指數(shù)升高，可能是由于降水量增加引起的淋濾作用增強導致伊利石K+淋失轉化為蒙脫石，這一點由同期內K2O的高值與伊利石的低值相吻合可以證明。150 kaBP以后，多種黏土礦物指標顯示氣候相比MIS6期早期溫度與濕度變化幅度增加，伊利石ICI和KI值的升高指示區(qū)域內物理風化減弱以及伊利石結晶度變差，S/（I+C）（圖9d）與K/（I+C）值（圖9e）波動劇烈且明顯高于前期。另外，多黏土指標以及XRF掃描Fe/K元素比值（圖9h）同步變化趨勢明顯，均在150、122以及93 kaBP出現(xiàn)峰值，說明此階段研究區(qū)呈暖濕（高值）與干冷氣候交替的氣候特征與MIS6期末期及MIS5d、5a和5b時期出現(xiàn)的羅漢松花粉最大值相對應。

MIS3-MIS1：本旋回伊利石ICI值低于0.4（圖9b），指示源區(qū)風化類型以物理風化為主。S/（I+C）（圖9d）、K/（I+C）（圖9e）和蒙脫石（圖9g）值變低，指示源區(qū)化學風化作用減弱。其冰期-間冰期旋回變化特征較為明顯，即間冰期（MIS1期與MIS3期）相比冰期（MIS2期）呈高值，但其化學風化的強度整體相比更早的間冰期減弱，與偏心率（圖9k中粉色線）和當?shù)毓庹斩龋▓D9k中藍色線）的減弱一致，可能與70 kaBP以來的末次冰期有關。MIS3期早期（52 kaBP）伊利石含量出現(xiàn)低值，KI指數(shù)升高（圖9c），伊利石結晶度較差，對應S/（I+C）（圖9d）與K/（I+C）（圖9e）的高值,說明在此時期可能出現(xiàn)了短暫的化學風化增強的過程，由于高嶺石指標（圖9f）與Fe/K指標（圖9h）無明顯峰值，說明此階段可能為溫暖、半干旱條件下的化學風化增強。此后各指標保持在相對高位，指示溫暖、濕潤的間冰期氣候。MIS2期早期黏土礦物指標穩(wěn)定在低值，指示了明顯的受控于低溫干燥氣候的物理風化條件。MIS2期末期至MIS1期，此階段伊利石KI指數(shù)、高嶺石含量、Fe/K比值出現(xiàn)了明顯的峰值，伊利石結晶度變差，源區(qū)降雨量增加。相比MIS2早期各黏土礦物指標的升高也指示了化學風化強度的增加，氣候趨于溫暖濕潤。

整體來看，黏土礦物替代指標在軌道尺度的變化模式上顯示出較為明顯的約19 ka的歲差周期。為了驗證這一結果，我們以歲差周期波動較為明顯的伊利石化學指數(shù)作為主要研究對象，對伊利石化學指數(shù)進行了頻譜分析以及濾波分析（圖7、圖8）。結合歲差變化的頻譜圖可以發(fā)現(xiàn)，伊利石化學指數(shù)在頻譜圖上表現(xiàn)出明顯的19 ka的歲差周期（置信區(qū)間80%），此外還具有41 ka的斜率周期（置信區(qū)間80%）以及100 ka的偏心率周期（置信區(qū)間95%）。伊利石結晶度的19、41和100 ka濾波曲線分別與歲差、斜率和偏心率曲線也吻合較好，表明非洲東南部海洋沉積記錄明顯受控于地球軌道參數(shù)的影響[18-19]。經(jīng)過比對發(fā)現(xiàn)，伊利石結晶度KI、S/（I+C）和K/（I+C）三個指標與當?shù)叵募救照盏牟▌用芮邢嚓P，但可能由于年代框架不夠完善或其他未知因素影響，MIS 5期以前的變化與夏季日照波動出現(xiàn)了差異甚至部分反相波動，但仍保持約19 ka的歲差周期波動，結合CD154 10-06 P站位的結果也呈現(xiàn)了類似的變化模式[18]，說明非洲東南部區(qū)域自MIS12以來的歲差控制的夏季日照變化是驅動區(qū)域內氣候變化的主要因素之一。位于西南印度洋（26°S）的MD96-2048站位的低地森林百分比也顯示了同步于歲差周期的波動情況，與本文的結果較為吻合[5]。

圖8 U1474孔不同頻率濾波曲線與軌道參數(shù)曲線對比a：伊利石結晶度19 ka低通濾波曲線與歲差曲線對比，中心頻率=0.0526，帶寬=0.0026；b：伊利石結晶度41 ka低通濾波曲線與斜率曲線對比，中心頻率=0.0244，帶寬=0.0012；c：伊利石結晶度100 ka低通濾波曲線與偏心率曲線對比，藍色線為伊利石結晶度濾波曲線，紅色線為軌道參數(shù)曲線。Fig.8 Comparison of filtering curves of illite crystallinity and curves of orbital parameters of Site U1474a:19 ka low pass filtering curve of illite chemical index and precession filtering curve,center frequency = 0.0526, bandwidth = 0.0026, b: 41 ka low pass filtering curve of illite chemical index and obliquity filtering curve,center frequency = 0.0244, bandwidth = 0.0012, c:100 ka low pass filtering curve of illite chemical index and eccentricity filtering curve, blue line:filtering curves of illite chemical index,red line:curves of orbital parameters.

除軌道參數(shù)的影響以外，還受到了區(qū)域諸如熱帶輻合帶（ITCZ）、剛果氣流邊界（CAB）和附近海流如厄加勒斯海流[51]等亞軌道因素的影響。ITCZ的南北位置對半球間溫度對比的變化有響應[52]。北半球冷事件發(fā)生，引起ITCZ向南移動，致使降雨最大值的變化，并導致贊比西河流域降雨量以及陸地徑流量的增加；但值得注意的是，印度洋海表溫度并沒有對贊比西河流域的降水產生明顯的影響；另外當?shù)叵募救照樟吭黾訒r，降雨量也會增加[53-54]。Lewis等通過模擬北大西洋注入淡水后熱鹽環(huán)流的關閉，以模擬海因里希事件。結果顯示，在南亞和中非季風區(qū)的大部分地區(qū)有較高的降水帶來的δ18O同位素值，與ITCZ向南遷移引起的降水增加相對應[55]。當北半球進入極度變冷的階段時，南非東部向更濕潤氣候的快速變化可能是由阿古拉斯暖流的變暖和副熱帶反氣旋的移動共同驅動的[18,56]，即在北大西洋冷事件發(fā)生時，ITCZ協(xié)同著赤道與近赤道的降雨帶共同向南移動[57]，同時推動副熱帶反氣旋向南移動，使得位于大陸東部的西南印度洋的水汽向陸移動從而使區(qū)域內氣候變得潮濕[58]。在歲差最大值的時期，夸祖魯-納塔爾省降水量增加是由于當?shù)卣舭l(fā)增加和從莫桑比克海岸向南非東部輸送的水分增加共同作用的結果[18]。氣候模擬結果顯示，厄加勒斯海流變冷可以導致非洲東南部上空形成冷干氣團，降水減少[59]。從U1474孔的黏土礦物結果中可以發(fā)現(xiàn)，當MD962077孔SST升高時，伴隨著明顯的伊利石化學指數(shù)和S/（I+C）的上升，這也與厄加勒斯流的變暖對圖蓋拉河流域的氣候影響有直接關聯(lián)。

因此，非洲東南部圖蓋拉河流域的氣候變化在亞軌道尺度上可能主要受到兩個方面的直接影響，即ITCZ的移動和厄加勒斯暖流的熱量調節(jié)。

ITCZ的向南移動主要有兩種原因：一種可能是在諸如末次冰盛期的寒冷階段，北半球冰蓋擴張，迫使ITCZ協(xié)同著其他大氣環(huán)流共同南移；另一種可能是像HS1時期那樣，當北半球的冰川融化時，融化的冰川水注入到北大西洋中，使北大西洋突然冷卻，連同著北大西洋經(jīng)向翻轉環(huán)流共同降溫，引起其上方的哈德利環(huán)流向南擴張，推動ITCZ的南移。

厄加勒斯海流變暖可能與北半球冷卻時期引起的兩極蹺蹺板效應有關。這種蹺蹺板效應主要是由于半球間異常的能量輸送引起的，南北半球由于海陸面積不同而導致熱容不同，北半球海洋面積小，熱容小，南半球則相反。由于北大西洋進入冷卻期，其上部氣團降溫導致北半球氣壓增大，將原先的熱量輸送至南半球，導致南半球熱量增加，引起南半球暖化從而使AC變暖。

5 結論

（1）IODP 361航次U1474站位的黏土礦物主要以蒙脫石為主，其次是伊利石、高嶺石和綠泥石。

（2）納塔爾海谷U1474站位沉積物中的黏土礦物主要來源于臨近的非洲大陸東南部圖蓋拉河流域的河流輸入。

（3）自MIS12期以來，非洲東南部的氣候變化呈現(xiàn)出明顯的以歲差旋回為主的軌道驅動特征，可分為5個變化階段，每個階段內冰期寒冷干燥，間冰期相對溫暖濕潤。但每個冰期和間冰期都呈現(xiàn)出一定的亞軌道氣候波動特征，常存在冷暖、干濕交替的情形。

（4）非洲東南部區(qū)域自MIS12期以來的氣候變化除受到地球軌道歲差驅動的當?shù)叵募救照蘸推穆实挠绊懲猓€受到了以ITCZ和厄加勒斯海流為主的區(qū)域大氣環(huán)流和附近海流的影響。

致謝：本文研究樣品是由“國際大洋發(fā)現(xiàn)計劃（IODP）”提供。感謝所有參加“IODP 361”航次“決心號”船上科學家、全體船員和實驗室人員的努力和支持。感謝中國IODP辦公室的資助和幫助。