北部灣全新世氣候與古生態環境演進特征及其驅動因素

黃向青,崔振昂,林 海,夏 真,張順枝

自然資源部海底礦產資源重點實驗室,廣州海洋地質調查局,廣州廣東 510075

位于東亞低緯度季風區的北部灣屬熱帶和亞熱帶海洋性季風氣候,海洋生物和礦產等資源豐富,其三面環陸且海底呈扇形向南部陸架海洋敞開,平均水深 38 m,水深由北向南、自岸向中逐漸加深,沿岸有大型河流紅河等注入,區域降水豐沛,以北有我國暴雨中心十萬大山南麓的東興。我國對北部灣全新世進行了物源、氣候等基本研究,國外亦重視對相鄰東北部印度洋、印-太暖池水域古氣候以及古生產力重建(Piotrowski et al.,2009; 崔振昂等,2017)。總體來看,北部灣全新世氣候演進背景因素、古生態環境演進特征等重要內容尚未開展。在全新世中期以來我國陸區環境惡化、生產力下降形勢之下,及時開展上述工作對認識、預測和保護海洋生態及價值具有積極意義。北部灣南部海盆沉積環境穩定,接納入海河流輸入物質。本文立足該海盆STAT22全新統巖芯孢粉、地球化學要素等鑒定測試結果,探討了全新世以來氣候模式、地表響應、古生態演變等及其背景驅動因素。

1 區域第四系地質概況

北部灣區域為印度夏季風、冷空氣前緣、東亞夏季風的相互作用地帶,其氣候要素年變率大,災害性天氣頻繁,山洪和泥石流頻發。本區沿岸大小入海河流眾多,有紅河、南流江、昌化江、馬蘭河等。該灣于全新世海侵之前接受為風化剝蝕陸區,系受到紅河斷裂、鶯歌海盆地等影響而地勢低下的沉降形態低地體系,于全新世隨著冰消期以來南海海平面上升海侵而形成。圍區為鋁硅酸鹽巖類及其碎屑巖類以及鈣鎂碳酸鹽巖類。北部為侏羅—白堊系、白堊系—第三系的華力西期、印支期火成巖,雷州半島為全新統并出露玄武質巖類,海南島由北向南為玄武質巖類、花崗斑巖類。第四系地層較為多樣和巖性松散,圍區沿海從北部至雷州半島為中更新統以來海積沉積物,散布有玄武巖類等火山巖和第四系洪積、坡洪積物等,北部第四系向陸側還廣泛分布有第三紀甚至更早的前第四系。沿海地勢較為平坦,向內陸則變得崎嶇隆起,尤其是北部分布還有東北—西南向十萬大山、六萬大山等,地表接受風化剝蝕以及風、浪、流等外營力物質運移。

2 研究方法

2009年 7—9月在北部灣南部海盆進行了STAT22巖芯重力取樣(圖1),其長度為310 cm,底部295 cm存在風化剝蝕不整合界面,自下往上分別屬于晚更新統和全新統,主要為深灰色黏土質粉砂,夾雜有砂質粉砂薄層,且巖性連續無間斷。對全新統巖芯按照5 cm間距原則進行較高分辨率分樣,將共取得的52個樣品進行了孢粉、粒度、化學元素、碎屑礦物鑒定測試。孢粉鑒定:每個樣品取樣20 g,經鹽酸處理去鈣、氫氟酸去硅質后,用比重為2.1～2.2的重液浮選分離法使孢粉富集供制片,每個樣品在Zeiss Axioskop 40顯微鏡下平均放大300倍觀察統計20 mm×20 mm蓋玻片下孢粉數量,并換算為20 g干樣孢粉數量作為該化石豐度; 粒度測試依據GB/T 12763.8.6.3-200+7,主要儀器為Mastersizer 2000型激光衍射粒度分析儀; SiO2、Al2O3、Fe2O3、MgO 等 10種常量元素以及 Co、Cu、Ni、Zr、Ba等 10種微量元素測試根據 GB/T20260.8-2006,主要儀器為ICP-OES 4300DV型等離子體發射光譜儀;碎屑礦物鑒定依照GB/T12763.8-2007,采用LEICA M165C顯微鏡,分析粒級為 0.063～0.25 mm; 浮游有孔蟲Globigerinoides ruber的δ18O測試參照同濟大學海洋地質開放研究實驗室測試方法,以上均由廣州海洋地質調查局實驗測試所完成。依深度挑選殼體完整浮游有孔蟲 G.ruber,對其進行碳酸鈣碳同位素AMS14C測年,由北京大學核物理與核技術國家重點實驗室以及 Beta實驗室完成,使用 Calib 7.0.1軟件對所獲得14C年齡進行日歷年齡校正,海洋碳庫效應校正選取西沙群島 3個已知點平均值,得到了 7個樣品測年數據,全新世年齡分布為830～11 110 a,σ平均值為±134.50 a,并通過線性插值法建立了年代框架(表 1,圖 1)。還收集了本巖芯前期研究的硅藻、有孔蟲數據以供進行綜合對比分析，其測試方法見上。

圖1 STAT22巖芯位置(A)以及全新統深度-年齡關系(B)Fig.1 Position of sediments drilling core STAT22 (A) and the relation frame of depth-age (B)

表1 STAT22巖芯有孔蟲G.ruber的AMS14C測年結果Table 1 Globigerinoides ruber aging data at different depth of sediments core STAT22

3 分析結果

3.1 要素分布特征

3.1.1 孢粉

以上全新統底界年齡 11.1 ka與我國熱帶和亞熱帶地區全新統下限一致。共鑒定出16屬種孢粉化石,以熱帶和亞熱帶木本和蕨類為主,與廣西第四系全新統地層孢粉主要屬種基本相符。木本主要為裸子植物針葉 Pinus sp.(松屬)、常綠闊葉落葉Castanopsis sp.(栲屬)和 Quercus sp.(櫟屬),還有少量 Dacrydium sp.(陸均松屬),零星見有Podocarpus(羅漢松)、Tsuga sp.(鐵杉屬)。約于 6.0 ka之前木本含量最高而蕨類偏低,總體上屬種較為單一,Castanopsis sp.間斷出現而 Quercus sp.尚為缺失。6.0 ka之后植被種類增加,Quercus sp.出現并約于2.0 ka達到峰值,但木本總體是下降的(圖2a,b,c,d,e); 蕨類約于6.0 ka開始增加并于較高值區間波動,較耐干Cibotium barometz(金毛狗)、Microlepia sp.(鱗蓋蕨屬)自 6.0 ka之后總體下降,而更喜陰濕Polypodaceae(水龍骨科)卻波動上升(圖2f,g,h),次要屬種Pteris sp.(鳳尾蕨屬)、Cyathea sp.(挱欏屬)、Lygodium sp.(海金沙屬)亦于6.0 ka之后有所出現并波動變化,Sellaginella sp.(卷柏屬)零散出現(圖2i,j,k,l),偶見喜陰濕的Ophioglossum sp.(一葉草屬)。還可見到,或許是由于“4.2 ka事件”干旱影響,對濕度條件敏感的蕨類優勢屬種降低而形成一個“V”或者“U”形態; 木本和蕨類含量之和(圖2a藍色曲線)曲線約于9.0 ka之前基本維持,9.0～6.0 ka為上升階段,6.0 ka首次出現明顯波動,約至5.2 ka有所增加,5.2～4.0 ka較為平緩,4.0 ka之后再次波動增加,但在 2.0 ka前后明顯下降之后再次總體上升,Cyathea sp.于4.0～2.0 ka出現階段性缺失,應是由于階段性氣候偏干。總體上早期植被種類偏少,中全新世增加而達到興盛,但由于氣候變化而波動明顯。

圖2 STAT22巖芯主要孢粉化石含量(%)分布Fig.2 Sporopollen fossil concentration (%) of sediments core STAT22

3.1.2 粒度

粒度、化學元素、碎屑礦物亦是反映地表物源和氣候變化等的基本指標。本巖芯主要沉積物類型為黏土質粉砂,分析可見和粒度參數于9.0 ka出現了一個轉折變化。但總體上在中全新世6.0 ka之前基本維持穩定,之后開始較為明顯波動變化,再于4.0 ka開始呈現連續小幅波動變化。砂、粉砂、黏土含量為12.09%～61.64%,以上述轉折點6.0 ka為界,砂含量先高后低即總體下降,而粉砂、黏土則相反,為先低后高即總體上升(圖3a,b,c); 平均粒徑為 5.52～6.60 φ,分選系數為 1.97～2.58 φ,偏態為–0.10～0.18,峰態為 0.77～1.03,平均粒徑自6.0 ka同樣為總體上升即顆粒趨細,但分選系數、偏態卻有所降低,而峰值達到較高區間之后維持波動,顯示分選趨好,頻率曲線移向細顆粒,顆粒結構趨向均衡,峰形進一步減緩(圖3d,e,f,g); 根據以上深度-年代關系得出沉積速率曲線,其在6.0 ka之前為最低的 0.04 mm/a,6.0～5.2 ka明顯升高至0.50～0.58 mm/a,5.2～4.2 ka再次出現沉積速率低值為0.06 mm/a,這可能與全球性“4.2 ka事件”干旱效應有關,爾后于4.1 ka再次躍升,總體上沉積速率是升高的(圖 3h)。再對比紅河三角洲前緣調查研究(Li et al.,2006),5.0 ka之前為低沉積速率段,自 5.0 ka之后明顯加速,深度-年齡框架曲線斜率上揚。以上均表明中全新世以來物源總體增加。

圖3 STAT22巖芯粒度以及沉積速率分布Fig.3 Composition,granularity and sedimentation rate of sediments core STAT22

3.1.3 化學元素

常量元素含量總體上 SiO2>Al2O3>Ca>Fe2O3>K2O>MgO>Na2O>TiO2>P2O5>MnO,與區域廣布富硅含鋁、鐵、鉀、鈉、鎂等硅酸鹽巖類以及鎂鈣碳酸鹽巖類有關并可對應,表明其來源具有陸源性。元素同樣于9.0 ka出現一定的轉折變化,但總體分布較為平穩,6.0 ka亦同為重要轉折變化點而出現大幅波動,自4.0 ka之后呈現小幅但升降趨向明顯的變化,總體上以6.0 ka為界出現明顯升降變化的不同階段。SiO2含量為 55.96%～61.79%,在轉折點前后達到峰值之后呈緩慢下降趨勢(圖 4a),Al2O3、Fe2O3、MgO 等含量為 0.065%～14.38%,在轉折點之前偏低且基本穩定,但之后呈現波動上升趨勢(圖 4b-h)。CaO、MnO依次為5.26%～9.35%、0.070%～0.085%且總體下降(圖4i,j); 微量元素與以上常量元素具有同樣變化特征。Ni含量為26.7×10–6～33.1×10–6(圖 4k),其余各項元素 Co、Cr、Zn、Zr、Sc、V、Ga、Ba 含量為 9.1×10–6～79.8×10–6,Ba 含量最高,為 282×10–6～371×10–6,除了 Ni基本維持波動變化之外,其余同樣是在上述轉折點之前變化不大,但之后呈現明顯上升趨勢,而Sr含量為202×10–6～320×10–6,與上述 CaO 等同為波動下降并維持(圖 4l-t)。

圖4 STAT22 巖芯常量元素含量(×10–2)和微量元素含量(×10–6)分布Fig.4 Macro-,micro-geochemical elements concentration of sediments core STAT22

3.1.4 碎屑礦物

輕、重礦物種類較為豐富共有22種,優勢礦物為石英、長石以及風化礦物,其平均含量依次為65.22%、5.60%、14.25%,風化礦物較高顯示溫度和濕度相適宜。以上又以石英為絕對優勢礦物。其它礦物主要為云母,以及含鐵類礦物赤鐵礦、磁鐵礦、黃鐵礦,另外還有鋯石、角閃石和輝石,含量為 0.001%～1.679%,平均為 0.001%～0.721%,海洋自生礦物海綠石較高。碎屑礦物四分位為0.001%～67.10%,偏態正負值均有,峰值以負值略多,石英和長石變異系數最低,其分布較為穩定,而其它礦物為0.16～2.18,尤其是磁鐵礦、鋯石、角閃石變異系數超過 1.00,其分布的變化性最大(表2)。零星出現的還有綠簾石、電氣石、銳鈦礦、白鈦石、尖晶石、鉻尖晶石等。對比北部灣北部近岸碎屑礦物調查結果(夏真等,2019),兩者在種類上相似,指示源于花崗巖、砂巖和變質巖等的風化解離和河流輸入,并在潮流作用下向海進一步運移,再次表明了沉積物和碎屑顆粒之陸源性,亦與前人利用稀土元素、黏土礦物分析結果相一致(崔振昂等,2017)。

表2 STAT22巖芯主要碎屑礦物含量統計Table 2 Detrital minerals concentration statistics of sediments core STAT22

3.1.5 δ18O(氧同位素)

浮游有孔蟲表層種G.ruber化石δ18O可指示海面水溫和氣溫,其范圍介于–1.83‰～–3.46‰,平均為–2.83‰,約4.6 ka進入負距平區域并于4.0 ka基本穩定于負距平區域,4.0 ka以來比之前平均下降了21.20%,顯示是總體降溫的,2.0 ka前后達到全新世最低(圖 5a)。該曲線變化特征與中國全新世集成溫度曲線可對應:即 9.5～9.0 ka之后均為上升趨勢,8.0～7.5 ka到達階段性峰值,均至6.0 ka首現下降波動,經恢復但再次出現頻繁波動,約 6.0～4.5 ka維持正距平,這是由于暖性天氣系統仍然具有一定階段性強度,但隨著北方西風帶進一步推進和維持,均再次下跌至4.0 ka出現明顯“V形”低谷才基本穩定,爾后基本上維持在負距平區間波動。

圖5 STAT22巖芯δ18O含量(V-PDB,‰)和中國氣溫、GIRP冰芯溫度的積溫(℃)分布Fig.5 G.ruber δ18O of sediments core STAT22 and accumulative anomalies of Chinese air temperature and GIRP ice core temperature (℃ ) during Holocene

3.2 氣候指示意義

對比北部灣以北桂林地區中全新世以來古氣候重建(周建超等,2015),該地區同樣分布為亞熱帶植被,并隨海拔變化依次為常綠落葉闊葉、常綠落葉闊葉和針葉混交林、針葉林等,冷暖干濕波動,晚全新世還發育有泥沼,其響水洞石筍 δ18O和δ13C(碳同位素)同期總體偏冷濕(偏負),全新世植被經歷了早期貧乏、中期和晚期前段興盛、晚期后段有所下降的三個旋回(覃嘉銘等,2000)。古湖沼在6.4～4.8 ka由于降水快速增加使得水位處于高值區間,4.8～3.0 ka繼水位降低之后再次恢復上漲,經歷了濕-干-濕波動過程(汪良奇等,2014)。東北部雷州半島夏季風于與上述6.0 ka相近時間的6.1 ka迅速減弱并進入降溫階段,西北部紅河三角洲自 5.3 ka以來出現了三次小冷期波動,以東海南島雙池瑪珥湖約 2.7 ka之后降雨增加并疊加降溫信號(李珍等,2005; 羅攀等,2006; 吳旭東等,2016)。以上各地受到局地因素影響的氣候轉折起點略有差異,但均表明中全新世以來冷空氣活躍并頻繁擾動而導致降水增加和濕度改善。可視為地溫的積溫表示氣溫實時曲線的累積性,根據上述全新世中國古氣溫和北大西洋格陵蘭 GIRP冰芯古溫度(侯光良和方修琦,2011; Briner et al.,2016),其積溫(累計距平)較實時溫度曲線具有明顯周期性,近似于不規則正弦曲線,且在全新世基本完成了一個變化周期(圖5b,c)。

4 討論

4.1 北部灣氣候背景

自前可見各要素具有階段性波動變化、主要要素具有變化總體趨向明顯的特征,這是由于氣候波動和格局轉變所致,而北部灣沿岸眾多河流向海輸入陸區風化剝蝕產出物質,海盆繼而成為氣候變化之記錄者。自上述可見北部灣與我國古氣溫曲線兩者變化可對應,而后者又與北大西洋氣候波動序列相對應(候光良和方修琦,2011),說明北部灣作為我國季風區的一部分,受到全球和中國區域環流和氣候形勢逐級調控。其中,以9.0～8.0 ka、4.0 ka谷值和峰值為基本變化轉折點,兩者亦依次為早、中、晚全新世過渡轉折節點,在這兩個主節點基礎上再以前述6.0 ka、2.0 ka等重要亞節點進行次階段波動變化,前者為中國積溫階段性次峰值,后者為GRIP冰芯積溫一個階段性谷點,兩者依次為中全新世前后段、晚全新世前后段過渡銜接點,不僅如此,孢粉、化學元素等亦基本具有如此旋回特征,現據此做如下氣候劃分。

4.1.1 氣候階段劃分

氣候是驅動要素變化的重要外營力,而要素變化是對氣候變化的響應,兩者之間為表里。依據δ18O并參照中國氣溫及其累計距平曲線,結合以上所討論要素分布特征,劃分了全新世北部灣基本氣候階段(表3),其中是以9.0～8.0 ka、4.0 ka為基本變化轉折點,但綜合考慮到時間序列更長的植被、粒度和化學元素是以9.0 ka為轉折點,其亦基本可代表9.0～8.0 ka階段,亞節點同樣為6.0 ka、2.0 ka。δ18O等顯示5.2～4.0 ka有明顯降溫趨向,亦為我國熱帶地區冰期II(張偉強等,2002),4.0～2.0 ka降溫亦是對晚全新世新冰期的響應。1.0 ka為北部灣氣候演進的一個現代時間點,此時 δ18O出現快速降溫,粉砂以及陸源元素 Al2O3、Fe2O3、TiO2以及 Ba等再次發生明顯變化,總體上為小幅躍升,主要木本、蕨類等出現下降等轉折變化,該降溫早于一般小冰期起點,可歸屬于前小冰期階段(表3),前小冰期在世界一些地區亦有出現(Fernandez-Fernandez et al.,2019)。上述 9.0 ka(9.0～8.0 ka)、6.0 ka、4.0 ka、2.0 ka節點的轉折性和階段變化性在孢粉化石豐度、主要屬種含量均有所體現,在喜暖濕的Cyathea sp.表現為高(出現)-低(幾乎消失)-高(再次出現)的波動旋回變化,平均粒徑、偏態、峰態以及化學元素亦在上述單個或者多個節點出現轉折或者階段性變化。

表3 北部灣區域氣候階段劃分及其特征Table 3 Primary regional climatic phrases in Beibu Gulf based on sediments core STAT22

4.1.2 北部灣區域氣候演進模式

自上可見,北部灣以中全新世以6.0 ka為界總體上具有前暖后冷、先干后濕演進模式,結合前人研究結果,認為這與依次維持東亞夏季風、印度夏季風的副熱帶高壓、印度低壓的進退有關。從氣候

模型輸出南亞高壓分布來看,早全新世南亞高壓強大,閉合特征線范圍廣闊,根據其與副高兩者“相向而行”特征,副高加強了西伸并對西風帶南推產生阻擋作用,其脊線位置偏北而使得夏季風深入我國內陸(張肖劍和靳立亞,2018),而同期印度低壓位置偏西,其降雨帶集中于伊朗高原、阿拉伯半島至印度半島北部以及青藏高原西部等,而北部灣處于兩者之間的過渡帶鞍形場,甚至出現補償性下沉氣流而缺少系統化的降水機制。中全新世南亞高壓明顯收縮并促使西風帶南進,東亞和印度夏季風指數自中全新世6.5～6.0 ka以來為降低趨勢,并自4.0 ka以來基本穩定并維持波動,而同時南亞高壓自晚全新世有所增強東延,位置偏南的副高脊線可頻繁西伸影響北部灣,北部灣演進成為印度夏季風、東亞夏季風、冷空氣前緣三者交綏地帶,從而加強了暖濕水汽與冷空氣交匯等重要降水條件。

4.2 中全新世以來北部灣陸-海體系響應

4.2.1 環境演進意義

由前孢粉分析亦可見植被種類含量隨時間改變具有一定連續性,但由于適應氣候波動而變化,并且非優勢屬種相間出現,木本以及蕨類優勢屬種為連貫出現,形成了圍繞這類優勢植被衰榮變化的熱帶和亞熱帶山地森林生境。沉積物粒度和化學元素同樣呈現連貫但波動性的變化。優勢礦種石英、長石、風化礦物還有云母同樣為連續出現,而非優勢礦種同樣視氣候和風化條件而相間出現。以上指示了現代地表環境源于歷史持續演進,而這些變化是依托地表內在物理、化學過程。巖石圈地表具有空間概念,植物根植于地表土壤,而地表不僅指與空氣接觸表面,還具有向下厚度與層序。

4.2.2 地表熱脹冷縮效應

如前所述北部灣區域廣泛分布硅酸鹽及其碎屑巖類,亦是我國乃至世界典型喀斯特地貌區和碳酸鹽巖類區,氣溫呈現階段性的波動和小尺度波動,而且自中全新世以來波動增多,形成的溫度差可對地表反復進行熱脹冷縮過程,前述δ18O的最高值、最低值分別出現于中全新世和晚全新世,其極差具有千年尺度,而短暫冷暖事件造成的溫差亦較大并具有百年尺度。區域碳酸鹽和硅酸鹽巖類作為火成巖和沉積巖具有結晶性和固結性,松散沉積物則具有一定孔隙結構,溫差可使得硅酸鹽巖石類花崗巖產生裂隙、剝離和裂解等(董榮,2016)。因此,熱脹冷縮效應可加快碎屑生成和水流滲入并增大接觸面積,進而加快巖石化學溶解反應以及內部親水黏土礦物進一步膨脹致裂等,對實現化學物質遷移和再分配起著重要物理基礎作用。

4.2.3 地表風化退硅、退鈣過程

如前所述北部灣為全新世海侵而形成,通過河流連通而形成北部灣陸-海體系。現采用各項要素比值來表示風化相對分離程度和風化過程(邵菁清和楊守業,2012; 毛沛妮等,2017)。分析可見與之前要素變化等相似,各類比值同樣以9.0 ka、4.0 ka為基本變化節點,再以6.0 ka、2.0 ka為亞節點出現轉折的階段性基本變化趨勢。(粉砂+黏土)/砂比值自6.0 ka以來以波動方式總體上升,表明風化加強和細顆粒的增加(圖 6a); 硅/鐵(SiO2/Fe2O3)比值自該點下降趨勢明顯,硅/堿比值(SiO2/(Na2O+K2O))總體降低,顯示區域含鈉鉀硅酸鹽長石的離解加強。鈉/鉀比值(NaO2/K2O)圍繞平均值線有所波動,顯示總體穩定,兩者溶解基本同步。化學蝕變指數CIA(Al2O3/(Al2O3+CaO*+Na2O+K2O),其中 CaO*扣除了碳酸鈣)呈現穩步上升,而淋溶系數((Na2O+K2O+CaO)/Al2O3)為穩步下降趨勢,表示高鈉、高鉀的鋁硅酸鹽巖類的鈉、鉀、鈣長石分解加快以及這類元素的溶解轉移,殘積系數((Al2O3+Fe2O3)/(CaO+MgO+Na2O))總體上升,表明含鐵鋁硅酸鹽巖類所含主要元素鈣、鎂、鈉分離加強以及鈣長石和鈉長石的持續離解(圖 6b-g); 由前可見CaO總體呈現下降趨勢,而MgO和P2O5則為相反,一定程度上指示區域鈣鎂碳酸鹽巖類和含磷石灰石分離,鈣元素淋溶流失,這亦使得鈣/鎂(CaO/MgO)比值總體維持降低趨勢,4.0 ka之后基本保持小幅波動,顯示兩者基本達到平衡狀態,而鈣/磷比值(CaO/P2O5)穩定降低表明磷元素進一步析出(圖6h-i)。∑比值(微量元素之和/平均值),其無單位線性化處理不改變其變化特征,可見其為穩定上升的富集趨向,除了硅酸鹽巖類,巖溶區石灰石和夾雜的硅酸鹽巖類亦含有微量元素Ba、Zn、Pb等,其分解、遷移和成壤對微量元素增加亦有貢獻。Sr在碳酸鹽巖類具有一定含量并為氣候變化敏感元素,其與∑(微量元素之和)比值降低亦指示了其溶解轉移特征(圖 6j,k)。碎屑礦物之中偶見磷灰石,亦能說明碳酸鹽巖類的風化及其殘留。以上指示出在降水增加的氣候模式作用之下巖石風化序列進程,即硅酸鹽巖類和碳酸鹽巖類原有固結的元素脫鈣退硅的淋溶、轉移以及富集過程。以上與前人研究結果基本一致,巖溶地區隨著降水和濕潤度增加而巖溶效應增強(汪良奇等,2014)。

4.2.4 碎屑礦物對風化的進一步指示

長石/石英總體可見圍繞平均值波動,4.0 ka之后出現較明顯下降趨勢,說明化學風化有所加快。北部灣陸區總體上是貧鐵區,赤鐵礦可來自水鐵礦→類磁鐵礦→赤鐵礦水成過程,較為頻繁降水而致的濕潤環境是促成地表土赤鐵礦的重要因素(李家熙和吳功建,1999; 江兆霞和劉青松,2016),高鎂鐵硅酸鹽巖石在水流沖蝕作用下亦應是赤鐵礦來源,這類來自陸區的外源性重礦物經徑流攜帶入海,同時以穩定性云母為主的輕礦物的減少表明其它礦物增加,重/輕礦物為氣候惡化階段 6.0～5.0 ka和2.0 ka之后兩段峰值區分布(圖6l-o)。風化礦物與碎屑礦物總量比值自6.0 ka氣候惡化階段開始明顯上升,并形成一個平臺式的高值區間波動形態(圖6p),根據海盆相鄰 SO-31巖芯的黏土礦物分布(崔振昂等,2017),指示濕潤氣候的高嶺石約自 8.7～3.4 ka呈現第一個上升階段,短暫下降之后再次呈現上升趨勢至今,同時由于水解減弱了伊利石結晶程度,所以變化趨勢相反而為下降,黏土礦物的形成亦使得風化礦物碎屑增加,該比值上升趨勢表明了在總體濕潤和溫度調控之下巖石化學風化和成壤加強。

圖6 STAT22巖芯風化指標分布Fig.6 Regional weathering indicators’ distribution of sediments core STAT22

4.2.5 植被多樣性

生物多樣性反映了其組分結構性以及系統穩定性。前面指出約于6.0 ka轉折點之后植被孢粉化石種類上升,其香農(Shannon-Wiener)生物多樣性指數H’同樣在全新世早中期偏低,平均為0.65,自上述轉折點之后明顯上升,平均為 1.24,較前者提高了91.70%。雖然總體上自轉折點上升于高值區間波動變化,但進一步來看其還存在階段性變化特征,即自 4.2 ka有所波動下降至2.0 ka達到階段性低點,爾后雖然波動幅度較大,但仍然可見以 6.0 ka、4.0 ka、2.0 ka三個基本節點,經歷了升-降-升三個主要旋回,但2.0 ka之后又存在兩個亞階段,即2.0 ka有所下降至1.0 ka階段性低點,爾后再次波動上升(圖 6q)。以上表明植被演進是趨向系統性改善的,林下蕨類茂盛的生境在平面上具有較大密度和擴展性,而垂向空間上以低矮植被和有所收縮為主,可適應晚三疊世和更新世以來構造運動造成的巖石隆起的突兀地形和山地崎嶇地形,以及碳酸鹽、硅酸鹽巖類及其沉積物松散、元素流失等原因較為貧瘠的養分。

4.3 地表重要響應階段

4.3.1 大暖期鼎盛期的強烈風化

從以上可見風化分解程度于6.0～5.2 ka波動性極強,表現為振幅大且頻繁,但總體平均值維持較高,該階段亦為即將結束轉折降溫的大暖期鼎盛,亦對應施雅風等指出的中國全新世氣候惡化轉折階段。實際上其波動性還具有全球特征,Bond周期于6.0～5.0 ka之間出現4號事件,其振幅達到全新世最大,全球還出現了古風暴、強烈風沙、滑坡等,顯示大氣環流轉換和地表強烈運動。在我國出現了特大古洪水等(王兆奪等,2018)。以上述階段和全新世的標準差相對變化來表示其波動情況,可見該階段大部分要素振幅較大:沉積物組分為45.65%～96.99%,粒度參數除了偏態為 14.00%,其余均超過 30.00%,為 34.99%～135.63%,顯示其靈敏響應性(表 4)。常量元素 SiO2、K2O、Na2O變化幅度低且略微降低之外,余下大部分元素 Al2O3、Fe2O3、CaO等均振幅較大,為22.60%～57.93%,表示陸源碎屑的保守性元素 TiO2達到了 22.60%。微量元素除了Ba和氧化還原性活躍的Cr受到亞環境影響變化低微之外,其余大部分變化明顯,為25.58%～57.30%(表4)。同時由于徑流加強和向海輸入加大,前述沉積速率明顯增加,海洋沉積效應顯著。

表4 STAT22巖芯6.0～5.2 ka氣候轉折階段粒度等的變化幅度Table 4 Granularity and others’ variability during climatic transition 6.0～5.2 ka of sediments core STAT22

4.3.2 “4.2 ka事件”影響探討

經過以上風化強烈期之后可見,沉積速率于5.2～4.2 ka大幅降低至全新世次低,僅略高于早期氣候恢復期,對比相鄰海盆中心SO-31巖芯(崔振昂等,2017),亦在相近期間同樣出現明顯低值,北部灣以北山地孢粉組合分析可辨識出具有干冷效應的“4.2 ka事件”(Li et al.,2019)。從以上分析亦可見(粉砂+黏土)/砂、硅堿比值、CIA、Cr元素等于5.0～4.0 ka出現較為明顯下降,尤其是碎屑礦物比值約于 5.0～4.0 ka形成明顯一個降低的凹形分布,說明該時期干冷氣候導致不穩定長石、輕礦物和重礦物等離解停滯,這應與“4.2 ka事件”有關。該事件雖然短暫,但為全新世重大古氣候災害事件,在全球造成降溫和中低緯度廣泛干旱。由于北部灣區域向海徑流大幅萎縮,沉積速率低微至 0.06 mm/a,海洋沉積效應滯緩。

4.3.3 晚全新世化學風化再次加強

隨著氣候環流經調整恢復之后,前述各項要素和指標隨即約自前述大暖期鼎盛期結束點4.0 ka開始,多以小幅波動呈現增加或降低的較為穩步和明確變化趨勢。采用要素線性趨勢擬合斜率相對于自身平均值的無量綱斜率表示變化程度,結果顯示,細顆粒粉砂和黏土、平均粒徑以及峰值斜率處于正值區間,而砂、分選系數處于負值區間,表明顆粒趨細、分選變好,偏態降低是因為頻率曲線移向細顆粒序列。主要陸源常量元素Al2O3、Fe2O3、P2O5、TiO2、Na2O斜率處于正值區間,為上升趨勢,陸源碎屑穩定成分TiO2為21.07/ka,而MgO、CaO、K2O、MnO為減少,顯示在淋溶作用下前一類元素析出富集,而后一類元素流失遷移(表5)。可指示區域廣泛分布的穩定性石英礦物的SiO2同樣為下降,其斜率處于負值區間。Sr同為轉移流失,其它陸源微量元素均為上升和富集(表5)。可見,經過以上大暖期鼎盛期的強烈風化,并受到短暫的“4.2 ka事件”影響有所滯緩之后,再次進入了較為穩定的化學風化階段,即降水、風化程度增加與降溫變化趨勢呈反相。同樣,相鄰東孟加拉灣Cuddalore近岸巖芯表明,約于4.0 ka降水開始增強趨勢,砂沉積物增加,CaCO3降低,河流侵蝕和輸入增加,是由于西南和東北季風交匯加強而使得降水增加(Keshav and Achyuthan,2015)。

表5 STAT22巖芯要素自4.0 ka以來變化斜率(1/ka)Table 5 Linear trend slopes of granularity and others from 4.0 ka of sediments core STAT22 (1/ka)

4.4 氣候模式對巖溶地區生態意義探討

由前分析可見現代植被承接全新世歷史植被的演進,中全新世之后降水增加對巖溶地區環境具有積極意義。在巖溶地區現代植被和降水頻率變化率偏相關系數高值區,暴雨對植被具有為明顯促進作用(李建國等,2020)。巖溶山區的植被類型以低矮灌叢占優(莫建飛等,2019),各類植被凈生產力其變異系數為 0.04,生產力差異性較小,較高植被覆蓋使得總碳等含量也較高(譚一波等,2019)。變溫兩棲動物對氣候波動和陸-水交界帶變化具有高度敏感性(王波等,2018),包括廣西的我國西南巖溶地區為其物種豐度高值區和集中區,降水量為其最大影響因子,可棲息巖溶、非巖溶地貌區兩棲物種比例接近50.00%,具有特異種較少、適應性較強特征以及喜蔭的演進習性,說明歷史氣候較為濕涼和降水區帶廣闊。巖溶地區森林降水比非巖溶周邊豐富,形成水-碳耦合循環又再加強森林生長和巖石化學元素溶蝕遷移(Kang et al.,2020)。對比西北部越南紅河三角洲喀斯特地區(O’Donnell et al.,2020),紅樹林以及適合石灰巖旱地植被自5.5 ka呈現增加趨勢并有所波動變化,總有機碳平均來看有所增加,土壤含水率曲線上升到一個高值區間; 自晚三疊世、中更新世中晚期至現代巖溶階段即全新世以來至今,區域正地貌侵蝕縮小降低,負地貌等變寬加深,地表和地下流系進一步形成有序性和體系性,并形成了高價值自然景觀(韋躍龍等,2018)。以上顯示降水等是巖溶區正向溶蝕的關鍵驅動因子,對植被和生態系統形成及其生產力具有促進作用,亦是石漠化逆過程之重要驅動因素。

4.5 海洋古生態響應

4.5.1 海洋古生產力變化趨勢

利用前述收集的本巖芯硅藻和有孔蟲數據,構建了古生產力等指標。由于降水加快了淋溶、河流下切和基巖侵蝕過程,海洋沉積速率自上述轉換點6.0 ka以來上升了1 406.60%,顯示通過入海河流水沙輸入的加大。Sr/Ba比值可指示古鹽度,其總體為降低趨勢,尤其是氣候格局轉換之后于4.0 ka開始在全新世最低值區間小幅波動并維持,顯示攜帶陸源物質近岸水系向海擴展并基本穩定(圖 7a),中南半島鄰區的東孟加拉灣河流輸入徑流量可由趨負的G.ruber有孔蟲δ18O所指示(Devendra et al.,2019),這同樣表示在區域降溫背景之下,冷氣團與南方暖濕空氣交匯擾動增加了降水。本巖芯的G.ruber的δ18O于6.0～4.0 ka出現正距平明顯的波動,并隨后出現明顯趨負,最后于4.0 ka在負距平區穩定并波動維持,同具區域降水和徑流增加的指示意義; 絡合了磷酸根、硝酸根等營養鹽的有機質等陸源物質輸入增加,加之有機質生物分解耗氧而使得氧化還原曲線偏向還原,并促使海水偏酸性(圖7b,c)。對比相鄰前述SO-31巖芯,自5.0 ka相近時間以來古TOC和古pH值均進入了新發展階段(階段V),變化趨勢分別為上升和下降; 陸源生源要素輸入增加促進了藻類等繁盛以及有孔蟲種類增加,浮游有孔蟲生產力種和古生產力指標 P/B呈現增加趨勢,尤其是自氣候轉折點 6.0 ka出現快速增加并波動變化(圖 7d,e),線性趨勢相對斜率依次為 0.08/ka、0.05/ka。浮游有孔蟲、硅藻香農多樣性指數H’同樣為明顯增加趨勢(圖 7f,g),相對斜率依次是0.07/ka、0.04/ka。北部灣東北部珊瑚礁的形成和維持于中全新世以來,除了海平面因素之外的陸源養分輸入亦為重要原因,北部灣以南的爪哇海全新世海洋古生產力提高與同樣陸源輸入有關,而非末次冰期那樣與涌升流有關(劉苗苗等,2011; Xu et al.,2017)。

圖7 STAT22巖芯海洋古生產力指標分布Fig.7 Marine palaeo-productivity indicators of sediments core STAT22

4.5.2 植被和海洋古生產力旋回關系

前述積溫在全新世基本完成了一個整體變化周期,區域地表巖石及其碎屑隨著完成了熱脹冷縮、化學風化等的改善和演進。孢粉、浮游有孔蟲、硅藻化石的多樣性指數為低值維持-升-降-升(總體)旋回變化,上述生產力種、P/B同樣如此,即古植物、古生物和古生產力三者是同步旋回的,由于植被和微體生物對氣候變化極為敏感,2.0 ka以來還可按照1.0 ka再劃分先降后升兩個亞旋回。這應是區域植被促進了有機質和生源營養要素生產,并通過河流向海輸送而引致海洋生物快速響應,化學元素方面雖然旋回相位有所不同,但總體結果仍然均是化學風化、古生產力等總體改善。前人諸多研究表明,生產力-植被多樣性存在無關、正相關、負相關三種關系,以上可見北部灣陸區古植被多樣性、海洋(微體)古生物、海洋古生產力三者之間有正相關關系。

4.5.3 陸-海體系生態響應旋回機制

促進地表過程基本條件的光、熱源于太陽輻射外營力,中全新世以來太陽輻射雖然降低但基本趨于穩定,而降水為地表大氣過程,結合以上δ18O、植被、粒度、化學要素等可知,區域通過光、熱、濕基礎條件的適宜配置,加上熱脹冷縮效應而進一步加快了巖石離解風化,最終實現物質遷移和再分配并提高植被多樣性和古生產力(表 6)。總體可見,化學風化旋回為弱-強-弱(“4.2 ka事件”影響)-強,還可見到植被多樣性、海洋古生產力亦在上述基本旋回框架之下(表6)。以上旋回結果是化學風化和植被等總體呈現加強和改善趨勢,并且是在太陽外營力周期運作和氣候調節之下有序地進行。

表6 北部灣陸-海體系地表過程基本旋回發展Table 6 Primary continent-marine complex’s cycles in Beibu Gulf based on sediments core STAT22

4.5.4 北部灣與中國陸區古生產力對比

中國植被與大氣相互作用模式得出陸區古生產力于6.0 ka前后為高值(何勇等,2005),自中全新世以來由于西風帶推進,中國北方地區晚全新世沙漠化進程較中全新世總體為擴大趨勢(李智佩等,2007),湖泊及周邊經歷了咸化和鹽堿化,中國陸區總體生態系統碳儲量下降23.00%,北方季風邊緣區達理湖TOC、TN總體明顯下降(遇蕾和任國玉,2008;Fan et al.,2017)。由以上孢粉組合并結合前人分析表明,北部灣區域分布了草地類、落葉闊葉林、混交林、常綠和落葉針葉林、熱帶雨林,而這類植被凈初級生產力介于 200～545 gC/m2·a區間(何勇等,2005; 夏真等,2019),總體上是具有較高生產力的,而海洋古生產力亦同步提高。北半球濕度曲線自5.0 ka以來有下降趨勢(Woods et al.,2019),我國西風帶區和季風邊緣區湖泊于早、中全新世達到濕度峰值隨即開始明顯降低(郭超等,2014),而北部灣區域由于前述氣候模式演進而使得降水增加和植被改善,從而北部灣陸-海體系對提高我國全新世乃至現代生產力作出貢獻。

4.5.5 北部灣與南海北部古生產力旋回關系

南海古生產力自中晚更新世以來顯示為冰期較高、間冰期較低的旋回特征(李鶴等,2017),而北部灣同樣表現為早、中全新世期氣候偏暖的間冰期偏低,而中全新世降溫進入新冰期以來升高,其相似之處使得北部灣成為南海北部古生產力體系的一個亞尺度子系統,這與地處熱帶和亞熱帶的南海北部陸架作為海陸過渡界面和陸源物質輸入帶有關。根據顆石藻Florisphaera profunda模型推算的全球低緯度海域全新世凈初級生產力分布(Hernandez-Almeida et al.,2019),6.0 ka以來南海及以南的印-太海域其分布等級均偏低,而其它海域出現較高等級,這是由于熱帶海洋南海以貧營養鹽和極微藻類結構為特征,但南海擴張而形成的北部灣陸架淺海自中全新世以來古生產力是提高的。

5 結論

全新世北部灣物源具有陸源性,可劃分出三個基本氣候階段,其中約以6.0 ka為界的氣候模式為先干后濕,并逐步形成了印度和東亞夏季風與西風帶南緣交匯之處,從而使得系統化降水條件加強。陸-海體系風化、植被、海洋古生產力等以氣候階段中的9.0 ka、4.0 ka作為基本節點,并結合6.0 ka、2.0 ka亞節點進行波動旋回,該四個節點亦為全新世全球和區域氣候變化重要分界點。

氣溫波動變化首先是具有熱脹冷縮物理效應,為加快化學風化打下基礎,降水增加使得化學風化、淋溶增強和植被多樣性提高,進一步驅動區域硅酸鹽和碳酸鹽巖類退堿脫硅成壤進程,表現為鋁、鐵、磷等富集而硅、鈣等為流失轉移。海洋古生產力與植被旋回相對應,為低–高–低–高旋回,總體上為增強和改善,亦表明海洋與陸區聯系密切和響應快速。北部灣成為南海北部古海洋生態體系的一個重要組成部分,并為現代海洋生物資源豐富奠定了基礎。

以上地表過程是在太陽輻射迫脅力、氣候模式的共同調控之下有序地進行。全新世以來區域植被經歷了豐度、屬種波動衰榮變化,而主要屬種隨時間呈現連續變化特征,兆示頻繁氣候波動形成的環境競爭條件下之進化,亦是維系北部灣區域生態環境的基礎屬種。

致謝:感謝中國地質調查局“海南島東北部沿海地區綜合地質調查”、“南海北部灣全新世環境演變及人類活動影響研究”項目組提供了樣品材料和分析鑒定數據。

Acknowledgements:

This study was supported by China Geological Survey (Nos.20190308 and 1212010914027).