近1 Ma 以來(lái)帕里西維拉海盆沉積物物源和古氣候:粒度和黏土礦物特征的指示

肖春暉，王永紅，林間

1.海底科學(xué)與探測(cè)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國(guó)海洋大學(xué)海洋地球科學(xué)學(xué)院，山東青島 266100 2.美國(guó)伍茲霍爾海洋研究所，馬薩諸塞 伍茲霍爾 02543 3.中國(guó)科學(xué)院南海海洋研究所，廣州 510301

0 引言

西太平洋邊緣海具有典型且復(fù)雜的溝—弧—盆地形體系，其獨(dú)具特色的構(gòu)造、地形和沉積作用及三者的關(guān)系日益受到關(guān)注[1-2]。帕里西維拉海盆地理位置特殊，它東臨西馬里亞納海脊，南部是復(fù)雜的溝弧和斷裂帶系統(tǒng)，西連帕勞海脊，北接四國(guó)海盆，然而索夫干斷裂基本阻擋了海盆的東部接受北部的沉積物源（圖1），使之成為一個(gè)近乎封閉的海盆。海盆平均水深4 800 m 左右，普遍位于碳酸鹽補(bǔ)償深度之下[3]。由于復(fù)雜地形的影響，海盆內(nèi)缺乏陸源物質(zhì)，是邊緣海陸源碎屑沉積物缺乏區(qū)域，因而研究該盆地的物質(zhì)來(lái)源有助于認(rèn)識(shí)西太平洋復(fù)雜地形控制下的深水沉積過(guò)程。

圖1 研究區(qū)樣品位置圖Fig.1 Location of study area

另外，帕里西維拉海盆位于東亞冬季風(fēng)的下風(fēng)向，季風(fēng)影響明顯，海盆由于較少受到陸源碎屑物質(zhì)的影響，同時(shí)由于海盆沉積速率較慢[2,4-5]，缺乏海底滑塌沉積或濁流沉積，較少受到周邊海山或海脊物質(zhì)稀釋和底層洋流侵蝕作用的干擾，海盆深水區(qū)沉積物中風(fēng)塵組分通量最能代表亞洲大陸風(fēng)塵對(duì)研究區(qū)的實(shí)際貢獻(xiàn)量[6]，因而研究區(qū)是研究風(fēng)塵源區(qū)氣候干濕程度以及東亞冬季風(fēng)強(qiáng)度演變過(guò)程的理想場(chǎng)所。深海沉積物的粒度組成是追蹤物源和古氣候變化的重要依據(jù)。大陸風(fēng)塵經(jīng)過(guò)長(zhǎng)距離搬運(yùn)最后沉積于深海海盆，其粒度組成通常介于2~16 μm，尤其集中在2~4 μm，與遠(yuǎn)洋沉積物的粒度特征具有明顯的差異，因此可以通過(guò)粒度參數(shù)來(lái)識(shí)別深海沉積中的風(fēng)塵物質(zhì)[7]。前人已經(jīng)利用該指標(biāo)成功在西太平洋[8-9]、北在太平洋中部[10]以及西北太平洋帕里西維拉海盆西部[11]等深海環(huán)境的沉積物中建立了晚新生代以來(lái)風(fēng)塵組分粒度參數(shù)與亞洲內(nèi)陸氣候和東亞冬季風(fēng)強(qiáng)度之間的關(guān)聯(lián)。黏土礦物是海洋沉積物中的重要組成部分，它們主要由母巖在特定的古環(huán)境下風(fēng)化而成，由于其具有顆粒細(xì)小、類質(zhì)替換等特性，保存了各種地質(zhì)信息，對(duì)物源判別具有重要指示意義[12-16]。

我國(guó)在菲律賓海以及帕里西維拉海盆的研究雖然起步較晚，但目前在物源、古氣候、古海洋及構(gòu)造方面的研究在國(guó)際上具有一定的優(yōu)勢(shì)[5-6,17-27]。目前結(jié)果表明，帕里西維拉海盆中沉積物的來(lái)源可分為盆內(nèi)來(lái)源和盆外來(lái)源兩部分，其中盆內(nèi)的物源主要來(lái)自周圍島弧和海脊的火山物質(zhì)，而盆外物源主要為海流輸送的物質(zhì)以及陸源風(fēng)塵物質(zhì)經(jīng)過(guò)水柱沉降到達(dá)海底[11,28-32]。前人關(guān)于海洋沉積的研究多集中在帕里西維拉海盆西部[2,11,28-31,33]，鮮有學(xué)者涉及海盆東部地區(qū)。本文利用帕里西維拉海盆東部的新柱狀樣沉積記錄，基于古地磁年代地層，以粒度和黏土礦物參數(shù)為替代性指標(biāo)，研究了1 Ma 以來(lái)亞洲風(fēng)塵物質(zhì)輸入量與東亞冬季風(fēng)的階段性演化特征，為研究更新世以來(lái)東亞大陸古氣候演化提供更多證據(jù)，也為探討深海的沉積過(guò)程提供了基礎(chǔ)資料。

1 材料方法

本文研究的C-P19重力柱狀樣（12.81°N，140.83°E）由“實(shí)驗(yàn)3”考察船于2016 年冬季航次取得，水深4 171 m，位于西太平洋帕里西維拉海盆東南部（圖1）。C-P19柱狀樣沉積物為黃褐色—褐色—棕褐色深海黏土，其顏色隨深度增加而增加，上部沉積物含水量高，向下隨著沉積物顏色加深，含水量也隨之減少，沉積物壓實(shí)至致密。柱狀樣總長(zhǎng)度為378 cm，除去頂部缺失和底部擾動(dòng)的樣品，實(shí)際用于研究的樣品長(zhǎng)度為372 cm。將柱狀樣縱向?qū)Π肫书_(kāi)，然后用2 cm×2 cm×2 cm的塑料立方體小盒在巖心的新鮮面上進(jìn)行連續(xù)定向取樣，取樣間隔為2 cm，共取得樣品184個(gè)。

1.1 磁化率各向異性（AMS）測(cè)量

使用MFK1-FA Kappabridge 磁力儀測(cè)量了全部樣品（N=184）的磁化率各向異性（AMS），并計(jì)算了磁各向異性度（P=K1/K3）、形狀參數(shù)[T=（K2-K1-K3）∕（K1-K3）]、磁線理（L=K1/K2）和磁面理（F=K2/K3）等參數(shù)。其中，K1代表磁化率各向異性橢球的最大軸，K2是中間軸，K3為最小軸。AMS 測(cè)量在中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所古地磁與年代學(xué)實(shí)驗(yàn)室完成。

1.2 古地磁測(cè)量

古地磁測(cè)量在中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所古地磁與年代學(xué)實(shí)驗(yàn)室完成，測(cè)量?jī)x器為2G-760 U-Channel 型低溫超導(dǎo)磁力儀，儀器靈敏度為2×10-12Am2。為了排除地球磁場(chǎng)的干擾，保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確和可靠，所有實(shí)驗(yàn)均在最大磁場(chǎng)小于300 nT 的磁屏蔽屋內(nèi)進(jìn)行。

首先對(duì)所有樣品進(jìn)行天然剩磁（NRM）測(cè)量，然后對(duì)樣品分15步進(jìn)行逐步交變退磁（退磁步驟分為0、5、10、15、20、25、30、35、40、45、50、55、60、70和80 mT）和剩磁測(cè)量。古地磁數(shù)據(jù)處理使用PaleoMag 軟件，選擇標(biāo)準(zhǔn)為連續(xù)5 個(gè)退磁點(diǎn)，最大角偏差（Maximum Angular Deviation，MAD）小于10°時(shí)，共183個(gè)（99.5%）樣品獲得了穩(wěn)定的特征剩磁。最大角偏差由磁偏角和磁傾角聯(lián)合計(jì)算得出，MAD越小，說(shuō)明擬合獲得的沉積剩磁方向越穩(wěn)定，為了確保數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠，本文已剔除了MAD＞15°的數(shù)據(jù)。

1.3 粒度分析

對(duì)帕里西維拉海盆C-P19 柱狀樣的184 個(gè)樣品進(jìn)行了粒度分析。為了盡可能提取陸源信息，避免鈣質(zhì)、硅質(zhì)生物的干擾，樣品上機(jī)測(cè)試前需要進(jìn)行預(yù)處理，具體方法如下：取約0.3 g樣品放入15 mL離心管中，依次加入超純水、H2O2溶液（15%）、冰乙酸溶液（20%）和2.0 mol∕L 的Na2CO3溶液，分別去除沉積物中的海鹽、有機(jī)質(zhì)、碳酸鹽和生物硅組分。最后，上機(jī)測(cè)試前加入5 mL 六偏磷酸鈉（0.05 mol∕L）分散樣品，防止發(fā)生絮凝。

粒度分析使用Mastersizer-2000型（英國(guó)）激光粒度儀，粒級(jí)間距為1∕4φ，重復(fù)測(cè)量的相對(duì)誤差小于2%。本研究選擇平均粒徑（Mz）、分選系數(shù)（σ1）、偏度（Sk1）和峰度（KG）4個(gè)粒度參數(shù)，采用McManus 矩法[34]計(jì)算。所有樣品的粒度測(cè)量工作在海底科學(xué)與探測(cè)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成。

1.4 黏土礦物分析

本文對(duì)184 個(gè)C-P19 柱狀樣沉積物樣品進(jìn)行黏土礦物提取，由于樣品量少且沉積物中黏土組分含量較低，僅106 個(gè)樣品成功地提取出了黏土礦物，其深度主要集中在0~300 cm，300 cm以下僅4個(gè)樣品成功提取出黏土礦物。黏土礦物的提取和定向薄片的制作在中國(guó)海洋大學(xué)海底科學(xué)與探測(cè)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成，X射線衍射分析測(cè)試在中國(guó)科學(xué)院青島生物能源與過(guò)程研究所公共實(shí)驗(yàn)室完成。黏土礦物的分離提取是依據(jù)文獻(xiàn)[35]中的差速離心法，然后采用滴片法制成定向薄片，待其自然風(fēng)干后置于含有乙二醇溶液的干燥器中，55 ℃飽和24 h 以后上機(jī)測(cè)試，測(cè)試儀器為D8 Advance型（德國(guó)）X射線衍射儀。

黏土礦物相對(duì)含量的半定量計(jì)算是利用jade6.5軟件在乙二醇曲線上進(jìn)行的。使用乙二醇曲線上蒙脫石（17 ?）,伊利石（10 ?）、綠泥石和高嶺石（7 ?）的衍射峰峰面積與其強(qiáng)度因子相乘，其強(qiáng)度因子分別為1、4和2；再?gòu)木G泥石（3.54 ?）和高嶺石（3.58 ?）的強(qiáng)度值求得綠泥石和高嶺石的含量比例，根據(jù)其各自強(qiáng)度系數(shù)，將四種主要黏土礦物的特征峰峰面積之和校正為100%，來(lái)計(jì)算各自的相對(duì)含量。在乙二醇曲線上，伊利石的結(jié)晶度可以用伊利石（10 ?）衍射峰的半峰寬（FWHM）來(lái)表示，蒙脫石的結(jié)晶度則由蒙脫石（17 ?）衍射峰的半峰寬（PWHM）來(lái)表示。結(jié)晶度數(shù)值越低，說(shuō)明結(jié)晶度越好；蒙脫石豐度（S∕I）為蒙脫石（17 ?）強(qiáng)度和伊利石（10 ?）強(qiáng)度的比值，可以反映二者的相對(duì)重要性。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 古地磁結(jié)果

2.1.1 AMS結(jié)果

AMS可以判斷沉積物沉積后泥沙擾動(dòng)存在的可能性[36]，為了建立準(zhǔn)確可信的磁性地層年代，對(duì)所有樣品的磁化率各向異性（N=184）進(jìn)行了測(cè)量。C-P19柱狀樣的AMS結(jié)果如圖2所示，最大軸（K1）傾角主要集中在0°~10°，平均為7.2°，沿水平面分布，最小軸（K3）傾角主要集中在70°~90°，平均74.6°，基本垂直于水平面（圖2a）。磁線理（L）和磁面理（F）（圖2b）以及形狀參數(shù)（T）與各向異性度（P）（圖2c）的關(guān)系圖表明樣品磁化率橢球以扁橢球?yàn)橹?。此外，C-P19柱狀樣頂、底部樣品的K1軸和K3軸傾角分布范圍集中，曲線整體呈平穩(wěn)變化且無(wú)異常突變（圖2d）。

圖2 C-P19 低頻磁化率各向異性結(jié)果（a）AMS數(shù)據(jù)的下半球等面積投影；（b）磁線理（L）和磁面理（F）的相關(guān)圖；（c）形狀參數(shù)（T）和磁各向異性度（P）的相關(guān)圖；（d）最大軸（K1）和最小軸（K3）傾角分布圖。粉色圓圈、綠色三角和藍(lán)色正方形分別表示最大軸（K1）、中間軸（K2）和最小軸（K3）的磁化率方向。Fig.2 Anisotropy of low-frequency magnetic susceptibility (AMS) results from Core C-P19(a)lower hemisphere equal-area projections of AMS data;(b)plot of lineation(L)vs.foliation(F);(c)plot of shape parameter(T)versus anisotropy degree(P);and(d)plot of inclinations of the maximum (K1) and minimum (K3) axes. Pink circles, green triangles and blue squares represent directions of maximum (K1), intermediate (K2) and minimum(K3)susceptibility,respectively

上述AMS結(jié)果表明，C-P19柱狀樣沉積物大部分樣品具有典型的未擾動(dòng)原生沉積的組構(gòu)特征[36-37]，因而據(jù)此柱狀樣古地磁結(jié)果建立的磁性地層年齡也是正確且可靠的。

2.1.2 交變退磁結(jié)果

交變退磁結(jié)果得到了所有樣品的特征剩磁方向，不同深度的樣品均可在10~60 mT 分離出穩(wěn)定的特征剩磁。退磁投影圖顯示（圖3）多數(shù)樣品從10 mT開(kāi)始，便可獲得穩(wěn)定的特征剩磁，且退磁曲線呈現(xiàn)出向原點(diǎn)擬合的線性變化趨勢(shì)，隨著退磁場(chǎng)強(qiáng)度遞增，樣品的剩余磁化強(qiáng)度逐漸下降，大部分樣品在交變退磁場(chǎng)強(qiáng)度為60 mT時(shí)已經(jīng)退去天然剩磁的80%，甚至更多，說(shuō)明退磁結(jié)果理想且可靠。

圖3 典型樣品的交變退磁曲線Fig.3 Typical orthogonal component plots for the samples

2.1.3 C-P19柱狀樣古地磁年齡框架和沉積速率

選擇183個(gè)樣品用于建立C-P19柱狀樣極性柱，由于重力柱狀樣品在取樣過(guò)程中，無(wú)法進(jìn)行水平定向，只能對(duì)頂、底方向進(jìn)行標(biāo)識(shí)，所以樣品的磁偏角不具有實(shí)際意義，故而本文僅用磁傾角來(lái)建立磁極性柱。C-P19柱狀樣的極性柱，共確定了2個(gè)正極性段（N1、N2）和1個(gè)負(fù)極性段（R1）。

前人研究表明[38-42]，自12 Ma 以來(lái)帕里西維拉海盆停止擴(kuò)張且第四紀(jì)以來(lái)處于持續(xù)緩慢沉降中，沉積連續(xù)且相對(duì)穩(wěn)定，不存在地層缺失的情況，因而極性柱也是完整的連續(xù)沉積[2,4]。在上述前提下，將本次研究獲取的極性結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)地磁極性年表（Geomagnetic Polarity Time Scale,GPTS）[43]進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明，C-P19柱狀樣的兩個(gè)正極性段（N1、N2）與GPTS的C1n、C1r.1n正極性組合之間吻合良好，負(fù)極性段R1與GPTS的C1r.1r段相對(duì)應(yīng)。C-P19柱狀樣的底界位于C1r.1n內(nèi)，其年齡應(yīng)小于1.072 Ma[44]（圖4）。

圖4 C-P19 柱狀樣的磁性地層框架與GTS12[43-44]對(duì)比圖N表示正常極性，R表示反轉(zhuǎn)極性，L:Laschamp;Bl:Blake;I:Iceland Basin;P:Pringle Falls;Bi:Big Lost;St:Stage 17;K:Kamikatsura;S:Santa Rosa;J:Jaramillo。圖中Kamikatsura和Santa Rosa極性事件的年齡據(jù)文獻(xiàn)[44]繪制Fig.4 Magnetostratigraphy of core C-P19 correlated with GTS12[43-44]Normal polarity intervals labeled N;reverse polarity intervals labeled R.L=Laschamp;Bl=Blake;I=Iceland Basin;P=Pringle Falls;Bi=Big Lost;St=Stage 17;K=Kamikatsura;S=Santa Rosa;J=Jaramillo.Ages of Kamikatsura and Santa Rosa polar events from reference[44]

根據(jù)上述對(duì)比方案，C-P19 柱狀樣的B∕M 界限（0.78 Ma）位于282 cm處，0~282 cm段，為正極性，與布容極性時(shí)（Brunhes）相對(duì)應(yīng)；282~374 cm 段，以負(fù)極性為主，與松山極性時(shí)（Matuyama）相對(duì)應(yīng)，期間包含深度為366~374 cm 段的正極性時(shí)，屬于賈拉米洛（Jaramillo）亞極性時(shí)[43]，柱狀樣底界也位于C1r.1n內(nèi)，年齡小于1.072 Ma，為更新世以來(lái)的沉積。布容時(shí)期（A 段）的沉積厚度為2.82 m，沉積速率為3.6 mm∕ka，松山反極性時(shí)（B 段）內(nèi)沉積厚度為0.92 m，沉積速率為4.0 mm∕ka，整根柱狀樣的平均沉積速率約3.7 mm∕ka。

2.2 C-P19柱狀樣粒度分析結(jié)果

根據(jù)Shepard 沉積物分類方案，C-P19 柱狀樣沉積物多屬于粉砂和砂質(zhì)粉砂，少部分樣品屬于黏土質(zhì)粉砂，個(gè)別樣品屬于粉砂質(zhì)砂（圖5）。柱狀樣沉積物平均粒徑整體波動(dòng)較大，介于5.3~86.8 μm，平均值為20.0 μm；分選系數(shù)的變化范圍介于1.1~2.9，平均值為1.6，分選較差；偏態(tài)的整體變化介于-0.5~0.1，平均值為-0.3，為負(fù)偏；峰態(tài)變化范圍為0.7~1.4，平均1.1，峰態(tài)呈中等—窄（表1）。

圖5 Shepard 沉積物分類三角投點(diǎn)圖Fig.5 Shepard sediment classification triangle plot

根據(jù)沉積物各個(gè)粒度參數(shù)的垂向變化特征，C-P19柱狀樣可以被清晰的劃分為A、B、C、D、E五段（圖6、表1）。

圖6 帕里西維拉海盆C-P19 柱狀樣的粒度參數(shù)垂向分布特征Fig.6 Vertical plot of grain size parameters for core C-P19, Parece Vela Basin

表1 帕里西維拉海盆C-P19柱狀樣粒度參數(shù)統(tǒng)計(jì)表Table 1 Grain size parameters of core C-P19 in the Parece Vela Basin

E 段（312~374 cm）：沉積物以砂質(zhì)粉砂為主，含部分粉砂，該段粒度最粗，砂含量也最高，且波動(dòng)范圍較大，介于13.3~53.1%，平均31.0%，黏土含量始終處于較低水平，平均8.5%，無(wú)明顯波動(dòng)。沉積物的平均粒徑介于21.9~86.8 μm，平均32.6 μm，分選系數(shù)波動(dòng)較大，且分選差，偏度為負(fù)偏，峰態(tài)呈中等峰態(tài)。該段沉積物的粒度頻率曲線呈多峰（圖7i，j）。

圖7 帕里西維拉海盆C-P19 柱狀樣樣品粒徑分布的體積百分比(a，b)為A段代表樣品；(c，d)為B段代表樣品；(e，f)為C段代表樣品；(g，h)為D段代表樣品；(i，j)為E段代表樣品Fig.7 Percentage by volume of particle size, core C-P19, Parece Vela Basin, for representative samples from:(a, b) interval A; (c, d) interval B; (e, f) interval C; (g, h) interval D; and (i, j) interval E

D段（232~312 cm）：沉積物主要為砂質(zhì)粉砂和粉砂，粒度較E 段略細(xì)，砂含量也明顯減小，但波動(dòng)范圍仍較大，黏土含量與E段相近，仍穩(wěn)定地處于較低水平，而粉砂含量明顯增加，平均可達(dá)72.0%。該段沉積物的平均粒徑介于20.1~41.1 μm，平均28.6 μm，分選差，偏度呈極負(fù)偏，峰態(tài)呈窄峰態(tài)。該段沉積物的粒度頻率曲線與E 段相似，也呈多峰分布（圖7g，h）。

C 段（160~232 cm）：沉積物以粉砂為主，偶見(jiàn)黏土質(zhì)粉砂和砂質(zhì)粉砂，該段沉積物的粒度明顯較D、E 段細(xì)，平均砂含量降至9.9%，粉砂含量增加，高達(dá)79.1%，黏土含量略增，平均11.0%。沉積物平均粒徑介于7.3~29.3 μm，平均19.4 μm，分選差，偏度呈極負(fù)偏，峰態(tài)呈窄峰態(tài)。該段沉積物的粒度頻率曲線呈雙峰（圖7e）和多峰（圖7f）分布。

B段（24~160 cm）：該段沉積物的粒度最細(xì)，以粉砂為主，含部分黏土質(zhì)粉砂，砂含量最小，平均僅5.4%，粉砂平均含量可高達(dá)79.1%，黏土平均含量也增至15.5%。沉積物平均粒徑介于5.3~31.0 μm，平均13.5 μm，分選差，偏度呈負(fù)偏，峰態(tài)呈中等峰態(tài)。該段沉積物的粒度頻率曲線呈雙峰（圖7c）和多峰（圖7d）分布。

A段（4~24 cm）：A段沉積物粒度再次變粗，以砂質(zhì)粉砂為主，含部分黏土質(zhì)粉砂，粉砂含量明顯減少，平均為56.3%，而平均砂含量增至22.4%，該段的黏土含量最高，平均21.2%。沉積物的平均粒徑介于10.6~27.7 μm，平均16.3 μm，該段分選最差，偏度呈負(fù)偏，峰態(tài)呈寬峰態(tài)。該段沉積物的粒度頻率曲線呈多峰（圖7a，b）分布，但與前四段相比，可見(jiàn)明顯不同。

2.3 C-P19柱狀樣黏土礦物分析結(jié)果

帕里西維拉海盆C-P19 柱狀樣中黏土礦物含量主要以伊利石為主，整根柱樣的平均值為59.1%，蒙脫石次之，為21.3%，二者含量隨深度變化的垂向曲線呈鏡像分布（圖8），綠泥石和高嶺石的平均含量均較低，分別為13.5%和6.1%。伊利石結(jié)晶度平均0.27，結(jié)晶度較高，說(shuō)明其源區(qū)氣候寒冷，且水解作用弱，一般指示陸地來(lái)源；伊利石風(fēng)化指數(shù)的平均值為0.20，遠(yuǎn)小于0.5，指示其經(jīng)歷了較強(qiáng)的物理風(fēng)化過(guò)程（表2）。分析C-P19柱狀樣沉積物各黏土礦物含量、結(jié)晶度及相關(guān)參數(shù)的垂向分布特征發(fā)現(xiàn)，C-P19柱狀樣沉積物的黏土礦物變化特征也可以劃分為與之前粒度參數(shù)相吻合的五段（圖8）。

圖8 帕里西維拉海盆C-P19 柱狀樣沉積物的黏土礦物參數(shù)垂向分布特征Fig.8 Vertical distribution of clay mineral parameters, core C-P19 sediments, Parece Vela Basin

表2 C-P19柱狀樣黏土礦物含量及礦物學(xué)特征Table 2 Clay mineral content and mineralogical characteristics for core C-P19

E 段（312~374 cm）：由于該段粒度最粗，且黏土含量非常少，僅一個(gè)樣品（342 cm 處）成功提取出了黏土礦物，其結(jié)果顯示該段黏土礦物以蒙脫石和伊利石為主，其中蒙脫石含量較高，可達(dá)48.5%，伊利石含量略低于蒙脫石，為41.8%，而綠泥石和高嶺石含量總和占比低于10%。

D 段（232~312 cm）：該段各曲線均呈現(xiàn)較大波動(dòng)，蒙脫石含量呈明顯遞減趨勢(shì)，伊利石變化與之相反，綠泥石含量明顯增加，高嶺石含量波動(dòng)明顯，較E段略增。伊利石結(jié)晶度波動(dòng)較小，且結(jié)晶度好，伊利石化學(xué)指數(shù)和S∕I曲線波動(dòng)頻繁且振幅較大。

C 段（160~232 cm）：該段各曲線仍波動(dòng)明顯，但波動(dòng)范圍和幅度較D段有所減小。各黏土礦物曲線波動(dòng)頻繁，除蒙脫石含量減少外，其余三種黏土礦物的含量均略增。伊利石結(jié)晶度和化學(xué)指數(shù)波動(dòng)幅度增加，但均值仍與D 段相近，S∕I 均值在該段最小，說(shuō)明伊利石在C段所占比重最大。

B段（24~160 cm）：該段各曲線波動(dòng)頻繁，蒙脫石和伊利石周期性旋回明顯，且二者互為鏡像，綠泥石和高嶺石含量相對(duì)穩(wěn)定，無(wú)明顯的大幅波動(dòng)，伊利石結(jié)晶度和化學(xué)指數(shù)波動(dòng)頻繁，但振幅較小，均值與C段接近，S∕I逐漸增大，說(shuō)明蒙脫石含量開(kāi)始回增。

A段（4~24 cm）：該段曲線波動(dòng)幅度較小，蒙脫石含量繼續(xù)增加，伊利石和綠泥石含量略減，該段伊利石結(jié)晶度和化學(xué)指數(shù)明顯增加，S∕I 變化趨勢(shì)與蒙脫石曲線一致。

3 討論

3.1 物源分析

3.1.1 粒度特征對(duì)帕里西維拉海盆物質(zhì)來(lái)源的指示

粒度特征一般是多種沉積物來(lái)源、搬運(yùn)介質(zhì)以及沉積動(dòng)力過(guò)程混合作用的結(jié)果，基于降低維度邏輯，從混合背景中提取出單組信息組分是用粒度特征來(lái)解讀沉積物運(yùn)移機(jī)制以及古環(huán)境演化的關(guān)鍵所在。

本文選用SPSS 軟件，對(duì)全部粒徑區(qū)間的粒度參數(shù)進(jìn)行主成分分析，其主旨是利用降低維度的方法將聯(lián)系密切的粒級(jí)成分組合成一個(gè)綜合因子，然后再具體分析各個(gè)粒度因子對(duì)全部粒級(jí)的貢獻(xiàn)大小，貢獻(xiàn)較大的因子為主要因子，該因子所包含的粒級(jí)范圍作為沉積環(huán)境最敏感的粒級(jí)組分，通常是眾多粒級(jí)的綜合[45]。因子分析可行性檢驗(yàn)表明，C-P19柱狀樣沉積物的粒度參數(shù)適用于因子分析，其分析結(jié)果如表3所示。

表3 C-P19柱狀樣沉積物粒度因子結(jié)構(gòu)分析Table 3 Grain-size factor analysis, core C-P19

由上表可知，C-P19柱狀樣提取出了兩個(gè)粒度因子F1：1~9 μm 和F2：125~500 μm，其中F1 控制了48.6%的粒度變化特征，F(xiàn)2控制了28.8%的粒度變化特征，這兩個(gè)主控粒度因子反映粒度總體變化規(guī)律的77.5%，其他3個(gè)因子貢獻(xiàn)率相對(duì)較小，不予討論?；谇叭薘b-Sr 和Nd 同位素研究結(jié)果，帕里西維拉海盆沉積物是由同位素特征截然不同的兩種來(lái)源物質(zhì)的二端元混合物，其一為亞洲風(fēng)塵，另一個(gè)則是新生島弧來(lái)源的火山物質(zhì)[11,28]。因此我們推測(cè)F2 因子（粒徑范圍在125~500 μm）主要代表了火山物質(zhì)剝蝕后的粗粒巖屑和較大粒徑的碎屑礦物顆粒經(jīng)過(guò)上部水體懸浮過(guò)程然后沉降到盆地；而F1因子（粒徑范圍在1~9 μm）除了包括來(lái)源于亞洲大陸的風(fēng)塵以外還可能包含部分細(xì)?；鹕皆次g變或水解后的產(chǎn)物，前人研究表明，適合長(zhǎng)距離經(jīng)風(fēng)輸送的顆粒粒徑一般小于16 μm[46]，特別集中在2~4 μm[7,11]，但F1 因子48.6%的貢獻(xiàn)率中2~4 μm的亞洲風(fēng)塵與其余細(xì)組分火山源蝕變物質(zhì)之間所占貢獻(xiàn)比尚無(wú)法明確。

綜合前述黏土礦物分析結(jié)果可知，整根柱樣的黏土含量平均值為12.1%，其中約60%為指示陸源的伊利石，F(xiàn)2因子中的大部分貢獻(xiàn)源自火山物質(zhì)，所以2~4 μm 的亞洲風(fēng)塵組分對(duì)研究區(qū)的物質(zhì)來(lái)源貢獻(xiàn)較小。

3.1.2 黏土礦物特征對(duì)帕里西維拉海盆物質(zhì)來(lái)源的指示

黏土礦物是海洋沉積物的重要組成部分，主要受控于它的物源區(qū)、源區(qū)氣候和運(yùn)移機(jī)制（風(fēng)、洋流等）[47]，因而黏土礦物特征可以用來(lái)指示海洋沉積物的源區(qū)信息、氣候變化和搬運(yùn)途徑。

（1）伊利石+綠泥石

伊利石和綠泥石均在堿性環(huán)境下形成，并且易于在寒冷且干旱的（如冰川、沙漠等地區(qū)）氣候條件下保存[47]。前人研究顯示，深海沉積物中的伊利石和綠泥石大多數(shù)是陸源碎屑成因，經(jīng)由河流或風(fēng)輸運(yùn)至海洋中沉積所致[48]。

本研究區(qū)內(nèi)伊利石+綠泥石的平均含量可高達(dá)70%~80%，是本區(qū)黏土礦物組成中最重要的組分。由于海洋沉積物中的伊利石和綠泥石幾乎都來(lái)自陸源碎屑物質(zhì)[49]，所以我們對(duì)周邊的可能源區(qū)做了進(jìn)一步分析。菲律賓島嶼黏土礦物中的伊利石平均含量低于25%[25-27]，且黏土礦物從菲律賓島嶼向帕里西維拉海盆的運(yùn)移會(huì)受到九州—帕勞海脊的阻隔，因而不會(huì)成為伊利石的源區(qū)。研究區(qū)樣品與中國(guó)內(nèi)陸黃土的伊利石+綠泥石含量吻合，且沿著“中國(guó)內(nèi)陸黃土—沖繩海槽—四國(guó)海盆—帕里西維拉海盆”一線分布，由于中國(guó)內(nèi)陸黃土可以通過(guò)風(fēng)塵的形式經(jīng)由東亞冬季風(fēng)輸送至研究區(qū)，所以我們認(rèn)為伊利石+綠泥石很可能源自亞洲風(fēng)塵。

（2）蒙脫石

蒙脫石廣泛分布于大洋中，一般具有兩種環(huán)境的指示意義，第一：反映了寒冷的氣候特征；第二：受氣候變化影響不大，主要與水解作用的強(qiáng)弱程度相關(guān)，只要水分充足，無(wú)論氣候寒冷還是潮熱，火山物質(zhì)（比如海底玄武巖）都可以經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期水解作用而蝕變?yōu)槊擅撌?/p>

前人對(duì)北太平洋上空大氣懸浮物質(zhì)的礦物組成研究表明，伊利石為東亞冬季風(fēng)從亞洲干旱地區(qū)攜帶的細(xì)粒風(fēng)塵物質(zhì)的重要組分[50]，而亞洲內(nèi)陸干旱—半干旱地區(qū)的火山碎屑不易被風(fēng)揚(yáng)起輸入到空氣中[32]。徐兆凱等人基于稀土元素定量計(jì)算出帕里西維拉海盆西部表層沉積物平均56%來(lái)自于火山物質(zhì)的風(fēng)化蝕變，平均44 %來(lái)自于陸源風(fēng)塵物質(zhì)的貢獻(xiàn)，且蒙脫石的含量與火山物質(zhì)貢獻(xiàn)比例呈明顯正相關(guān)，伊利石含量與陸源風(fēng)塵物質(zhì)的貢獻(xiàn)比例呈明顯正相關(guān)[50]；柱狀樣黏土礦物分析結(jié)果顯示，蒙脫石主要來(lái)自東部緊鄰的馬里亞納海槽基性火山物質(zhì)的蝕變，平均含量可達(dá)46%[30]。前人研究已經(jīng)有很多證據(jù)表明帕里西維拉海盆內(nèi)接受了大量周圍海脊剝蝕下來(lái)的火山物質(zhì)，并且圖9顯示我們的樣品與帕里西維拉海盆、四國(guó)海盆以及沖繩海槽等周圍地區(qū)樣品吻合良好，說(shuō)明C-P19 柱狀樣品中的蒙脫石也主要來(lái)自附近火山物質(zhì)的蝕變。雖然與帕里西維拉海盆西部的前人研究結(jié)果相比，C-P19柱狀樣中的蒙脫石含量偏低，但結(jié)合之前的粒度分布結(jié)果，我們做如下推測(cè)：研究區(qū)沉積的火山源碎屑物質(zhì)主要以粉砂或砂的形式存在于沉積物中，僅少部分火山物質(zhì)經(jīng)由水解作用轉(zhuǎn)變?yōu)榱嗣擅撌?，而研究區(qū)中黏土粒級(jí)的細(xì)粒組分主要以亞洲風(fēng)塵帶來(lái)的伊利石+綠泥石為主。

圖9 帕里西維拉海盆C-P19 柱狀樣及其周邊的黏土礦物特征三角圖C-P19柱狀樣黏土數(shù)據(jù)來(lái)自本文，中國(guó)內(nèi)陸黃土和西菲律賓海的數(shù)據(jù)來(lái)自文獻(xiàn)[27]，臺(tái)灣的數(shù)據(jù)來(lái)自文獻(xiàn)[51]，沖繩海槽數(shù)據(jù)來(lái)自文獻(xiàn)[52]，四國(guó)海盆數(shù)據(jù)來(lái)自文獻(xiàn)[53]，呂宋島數(shù)據(jù)來(lái)自文獻(xiàn)[54]，帕里西維拉海盆表層樣數(shù)據(jù)來(lái)自文獻(xiàn)[55]，帕里西維拉海盆西部柱狀樣數(shù)據(jù)來(lái)自文獻(xiàn)[2]，馬里亞納海槽數(shù)據(jù)來(lái)自文獻(xiàn)[56]Fig.9 Triangle plot of clay minerals for core C-P19 samples and surrounding samples in the Parece Vela BasinData for core C-P19 samples from this study.Other data from:Chinese loess and West Philippine Sea[27];Taiwan[51];Okinawa Trough[52];Shikoku Basin[53];Luzon Island[54];Parece Vela Basin[55];core sediments,western Parece Vela Basin[2];Mariana Trough[56]

（3）高嶺石

高嶺石形成于溫暖潮濕的氣候環(huán)境下，是巖石在酸性介質(zhì)中經(jīng)過(guò)強(qiáng)烈淋濾而成，為硅酸鹽礦物，特別是云母、長(zhǎng)石和輝石等在各種不同的自然環(huán)境中分解的最終產(chǎn)物，也被稱為“低緯度礦物”[47]。然而海洋環(huán)境呈堿性或者弱堿性，所以高嶺石由于其自身的形成條件，在大洋中的分布和含量都很受限，推測(cè)其可能也來(lái)自于亞洲風(fēng)塵。在本研究區(qū)黏土礦物中高嶺石含量也偏低，平均值僅6.1%。

3.2 古氣候意義

根據(jù)粒度參數(shù)的主成分分析及其對(duì)物源的指示結(jié)果，可以認(rèn)為2~4 μm組分主要來(lái)源于亞洲大陸的風(fēng)塵。根據(jù)黏土礦物對(duì)物源的反映，C-P19柱狀樣中的蒙脫石主要來(lái)源于帕里西維拉海盆周圍海脊（例如：帕勞海脊、西馬里亞納海脊）基性火山物質(zhì)的蝕變，而伊利石、綠泥石和高嶺石則主要源自亞洲風(fēng)塵的輸入?？梢岳肅-P19沉積物中粒徑2~4 μm組分顆粒的百分含量以及（伊利石+綠泥石+高嶺石）∕蒙脫石的比值來(lái)追溯過(guò)去近1 Ma來(lái)帕里西維拉海盆亞洲風(fēng)塵輸入的變化特征[2]。

由圖10 可知，C-P19 柱狀樣2~4 μm 組分百分含量和（伊利石+綠泥石+高嶺石）∕蒙脫石的比值變化規(guī)律一致，在近1 Ma以來(lái)整體呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢(shì)，且與黃土高原的黃土堆積速率、北太平洋風(fēng)塵通量、西赤道太平洋風(fēng)塵4He 通量的變化趨勢(shì)相吻合[57-59]。作為風(fēng)塵的源產(chǎn)地，黃土高原的黃土堆積速率記錄了東亞冬季風(fēng)強(qiáng)度變化以及亞洲干旱程度的變化[57,60]。當(dāng)東亞冬季風(fēng)增強(qiáng)或者黃土高原氣候變干冷時(shí)，黃土高原的黃土堆積速率曲線出現(xiàn)峰值；相反地，當(dāng)東亞冬季風(fēng)減弱或者黃土高原氣候向溫暖潮濕轉(zhuǎn)變時(shí)，曲線出現(xiàn)谷值。

圖10 東亞冬季風(fēng)替代指標(biāo)變化對(duì)比圖對(duì)比的指標(biāo)有帕里西維拉海盆C-P19柱狀樣（本文）粒徑2~4 μm組分顆粒百分含量和（伊利石+綠泥石+高嶺石）∕蒙脫石，中國(guó)黃土高原的黃土堆積速率[57]，北太平洋V21-146柱狀樣風(fēng)塵通量[58]以及西赤道太平洋ODP站位806風(fēng)塵4He通量[59]，藍(lán)色虛線箭頭代表曲線的總體變化趨勢(shì)Fig.10 Comparison of East Asian winter monsoon substitution indices Comparative indicators are percentage content of particles ofsize between 2~4 μm. Ratio of (illite+chlorite+kaolinite)∕montmorillonite in core C-P19 samples, Parece Vela Basin (this paper).Mass accumulation rate (MAR) in the Chinese Loess Plateau[57]. Eolian flux for Core V21-146, N. Pacific[58]. Eolian4He flux at ODPsite 806, W. Equatorial Pacific[59]. Blue dashed arrows represent overall trend of curves

基于上述風(fēng)塵輸入的替代性指標(biāo)，我們可進(jìn)一步對(duì)東亞冬季風(fēng)和源區(qū)氣候變化的情況進(jìn)行分析，若將研究區(qū)視為勻速沉積，則其變化趨勢(shì)可劃分成五個(gè)階段（表4、圖10）。

表4 C-P19柱狀樣各層位年齡控制點(diǎn)Table 4 Age control points of each layer in core C-P19 sediment

E 段（約1 013~856 ka）：由于該階段黏土礦物僅成功提取出了一個(gè)樣品，代表性差，故而以粒度指標(biāo)的變化趨勢(shì)為準(zhǔn)。圖10顯示該階段粒度指標(biāo)的數(shù)值較低，未見(jiàn)明顯增大的趨勢(shì)，與黃土高原的黃土堆積速率和西赤道太平洋風(fēng)塵4He通量曲線吻合度差，說(shuō)明該階段研究區(qū)風(fēng)塵輸入較少，東亞冬季風(fēng)作用弱。

D段（約856~643 ka）：該階段剛開(kāi)始時(shí)粒度指標(biāo)和黏土礦物指標(biāo)的數(shù)值均較低，且無(wú)明顯規(guī)律性波動(dòng)，約660 ka之后，粒度和黏土礦物指標(biāo)的數(shù)值呈增加趨勢(shì)，且與黃土高原的黃土堆積速率和西赤道太平洋風(fēng)塵4He 通量曲線趨勢(shì)一致，說(shuō)明660 ka 以來(lái)，東亞冬季風(fēng)作用開(kāi)始增強(qiáng)，研究區(qū)沉積的亞洲風(fēng)塵物質(zhì)開(kāi)始增加。

C 段（約643~443 ka）：從D∕C 段交界處至600 ka左右，粒度和黏土礦物指數(shù)均較高，且與黃土高原的黃土堆積速率和西赤道太平洋風(fēng)塵4He 通量曲線峰值吻合，說(shuō)明該階段東亞冬季風(fēng)作用仍較強(qiáng)；600 ka之后粒度和黏土礦物指標(biāo)的波動(dòng)較大，但未表現(xiàn)出明顯增加或減小趨勢(shì)，且與各參比指標(biāo)曲線吻合度差，說(shuō)明該階段東亞冬季風(fēng)有所減弱。

B 段（約443~66 ka）：中更新世全球氣候發(fā)生重組，氣候波動(dòng)的主導(dǎo)周期增大為100 ka，波動(dòng)幅度明顯增大[61]。大約443 ka 前后，C-P19 柱狀樣的粒度指標(biāo)參數(shù)曲線發(fā)生明顯變化，且旋回周期增大至100 ka（圖10），推測(cè)該變化可能與中更新世全球氣候轉(zhuǎn)型有關(guān)。該階段粒度指標(biāo)和黏土指標(biāo)的數(shù)值均呈明顯增加趨勢(shì)，與各參比指標(biāo)曲線吻合度良好，且黃土高原的黃土堆積速率結(jié)果也表明該階段東亞冬季風(fēng)持續(xù)增強(qiáng)，亞洲大陸氣候也開(kāi)始向寒冷干燥轉(zhuǎn)變，隨著亞洲內(nèi)陸干旱化程度進(jìn)一步加劇，研究區(qū)沉積的亞洲風(fēng)塵物質(zhì)也逐漸增多。

A段（約66 ka~至今）：該階段粒度指標(biāo)的數(shù)值仍處在較高水平，但有減小的趨勢(shì)，黏土指標(biāo)繼承了B段后期的變化趨勢(shì)，整體較穩(wěn)定。各參比指標(biāo)的曲線在大約20~30 ka 出現(xiàn)明顯峰值后均呈遞減趨勢(shì)，說(shuō)明該時(shí)期雖然仍有亞洲風(fēng)塵的輸入但東亞冬季風(fēng)強(qiáng)度自20 ka后有所減弱，亞洲內(nèi)陸黃土區(qū)的氣候也開(kāi)始由寒冷干燥向溫暖潮濕轉(zhuǎn)變。

前人研究表明，西北太平洋風(fēng)塵石英的含量和沉積速率在2.5 Ma時(shí)開(kāi)始明顯增加[62]，帕里西維拉海盆沉積物放射性Sr、Nd 同位素結(jié)果指示1.2 Ma 以來(lái)風(fēng)塵質(zhì)量積累速率開(kāi)始明顯增加[28]，粒度[11]和黏土礦物[2]參數(shù)分析表明近2 Ma 以來(lái)亞洲大陸干旱化程度和東亞大氣環(huán)流系統(tǒng)增強(qiáng)。本文利用粒度和黏土礦物參數(shù)作為指標(biāo)建立的研究區(qū)亞洲風(fēng)塵輸入量和東亞冬季風(fēng)的階段性演化與前人采用風(fēng)塵石英的理化特征、沉積物放射性Sr、Nd 同位素特征、黏土礦物比值等指標(biāo)得出的結(jié)果整體一致，且進(jìn)一步做了更細(xì)致的階段性劃分：1 013~660 ka 東亞冬季風(fēng)作用較弱；660~66 ka 東亞冬季風(fēng)明顯強(qiáng)勁，且亞洲內(nèi)陸黃土區(qū)干旱化程度加劇，研究區(qū)沉積的亞洲風(fēng)塵物質(zhì)增加；20 ka 以來(lái)，東亞冬季風(fēng)強(qiáng)度開(kāi)始減弱，研究區(qū)沉積的亞洲風(fēng)塵物質(zhì)也隨之減少，亞洲內(nèi)陸黃土區(qū)的氣候也開(kāi)始向溫暖潮濕轉(zhuǎn)變。

4 結(jié)論

本文根據(jù)古地磁結(jié)果建立了西太平洋帕里西維拉海盆C-P19柱狀樣的年齡框架，并分析了其粒度和黏土礦物特征，研究結(jié)果表明：

（1）C-P19 柱狀樣樣品具有未擾動(dòng)的原生沉積組構(gòu)特征，經(jīng)逐步交變退磁后，幾乎所有樣品均獲得了穩(wěn)定的特征剩磁，且磁傾角記錄了B∕M極性倒轉(zhuǎn)，4~282 cm 為布容正極性期，沉積速率為3.6 mm∕ka；282~374 cm 對(duì)應(yīng)于松山負(fù)極性時(shí)，其中包含深度為366~374 cm 段的正極性時(shí)，屬于賈拉米洛正極性亞時(shí)，沉積速率為4.0 mm∕ka。柱狀樣的底界位于C1r.1n內(nèi)，年齡小于1.072 Ma，為更新世沉積，整根柱狀樣的平均沉積速率為3.7 mm∕ka。

（2）粒度和黏土礦物分析結(jié)果表明，研究區(qū)的沉積物類型以粉砂和砂質(zhì)粉砂為主，含少量黏土質(zhì)粉砂，沉積物中黏土含量平均僅占12.06%，黏土礦物組成中伊利石+綠泥石的平均含量高達(dá)70%，是研究區(qū)黏土礦物最重要的組分。SPSS對(duì)粒度參數(shù)的主成分分析結(jié)果表明，沉積物來(lái)源主要為來(lái)自帕里西維拉海盆內(nèi)或周圍海脊的粗顆粒火山島弧碎屑物質(zhì)以及細(xì)顆粒組分的亞洲大陸風(fēng)塵，其中火山物質(zhì)對(duì)物源的貢獻(xiàn)比亞洲風(fēng)塵大。

（3）C-P19 柱狀樣沉積物2~4 μm 組分百分含量和（伊利石+綠泥石+高嶺石）∕蒙脫石的比值反映了研究區(qū)亞洲風(fēng)塵物質(zhì)貢獻(xiàn)比例的波動(dòng)，進(jìn)而可以作為替代指標(biāo)揭示風(fēng)塵源區(qū)氣候干濕程度以及東亞冬季風(fēng)強(qiáng)度的演變過(guò)程。其結(jié)果表明，1 013~660 ka東亞冬季風(fēng)作用較弱，660 ka 以來(lái)東亞冬季風(fēng)明顯強(qiáng)勁，且亞洲內(nèi)陸黃土區(qū)干旱化程度加劇，20 ka以來(lái)東亞冬季風(fēng)強(qiáng)度逐漸減弱，亞洲內(nèi)陸黃土區(qū)的氣候也向溫暖潮濕轉(zhuǎn)變。

致謝 本文樣品由中國(guó)科學(xué)院南海海洋研究所2016年“馬溝計(jì)劃”首個(gè)調(diào)查航次取得，調(diào)查隊(duì)成員及“實(shí)驗(yàn)3 號(hào)”的全體船員為此付出了巨大的努力；中科院南海海洋研究所的徐維海副研究員和田雨杭博士在分樣工作中給予了指導(dǎo)和幫助；中科院地質(zhì)與地球物理研究所的周燦芬老師、段宗奇博士和沈中山博士在古地磁測(cè)年過(guò)程中給予了極大的幫助；感謝幾位審稿專家提供的寶貴意見(jiàn)和建議。