東北印度洋大氣粉塵現代沉積過程分析

杜恕環，牛東風，黃錦萍，潘子銳，黃日輝，陳碧珊

（1. 嶺南師范學院地理科學學院，廣東 湛江 524048；2. 中國科學院南海海洋研究所，中國 科學院邊緣海與大洋地質重點實驗室，廣州 510301；3. 廣州大學地理科學與遙感學院，廣州 510006；4. 中國科學院大學，北京 100049）

早在1846年，達爾文環球旅行時，觀測到大西洋的粉塵沉積，首次提出海底由風塵輔成的觀點。自20 世紀60 年代開始，Delany 等（1967）在大西洋西非沿岸開啟了現代海洋粉塵研究的序幕，對收集到的海洋粉塵進行粒度和礦物學分析，發現海洋現代粉塵平均粒級＜20 μm，空氣中粉塵的平均含量約為5×10-12cm3；Skonieczny 等（2011；2013）對西非塞內加爾海域粉塵進行連續收集，通過對粉塵通量、粒度和黏土礦物分析，發現大氣粉塵呈明顯的季節性變化；并利用HYSPLIT 模型對大氣粉塵搬運過程進行后推軌跡模擬，結合Sr-Nd 同位素對粉塵源區進行追蹤，得出該海區全新世沉積主要來自陸源風成沉積物的結論；Rea（1990；1994）和Janecek（1985）對西北太平洋以及太平洋中部的鉆孔沉積物石英顆粒進行粒度分析和電鏡掃描，獲取沉積物中粉塵輸送距離以及風速等信息；Inmaculada等（2014）對西班牙現代大氣粉塵和沉積物樣品進行電鏡掃描，發現二者石英砂表面結構上都具有明顯的風成環境特征；Goldberg等（1970）對北印度洋大氣粉塵、表層沉積物及河流物質進行了黏土礦物和石英分析，發現不同區域風成物質的貢獻量存在差異；Aston 等（1973）意識到風力傳輸機制在海洋陸源物質中的重要性，對包含北印度洋在內的現代海洋粉塵進行沉積通量，季節性及地理位置的研究，發現不同海域的粉塵通量差異明顯，主要受源區和季節性影響；Leon等（2003）利用1年的氣象衛星觀測數據監測北印度洋周圍干旱和半干旱地區的沙塵活動，從而追蹤北印度洋大氣粉塵的來源；Banerjee 等（2016）研究發現，西北印度洋ENSO的年際變化受粉塵氣溶膠的調節。由此可見，在世界各大洋和海區，針對海洋粉塵沉積的研究多有進展，然而在南亞季風的發源地——東北印度洋的研究熱度還未開啟。

印度洋東北部位于世界屋脊青藏高原的南翼，是南亞季風的發源地和流經地，其海底沉積物中保留了南亞季風演化的古海洋環境信息，是高分辨率研究全球氣候變化的理想場所（Duplessy, 1982）。東北印度洋的風塵物質源自陸地，在沉積物中的出現有效記錄了源區侵蝕搬運程度及大氣環流系統的改變，可作為南亞冬季風演化的直接證據，而在構造時間尺度上對青藏高原的隆升所引起的氣候環境效應起監視器的作用（方 念 喬 等， 2001； 張 振 國 等，2007）。然而，迄今為止，鮮見基于東北印度洋風成沉積研究古氣候變化的報道，其根本原因在于東北印度洋現代粉塵沉積過程特征和規律研究的缺乏。因此，開展印度洋東北部現代粉塵沉積過程研究，對今古印度洋風塵沉積與環境的探索顯得尤為關鍵。

鑒于此，本研究基于東北印度洋走航收集到的大氣粉塵，通過統計粉塵沉積通量，模擬空氣粒子運動軌跡，結合大氣氣溶膠數據，分析東北印度洋粉塵傳播與大氣環流系統之間的關系，探討東北印度洋大氣粉塵沉積的現代過程。另外，通過掃描電鏡和能譜分析，獲取現代粉塵顆粒沉積特征，為在沉積物中識別和提取風塵組分奠定基礎，以期為東北印度洋古海洋環境演化、海陸耦合關系及海洋碳匯提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

東北印度洋屬于典型的季風氣候，冬季干冷，夏季濕熱。夏季（5-10 月）強勁的西南風從海洋吹向大陸，海洋上空蒸發的大量水汽隨季風移至相鄰大陸上，形成嚴重的季風降雨；冬季（10-4月）北風和東北風從亞洲大陸吹向海洋，通過風力作用把大陸粉塵搬運并沉積到研究區域（圖1）。季風影響下的印度洋東北部形成特殊的北印度洋季風環流，夏季在西南季風的影響下形成順時針大洋環流圈；冬季在東北季風的影響下形成逆時針大洋環流圈。東北印度洋大氣粉塵的分布和傳播與海、氣動力條件息息相關。

1.2 樣品采集

本研究依托印度洋科考航次對東北印度洋大氣粉塵進行走航收集。為了模擬接近海面的實際接收情況，大氣粉塵樣品在自然條件下采集，未區分干濕沉降。大氣粉塵樣品通過放置在科考船頂層甲板的大流量粉塵收集器（TSP空氣收集器）進行采集，利用1.05 m3/min流速的大流量粉塵收集器抽取大氣中的粉塵，附著在250 mm×200 mm 的玻璃纖維濾膜上，每個樣品收集3 d，過氣量約4 530 m3。現有大氣粉塵樣品共計15個（見圖1），在2020年9-11月采集。樣品經度跨度從80°E至113°E，緯度跨度北至12°N 南到10°S，基本涵蓋了印度洋東北部海域。

1.3 大氣粉塵樣品沉積通量

大氣粉塵樣品通過大流量空氣收集器收集在玻璃纖維濾膜上，而在進行樣品收集之前，先對每張膜進行稱重，標記并獨立裝袋，等粉塵樣品收集后，進行稱重；再根據樣品干重、樣品收集時間間隔以及收集器的截面積計算大氣粉塵樣品的沉積通量（Eguchi et al.,1999），計算公式：沉積通量=干重（g）÷截面積（m2）÷時間（d）。

1.4 粉塵樣品分離

將取樣的玻璃纖維濾膜移至加有適量蒸餾水（20 mL左右）的玻璃器皿中（帶有粉塵的濾膜面朝向水面），將玻璃器皿放入超聲波中振蕩分離（約15 min），然后將器皿中的懸浮液移至干凈的燒杯中，重復上述過程，用超聲波反復清洗濾膜2～3次，可將粉塵顆粒從濾膜上分離。分離出來的粉塵顆粒樣品根據斯托克斯原理（Stokes,1851），采取靜置1～2 d 的辦法，使粉塵粒子充分沉淀下來，然后將燒杯放入烘箱內，在60°C將水分蒸發掉，使粉塵粒子濃縮富集，供實驗室分析使用。

1.5 粉塵石英顆粒提取

對獲取的樣品進行石英顆粒掃描電鏡分析，需要對樣品進行石英顆粒提取。先添加硫酸氫鉀去除黏土礦物，清洗后再加氟硅酸去除硅酸鹽礦物，最后得到石英顆粒。

對兩組孕產婦進行常規產前檢查,其中實驗組孕產婦由專業按摩護士進行乳房按摩,每天對孕產婦進行兩次按摩,每次按摩時間持續一小時左右。若按摩時孕產婦出現腹痛現象,則應停止對孕產婦的按摩[4]。

1.6 掃描電鏡及能譜分析

對已提取石英顆粒的粉塵樣品，利用日本日立S3400 掃描電子顯微鏡進行掃描拍照，再結合能譜儀分析顆粒物質成分，確保統計結果的可信度。每個沉積物樣品統計石英顆粒為400顆，利用粉塵石英顆粒表面結構特征，識別粉塵顆粒沉積特征。

1.7 數據模擬

利用空氣粒子傳輸軌跡模型（HYSPLIT-4）對印度洋大氣粉塵樣品進行后推軌跡模擬，結合NASA-QuikSCAT 衛星觀測到的海面風場數據，了解不同高度空氣粒子的搬運途徑和傳播方向，重現現代粉塵的傳播、沉積過程。氣象數據及模型運行來源于ARL-NOAA服務器①http://gus.arlhq.noaa.gov/ready/cmet.html。

2 結果分析

2.1 粉塵通量

2020年9-11月東北印度洋大氣粉塵的沉積通量范圍在221～1 221 mg/cm2/d 之間，平均值為674 mg/cm2/d，具體沉積通量如表1 所示。其中，粉塵日沉積通量最高值出現在11月中旬，而最低值則在9月下旬，前者沉積通量值約是后者的6倍。航次期間3個月份的平均值分別為703、684和644 mg/cm2/d，可見大氣粉塵日沉積通量的變化比月平均值明顯，鑒于大氣粉塵樣品通過走航進行收集，不同航段距離陸地（粉塵源區）差別較大，粉塵通量的變化有一定的地域性。

表1 2020年東北印度洋大氣粉塵樣品信息及其沉積通量Table 1 Atmospheric dust sample information and deposition fluxes in the Northeast Indian Ocean in 2020

2.2 空氣粒子模擬

為查明東北印度洋大氣粉塵的傳播途徑，利用NOAA 的空氣粒子傳輸軌跡模型（HYSPLIT-4 模型②http://www.arl.noaa.gov/hysplit/）對2020年印度洋科考航次收集到的大氣粉塵樣品，在500、1 000 和3 000 m 高度對空氣粒子進行后推3 d 軌跡模擬。從東北印度洋部分粉塵樣品的模擬結果（圖2）可以看到，同一個樣品，其空氣粒子在500、1 000 和3 000 m 高度的傳播途徑和方向相對統一，而不同時期樣品，空氣粒子受盛行風方向和季節性影響顯著。

2.3 粉塵顆粒沉積特征

對東北印度洋大氣粉塵樣品進行掃描電鏡及能譜分析，未分離的空氣粉塵樣品能譜結果中，硅（Si）質量分數占38.8%，而氧（O）質量分數占38.5%（圖3-a）。對粉塵樣品進行石英顆粒的提取，并進行掃描電鏡和能譜分析，其結果顯示石英顆粒表面結構具有明顯的風成環境沉積特征，磨圓度較好，具備蛇曲脊及“U”型坑等（圖3-b）。

3 討論

3.1 印度洋粉塵沉積特征

來自陸源的粉塵，通過大氣環流進行搬運和沉積（Tsoar et al., 1987），其物質成分主要為石英、長石、云母和黏土類礦物，組成取決于源區物質性質（Rea,1994）。對東北印度洋大氣粉塵（未分離樣品）進行掃描電鏡和能譜分析，結果顯示粉塵顆粒主要成分為Si和O（見圖3-a），結合掃描電鏡推測其為石英顆粒。對大氣粉塵樣品進行分離，提取石英顆粒再進行掃描電鏡和能譜分析（見圖3-b），掃描電鏡顯示粉塵石英顆粒具有風成環境下石英顆粒表面結構特征，顆粒的磨圓度較好，石英顆粒出現蛇曲脊或“U”型坑，可作為粉塵石英顆粒的沉積特征（Du et al.,2020）。

粉塵石英顆粒表面結構所具備的風成環境沉積特征，明顯有別于水成環境下石英顆粒表面結構的磨圓度差，貝殼狀斷口及“V”型坑等特征，可作為沉積物區分不同搬運動力組分的依據（Du et al.,2020）。利用石英顆粒表面結構的不同，對東北印度洋沉積物中的陸源石英顆粒進行掃描電鏡分析（圖4）。其中，圖4-a 的石英顆粒磨圓度差，呈棱形狀，且貝殼狀斷口發育，具備水成環境石英顆粒明顯特征；圖4-b 的石英磨圓度好，具備風成環境下的特征，但又在石英邊緣出現“V”形坑，推測該顆粒在輸送過程中經歷了不同的沉積環境，在前期風成環境下疊加了后期的河流輸入，故將此顆粒納入水成動力組分。圖4-c 左側石英磨圓度好，具有蛇曲脊，為風成組分，而右側石英則呈棱狀，“V”形坑，為水成組分。圖4-d左側石英顆粒磨圓度差（棱狀），“V”形坑，右側石英出現風成環境下的“U”形坑和蝶形坑，為風塵沉積組分。由此可見，陸源沉積物石英顆粒掃描電鏡，可有效區分不同沉積動力組分，為在東北印度洋沉積物中確定風成組分提供可靠依據。

3.2 東北印度洋空氣粉塵傳播機制

東北印度洋空氣粉塵顆粒粒徑大多＜20 μm（見圖3），與現代海洋大氣粉塵顆粒平均粒級一般＜20 μm（Delany et al., 1967）相符，但也出現粒徑約30 μm 的石英顆粒。現代空氣粉塵出現顆粒粒徑較粗的報道在其他海域海洋粉塵研究（Betzer et al.,1988; Du et al.,2020; Inmaculada et al.,2014）中也有出現。南海現代粉塵在極端天氣條件下也捕獲過粒徑約60 μm的粉塵樣品，與當時臺風天氣下搬運風力強度增加有關（Du et al., 2020）。Betzer 等（1988）對影響到北太平洋海區的東亞沙塵進行了粒度和掃描電鏡分析，發現了一些粒級“巨大”的粉塵顆粒（＞75 μm），電鏡掃描結果顯示其主要為石英顆粒。而Inmaculada等（2014）收集到大西洋海域LaGraciosa 島（西班牙）現代大氣粉塵樣品掃描電鏡結果中，空氣粉塵石英顆粒粒徑可達160 μm，與研究區處于撒拉哈沙漠下方向以及羽狀風沙流有關。印度洋夏季風在850 hPa 流場40 年的平均數據顯示，在低空1 500 m 高度的風速可達10～14 m/s（徐忠峰 等，2006）。因此，現代大氣粉塵中出現較大粒徑的顆粒，與大氣環流強度關系密切。

東北印度洋空氣粒子后推3 d 軌跡模擬結果顯示，研究區大氣粉塵樣品受印度洋大氣環流系統控制；由于東北印度洋屬于印度季風影響區，不同季節主導風向有明顯的變化，采樣期間恰逢季風轉換期，從空氣粒子模擬圖（見圖2）中可看到不同時期粉塵傳播途徑的變化。20EIO-3 樣品采集緯度位置為10.06°S（見圖2-a），該海域主要受東南信風控制，空氣粒子顯示的傳播方向也為東南風；且后退軌跡經過陸地，從而獲取了較多的粉塵顆粒，粉塵沉積通量可達1 173 mg/cm2/d。10月16日收集到的20EIO-8 樣品（見圖2-b），空氣粒子顯示東北印度洋處于印度夏季風的影響下，西南風依舊是其主導風。到了10月下旬，研究區開始進入冬季，盛行風轉為東北風，樣品20EIO-10顯示的空氣粒子運動軌跡受陸地地形影響，呈現明顯平行于陸地的傳播路徑，同時也輸送了較多的粉塵顆粒，沉積通量達902 mg/cm2/d（見圖2-c）。同樣經冬季風進行輸送的樣品20EIO-12，粉塵沉積通量只有278 mg/cm2/d（見圖2-d）；從空氣粉塵模擬結果可以看到，樣品收集地遠離陸地。然而有趣的是，樣品20EIO-8位于印度洋廣闊海面，粉塵通量卻幾乎是20EIO-12的2 倍（510 mg/cm2/d），空氣粒子模擬結果表明該樣品粉塵顆粒主要通過西南風進行輸送，而查戈斯群島正好位于西南風的路徑上，從而捕獲了相對較多的粉塵顆粒，引起該海域粉塵沉積通量的增加。此外，同一個樣品空氣粒子在500、1 000 和3 000 m高度的傳播途徑和方向基本不變，表明在東北印度洋的不同區域和時期，底層和高空的風向相對統一。

3.3 大氣粉塵現代過程研究的意義

對東北印度洋現代大氣粉塵沉積過程進行模擬，發現印度洋風塵物質的分布和傳播受大氣環流影響明顯，研究區2020年9-11月大氣粉塵樣品的粒子模擬結果顯示，粉塵粒子傳播途徑受控于盛行風的季節性和區域性。在印度洋10°S 以北的季風區，夏季盛行的西南風以及冬季的北風到東北風，分別是夏季和冬季粉塵粒子進行傳播的途徑，而10°S以南海域在信風帶的影響下，粉塵粒子由東南信風進行輸送。然而，不管大氣環流方向如何，粉塵沉積通量的多寡，主要和粉塵源區有關，遠離陸地的廣闊大洋表面，通過盛行風所攜帶的顆粒物質就較少，而經過陸地（島嶼）的盛行風，可輸送和沉積更多粉塵物質（見圖2）。為了對研究區粉塵物質來源及沉積通量有整體認識，參考NASA Earth Observatory網站③https://neo.sci.gsfc.nasa.gov/MODIS衛星觀測到全球氣溶膠厚度數據。其中，2020年研究區冬半年粉塵物質明顯比夏半年多，而在樣品采集期內（9-11月），11月研究區離氣溶膠富集區更近，并在冬季風的作用下，東北印度洋接受更多來自亞洲大陸的風塵物質。這些攜帶著大量陸源元素（例如鐵）進入海洋的粉塵物質，會顯著地促進海洋初級生產力浮游植物的繁殖，一般在大量粉塵輸入3～5 d 后，會出現浮游植物勃發的現象（Du et al.,2021），從而消耗大氣中的CO2，提高海洋碳匯能力。此外，大氣粉塵石英顆粒表面結構有明顯的風成環境特征，可作為風塵物質的沉積特征，有效區別于陸源沉積物中的河流輸入組分，為在沉積物中識別和提取風塵物質提供可能性，從而可作為印度冬季風的氣候代用指標重建研究區的印度古季風演化。

印度季風作為亞洲季風的重要組成部分，其影響力不僅體現在南亞地區，其強弱對中國夏季的降水也有一定的影響（羅紹華等，1985；郭其蘊等，1988）。東北印度洋作為印度季風的發源地，學者對印度季風關注較多的是印度夏季風降水，關于冬季風特別是古冬季風研究的報道較為少見，最主要的原因是缺乏合理有效的冬季風直接證據。而在沉積物中對風塵物質進行提取和應用，獲取現代風塵沉積的特征和規律，成為重建印度冬季風的“金鑰匙”。

4 結論

通過對東北印度洋大氣粉塵現代沉積過程進行分析，得到以下主要結論：

1）東北印度洋大氣粉塵沉積通量主要受粉塵源區距離的影響，粉塵粒徑大小和風力強度相關。研究期內粉塵日沉積通量變化在221～1 221 mg/cm2/d之間。

2）大氣粉塵傳播過程主要受研究區大氣環流系統的季節性和區域性影響，而在東北印度洋主要受控于印度季風。研究區海域在冬季風的作用下接受更多來自亞洲大陸的風塵物質，可引起海洋初級生產力的增加，從而提高海洋碳匯能力。

3）現代空氣粉塵石英顆粒表面結果具有明顯的風成環境沉積特征，石英磨圓度較好，具有蛇曲脊或“U”型坑，明顯區別于水成環境下的石英顆粒，有望在東北印度洋建立冬季風替代性指標，從而重建地質時期印度季風的演化。

查明東北印度洋大氣粉塵傳播途徑與沉積通量的決定因素，是理解研究區沉積物中風塵物質來源及變化的關鍵，對研究印度洋海氣相互作用，大氣環流系統及源區風化侵蝕程度的改變，特別是在構造尺度上對解讀青藏高原隆升所引起的氣候環境效應，具有重要的科學意義。而大氣粉塵石英顆粒沉積特征的獲取，為研究印度冬季風演化提供理想指標，進而可為重建印度古季風歷史演化乃至動力機制探討提供重要信息。