晚第四紀東南極普里茲灣外沉積物磁化率特征及其古環境意義

武 力，李隆威，王汝建，肖文申，陳志華，葛淑蘭，黃 鑫

（1.廣東海洋大學海洋與氣象學院，廣東 湛江 524088；2.同濟大學海洋地質國家重點實驗室，上海 200092；3.自然資源部第一海洋研究所海洋地質與成礦重點實驗室，山東 青島 266061）

磁化率表征物質在外加弱磁場（＜1 mT）中被磁化的難易程度，用物質的磁化強度與外加磁場強度之比來計量[1]。沉積物中磁化率的大小主要受磁性礦物種類、粒徑、數量及比例控制[1]，其常攜帶有關沉積物形成、搬運、沉積和改造的豐富信息[2-3]。磁化率測試具有簡易、快速、無損等特點，已經成為沉積物剖面/巖芯研究的常規分析項目之一[4]。例如，國際大洋發現計劃的船載多參數巖芯掃描儀測試的高分辨率磁化率數據已作為地層對比的有效工具[5]。磁化率測試也成為中國南北極考察所采沉積物巖芯的常規測試參數之一[6-7]。在不同沉積環境中，沉積物磁化率所攜帶的氣候環境信息并不一樣。在北大西洋，沉積物中磁化率隨時間變化模式常表現為脈沖式[8]，這種變化模式與來自北半球高緯度地區的冰筏碎屑事件一致，這里的冰筏碎屑攜帶有高含量的磁性礦物[8]。在中國黃土-古土壤沉積序列中，磁化率變化主要受降水控制，降水增加伴隨古土壤中細粒磁赤鐵礦的形成，導致其磁化率升高，從而黃土-古土壤序列的磁化率可用于指示東亞夏季風的變化[2,9]。在珠江口，沉積物磁化率一方面受控于陸源物質輸入通量的變化，另一方面人類活動導致最近1 000 a 沉積物磁化率顯著升高[10]。在環南大洋極鋒帶附近，軌道尺度上沉積物磁化率與南極冰芯記錄的風塵通量的變化具有很好的對應關系[11]，這種沉積物磁化率與冰芯風塵通量的對應關系在千年尺度上同樣成立[12]，這些發現為南大洋沉積物巖芯定年提供一種快捷而精準的方法[12-13]。南極大陸周邊區域是我國南極考察的重點研究區域，其以冰川-海洋-海冰相互作用為特征，是研究全球氣候變化的關鍵區域[14-15]。但由于地質營力眾多，該區域沉積環境也相對復雜[7,16]。在這樣的復雜沉積環境中，沉積物磁化率如何響應環境和氣候變化目前尚缺乏相應研究。為此，本研究使用中國第29 次和第30 次南極考察在東南極普里茲灣外深海采集的多個沉積物重力巖芯的高分辨率磁化率記錄，結合之前筆者團隊在該區域進行的各項沉積學和地球化學研究[14,15,17-19]，探討該區域沉積物磁化率變化的主控因素，以期揭示其所攜帶的氣候、環境變化信號，評估在復雜沉積環境中磁化率作為氣候替代指標的潛力。

1 研究區環境背景

普里茲灣（圖1）位于南大洋印度洋扇區，經度65°E—85°E，是南極大陸的第三大海灣，面積約80 000 km2[20]。普里茲灣位于蘭伯特地塹構造的末端，蘭伯特地塹內發育蘭伯特冰川-艾默里冰架體系[21]，該冰川體系發源自東南極大陸的甘布爾澤夫山脈[20]，向海延伸至普里茲灣。在南查爾斯王子山脈附近，該冰川厚度約2 500 m，而在其末端的艾默里冰架處冰厚約400 m[22]。蘭伯特冰川體系是東南極最大的外流冰川體系，大約12%的東南極冰蓋由此入海[23]。

圖1 普里茲灣區域環境背景和研究站位Fig.1 Environmental setting and research stations in Prydz Bay

普里茲灣陸架東以伊麗莎白公主地為界，西以麥克羅賓遜地為界（圖1）。陸架總體向陸方向傾斜。陸架坡折處水深約400 m，內陸架一些深淵處水深一般為800～1 600 m，陸架的寬度變化在70～250 km 之間[23-24]。在晚第四紀，蘭伯特冰川反復消長運動在普利茲灣陸架上留下一系列冰川遺跡地貌，其中最典型的是一條寬（約150 km）而淺（約600 m）的南東-北西向冰川溝槽，位于緯度70°S—75°S 之間，是蘭伯特冰川體系冰流的主要排泄通道。普里茲灣區域的大陸坡上存在一個向海的朵狀突起地形，即普里茲陸坡扇（PSF）[23-24]。該陸坡扇主體形成于780 ka 之前，經歷數次較大規模的濁流堆積事件[25]。而中更新世以后，扇體以半遠洋泥質沉積為主，含有少量冰筏碎屑和濁流沉積[21]。

普里茲灣的洋流可分為五支（圖1）[26]。由南至北依次為自東向西流動的沿岸流（CoC）、順時針繞流的普里茲環流（PG）、自東向西流動的陸坡流（ASC）、順時針繞流的南極輻散帶（ADZ）和自西向東流動的南極繞極流（ACC）。其中，沿岸流和陸坡流受極地東風驅動[32]，南極繞極流受南半球西風驅動。普里茲環流為中尺度渦，其主體位于陸架，而南極輻散帶則由一系列中尺度渦流構成。輻散帶能侵入陸架，為陸架帶來相對溫暖和高鹽的南極繞極深層水（CDW）[33]。南極陸坡流和繞極流在65°S附近相互交匯。

2 樣品與方法

2.1 樣品

本研究使用的材料是2012—2014 年中國第29和30 次南極考察期間在普里茲灣外深海區采得的四個重力柱沉積物巖芯ANT29/P5-03 (P5-3)、ANT29/P4-01 (P4-1)、ANT30/P1-02 (P1-2) 和ANT30/P1-03 (P1-3)（表1）。這些巖芯的站位位于普里茲灣下陸坡或陸隆，遠離海底峽谷，未受到重力流的侵蝕，從而沉積連續，無明顯沉積間斷。巖芯樣品主要由塊狀的（含砂）黏土質粉砂和粉砂質黏土組成，砂（粒徑63～2 000 μm）質量分數一般小于7%，并偶可見墜石（粒徑＞2 mm）。這四個巖芯的砂平均含量有自南向北減少的趨勢[14]。沉積物顏色變化在灰綠、棕灰和灰色之間，表現出一定的旋回性。巖芯沉積物中生源組分主要為蛋白石（生物硅），平均質量分數約10%，最大質量分數約20%，總體上缺乏生物鈣質沉積，僅巖芯上部含少量有孔蟲（平均質量分數＜5%）[19]。

表1 沉積物巖芯信息Table 1 Information of sediment cores used in this study

Wu 等[15,19]利用多種地球化學參數對比的方法，結合有孔蟲AMS14C 測年建立這些巖芯可靠的地層年齡模式。根據Wu 等[15,19]建立的地層年齡模式，四個巖芯代表的時間跨度為325～523 ka，平均沉積速率約為1.0 cm/ka。

2.2 方法

本研究所用磁化率為巖芯多參數掃描儀（MSCL）測量獲得，測量基于整管巖芯進行，儀器參數設置詳見文獻[4]。MSCL 能夠無損、快速地獲得巖芯高分辨率、連續的體積磁化率記錄，本研究的測試分辨率為0.5 cm/點。該測試在自然資源部第一海洋研究所完成。測試數據由中國極地研究中心提供。

單個巖芯磁化率信號同時受到區域和局部沉積作用的影響。其中，局部影響往往具有偶發性，空間和時間上都難以進行孔間對比。為提取相對穩定的區域沉積作用信號，本研究對四個巖芯的磁化率記錄進行堆疊合成，即先將四個巖芯的磁化率記錄插值到相同時間序列上（每ka一個數據點），然后求取每個時刻磁化率數據的中位數，以此中位數時間序列代表磁化率合成信號。由于四個巖芯的磁化率數據接近，故在計算中并未對各巖芯磁化率數據進行標準化轉換。

3 結果與討論

3.1 磁化率測量結果及其合成曲線

總體上，四個巖芯磁化率的變化水平相當，一般在10～40 之間，偶然出現的極大值可達100（圖2(A-D)）。各巖芯磁化率隨時間的變化趨勢具有相似的旋回性變化特征。但是，各巖芯磁化率極大值出現的時間不一致，比如，P1-3 巖芯磁化率記錄上兩個明顯的極大值出現在330 ka 和410 ka；P5-3 巖芯上，極大值出現在70 ka、180 ka 和240 ka；P1-2 巖芯的極值出現在100 ka 和410 ka；而P4-1 巖芯磁化率曲線相對平滑，無明顯極大值。巖芯剖開后，發現這些磁化率極大值處都含有墜石，表明這些磁化率極值可能是墜石中高含量的磁性礦物所產生。但是墜石沉積是偶然事件，各巖芯間墜石事件發生的時間不一致，不可對比。

圖2 P1-2，P1-3，P5-3和P4-1巖芯磁化率記錄(A-D)及四個巖芯磁化率記錄合成曲線(E)Fig.2 Magnetic susceptibility records of sediment cores P1-2,P1-3,P5-3 and P4-1(A-D)and their stacked curve(E)

將四個巖芯磁化率數據對比（圖2(E)），可清楚觀察到四個巖芯低值區相對一致，而極大值出現時間不一致的現象。通過在四個巖芯相同時間刻度上取磁化率數據的中位數而構造的磁化率合成曲線κstack平滑了單個巖芯磁化率記錄的獨有波動，特別是平滑了單個巖芯上的極值，而將四個巖芯磁化率變化的共性特征更加明顯地表現出來。該磁化率合成曲線在130、225、250、340、410 和470 ka 等處存在低值，這些低值區恰好對應著冰期向間冰期過渡的時期（包含冰消期）。

3.2 磁化率信號的來源

在南大洋，磁鐵礦是海洋沉積物中磁化率信號的主要攜帶者[11,13,34,35]。在普里茲灣地區，情況亦是如此。Ge等[14]對P1-2巖芯沉積物進行熱退磁研究，發現沉積物的退磁曲線上，磁化率隨溫度升高陡然降低的主要居里溫度點出現在560 ℃處，證實樣品中的磁性礦物為磁鐵礦。南大洋沉積物中有兩類磁鐵礦，一類為碎屑成因磁鐵礦，其最終來自于陸地上各種源巖[11,13,14,34,35]。這些巖石風化后，磁鐵礦隨巖石碎屑和風化產物一起被各種營力，包括風、洋流、冰等搬運至南大洋沉積[11,13,34,35]；另一類是生物成因磁鐵礦，生物磁鐵礦呈單疇鏈狀排列，是高沉積速率、高有機碳通量、還原的條件下，海底鐵磁細菌生命過程的產物[13,35,36]。比如，在南大洋印度洋扇區極鋒以北以及Scotia海沉積物中都發現有生物成因磁鐵礦存在[13,35]。近期的研究發現，普里茲灣深海區沉積物中磁鐵礦絕大多數為碎屑成因[14]，僅P4-1巖芯中可能存在少許生物成因磁鐵礦[36]。但是，普里茲灣晚第四紀沉積物有機碳（TOC）質量分數平均值＜0.3%[17]（圖3(B)），有機碳缺乏，且在冰消期和間冰期早期生產力較高的層位，沉積物表現出明顯的自生Mn 富集（圖3(C)）[17]。這些指標說明沉積物形成時，沉積物-水界面環境呈氧化性[17]，不利于生物磁鐵礦的大量形成[35]。因此，本研究推斷，沉積物中的磁鐵礦主要為陸源輸入，磁化率信號的強弱主要受碎屑磁鐵礦含量和粒徑大小的影響。

圖3 普里茲灣磁化率潛在影響因素分析Fig.3 Analysis of potential influencing factors of magnetic susceptibility in Prydz Bay

普里茲灣地區潛在的陸源碎屑輸入途徑有風塵、冰筏、海冰和洋流/濁流等。本研究區靠近南極大陸而遠離南美洲、澳大利亞等風塵源區（圖1）。在本研究區，遠端的風塵物質通量遠小于來自普里茲灣陸架的碎屑物質通量[38]。風塵沉積會被來自普里茲灣陸架的碎屑沉積充分稀釋，其對沉積物磁化率的貢獻不顯著。樣品合成磁化率κstack（圖3(D)）與EDC 冰芯的風塵通量（圖3(A)）[30]隨時間的變化模式明顯不同，兩者之間也沒有顯著的正相關關系，說明研究區與Scotia 海以及南大洋極鋒帶附近[11,13]的情況不同，風塵物質不是樣品中磁化率信號的主要來源[14,15]。這也得到來自黏土礦物學研究方面證據的支持，即研究區沉積物的黏土礦物組合與普里茲灣和附近凱爾蓋朗高地的黏土礦物組合一致，而與南美、澳大利亞等風塵的黏土礦物組合區別顯著[15]。

樣品合成磁化率κstack（圖3(D)）與冰筏碎屑信號（圖3(F)）[15]之間也沒有相關性（且P1-2 巖芯的磁化率和冰筏碎屑信號之間也不相關），說明冰筏碎屑并不是磁化率信號的主要攜帶者。筆者團隊之前的研究表明，樣品中的冰筏碎屑主要由石英組成，含有少量的巖石碎屑[15,39]，而能攜帶磁鐵礦的碎屑比例更小。

EDC 冰芯中代表南大洋冬季海冰范圍變化的ssNa+記錄[30]（圖3(E)）與合成磁化率κstack（圖3(D)）之間具有一定的正相關關系（r=0.34），但普里茲灣附近絕大部分陸架的水深都超過400 m（圖1），海冰形成于海面，不與陸架海底直接接觸，從而無法攜帶陸架上的沉積物，并將其輸運至深海沉積[18]，因此，海冰搬運不是磁化率信號的來源，而磁化率和EDC冰芯ssNa+記錄之間的正相關關系僅說明兩者的變化響應同樣的氣候節拍，即冰期-間冰期旋回（圖3(G)）。

本研究站位位于普里茲灣陸坡扇中下部至陸隆區，受到陸坡流ASC 和南極輻散帶ADZ 的影響。在間冰期，普里茲灣環流強盛，其影響范圍可以跨越普里茲灣陸架，向北擴張至64°S，從而覆蓋我們的站位。而在冰期，普里茲灣陸架和陸坡頻繁的濁流活動控制著附近深海沉積作用[15,24]。所以，在排除風塵、冰山、海冰搬運等因素后，本研究推斷，沉積物中的碎屑磁鐵礦主要來源于洋流/濁流搬運的普里茲灣陸架上的沉積物。

3.3 磁化率信號的稀釋效應及扣除

樣品磁化率信號隨時間具有明顯的旋回性變化特征，然而，冰期-間冰期變化的規律性不明確，即高磁化率既可以出現在冰期，也可以出現在間冰期。這種復雜的冰期-間冰期變化模式可能反映了非磁性組分對磁性組分的稀釋效應。這種稀釋效應可能使磁化率隨時間變化的模式復雜化，不利于磁化率信號古環境意義的探索，需要扣除。在本研究樣品中，這些組分包括蛋白石、孔隙率和碳酸鈣等（圖4），因為這些組分是抗磁性物質，磁化率值極低，能稀釋沉積物磁鐵礦中的磁化率。為此，通過式（1）對磁化率合成信號κstack（圖5D）加以校正，以扣除這些組分對沉積物磁化率信號的稀釋效應。

圖4 磁化率的古環境意義分析Fig.4 Analysis of the paleo-environmental significance of magnetic susceptibility

圖5 磁化率和組分粒度之間相關性分析Fig.5 Correlation analysis between magnetic susceptibility and grain-size of components.

其中，φPore、φOpal和φCarbonate分別為孔隙、生物蛋白石和碳酸鈣所占的體積分數；κstack*表示稀釋效應校正后的合成磁化率記錄（圖4）。由于本研究所使用的四個巖芯的孔隙率、生物蛋白石含量和碳酸鈣含量水平相當，粒度組成一致[14-15,17-19,39,40]，且P1-2 是四個巖芯中緯度居中、跨越時間最長、研究程度最高、數據最豐富的巖芯(圖2)，所以本研究的孔隙率、生物蛋白石和碳酸鈣的體積分數都來自巖芯P1-2[14-15,17-19,39]。

扣除生物碎屑和孔隙對磁化率的稀釋作用后，κstack*表示陸源碎屑組分總體的磁化率特征。但是，由于不同粒徑的陸源碎屑物質常常具有不同的物質組成[39]，即攜帶磁化率信號的碎屑物質可能具有粒度效應，加之磁鐵礦本身的粒徑大小也是影響其磁化率的重要因素之一[41]，故還需要知道攜帶磁化率信號的物質所處的粒徑區間，以盡量扣除粒度效應對磁化率的影響。

對MS*信號與沉積物碎屑物質的粒度分布進行相關分析（圖5），結果表明，磁化率與＜4 μm 組分呈顯著正相關，在4～9 μm區間，兩者相關系數迅速減小，在10～40 μm區間，兩者呈顯著負相關，之后，隨著粒徑進一步加大，二者呈不相關。這種相關性結構表明，沉積物中磁鐵礦主要賦存于＜4 μm 即黏土級組分中（圖4(D)），粉砂物質對磁化率造成顯著稀釋效應。沉積物中＞40 μm 組分為粗粉砂和砂，主要為冰筏搬運沉積[15]。巖芯礦物成分主要為石英，并存在少量巖石碎屑[15,17]。這些巖屑可能含有少量磁鐵礦，對沉積物磁化率信號具有一定貢獻；另一方面，＞40 μm 組分中占絕大部分的石英等礦物又會對沉積物磁化率造成稀釋，從而抵消巖屑中磁鐵礦對磁化率的貢獻，導致＞40 μm 組分含量與磁化率合成信號之間既不具有顯著正相關，也不具有顯著負相關關系。因此，本研究認為，樣品中磁化率的主要信號來自＜4 μm 組分，且主要受到粉砂組分的稀釋。故采用式（2）對磁化率κstack*進行粒度效應校正：

其中，V＜40與V＜4分別為＜40 μm 與＜4 μm 陸源碎屑組分的體積；κstack**為校正過稀釋效應和粒度效應后的磁化率合成記錄（圖6）。

圖6 MS stack的古環境意義Fig.6 Paleo-environmental significance of MS stack

由于κstack**主要賦存于黏土粒級物質中，水動力變化無法對黏土級物質組成進行分選，所以，κstack**的變化獨立于水動力條件的變化。

3.4 磁化率與蘭伯特冰川動力學的聯系

剔除生物組分稀釋效應和陸源碎屑組分的粒度效應后，κstack**的絕對值大大增加，且表現出相對明顯的冰期-間冰期旋回性變化特征（圖6(D)）。總體上，κstack**在間冰期具有相對高值，而在冰期具有相對低值。不僅與LR04 δ18O（圖6(E)）[37]和P1-2 巖芯中反映蘭伯特冰川體系消長的黏土礦物指標（圖6(C)）[15]的冰期-間冰期旋回性變化一致，而且蘭伯特冰川體系消長指標在細節上也具有相似的變化模式，這說明κstack**的變化模式可能與蘭伯特冰川消長有聯系。

普里茲灣內陸巖性復雜多變[42]，但P1-2 碎屑沉積物的Nd同位素（圖6(B)）組成研究表明，在晚第四紀的冰期-間冰期氣候旋回中，普里茲灣外沉積物εNd主要變化在-18～-22之間，變化范圍較小，反映源巖性質變化相對較小或者不同來源的物質（εNd組成不同）混合較均勻[14]。但是κstack**（圖6(D)）顯著的冰期-間冰期旋回性變化與Nd同位素記錄明顯不同，這說明源巖成分的變化不是控制κstack**變化的主導因素。

普里茲灣外沉積物的黏土礦物組合在冰期-間冰期具有顯著不同的特征[15]。具體而言，本研究區冰期沉積物中黏土礦物組合以相對高的高嶺石含量為特征（EM2 比例高，圖6(C)），而間冰期時以高的伊利石含量為特征（EM1 比例高，圖6(C)）[15]。高嶺石和伊利石分別是化學風化和物理風化的產物[43]。由于在晚第四紀南極地區干冷的氣候條件下，化學風化作用受到嚴重抑制，故冰期較高的高嶺石含量實際上反映了冰川擴張對陸架含高嶺石的老地層的侵蝕擾動和再沉積作用[15,44,45]。而這些老地層是在晚古生代-早新生代溫暖潮濕氣候條件下，源巖化學風化的產物[46]。

本研究推斷，合成磁化率κstack**在冰期的低值可能反映了老（晚古生代-早新生代）地層化學風化相對較強，磁性礦物的氧化分解和淋濾丟失。而間冰期時，沉積物主要來自冰川對普里茲灣內未風化源巖機械剝蝕，所以磁鐵礦化學性質保存完好。Ge等[14]對P1-2 巖芯磁鐵礦的掃描電鏡研究發現，冰期時磁鐵礦顆粒表面常常具有溶蝕凹坑或溝槽，表明這些磁鐵礦經受過化學風化，本研究推斷與之一致。更直接的證據來自于IODP188 航次的鉆探工作。位于普里茲灣陸架的1166 站位揭示該區中新世以前的地層以相對低的磁化率為特征[47]。總之，本研究認為，這些巖芯的磁化率合成信號κstack**的冰期-間冰期旋回性變化，與其黏土礦物組合的變化一致，共同反映了蘭伯特冰川消長過程中對普里茲灣陸架老地層的侵蝕程度的變化。在冰期，蘭伯特冰川擴張，對陸架老地層侵蝕擾動程度增加，由于這些老地層部分形成于中生代晚期-新生代早期溫暖潮濕的環境中，化學風化程度高，所以黏土礦物組合以高高嶺石為特征，同時磁鐵礦經受部分風化，沉積物總體磁化率降低，從而普里茲灣深水區沉積物記錄到較高的高嶺石含量和較低的磁化率；而在間冰期，蘭伯特冰川撤退，對普里茲灣陸架老地層的侵蝕擾動程度減弱，從而普里茲灣外深水沉積物記錄到較多的伊利石和較高的（正常的）磁化率。因此，本研究區磁化率記錄主要反映了蘭伯特冰川體系在冰期-間冰期時間尺度上的消長變化。

本研究對磁化率信號的解譯與此前研究結果[14,15]一致，進一步說明東南極蘭伯特冰川體系在晚第四紀低大氣CO2分壓條件（體積分數＜320 ×10-6）（圖6(A)）下，依然具有非穩態性質。東南極冰蓋-冰川體系的海平面當量約為53 m[48]，其中坐落于海平面以下的部分占1/3，即約17 m[48]。這部分冰川/冰蓋對氣候和海洋變化非常敏感[15,49]。工業革命以來，由于化石燃料的廣泛使用，現如今大氣CO2分壓已經超過400 × 10-6[50]，該值與上新世早期大氣CO2分壓水平相當[51]，而上新世早期全球海平均平面比現在高5～35 m[52]。可以預見，如果不采取措施應對當下全球氣候持續變暖的趨勢，東南極的海洋性冰蓋/冰川將會逐漸消融，造成全球平均海平面的顯著上升[53,54]，對全球環境和人類生存構成嚴重威脅。

4 結論

對中國第29 次和第30 次南極考察在普里茲灣采集的四個沉積物重力巖芯ANT29/P4-01、ANT29/P5-03、ANT30/P1-02 和ANT30/P1-03 的磁化率記錄進行研究，得到以下主要結論：

（1）南極大陸邊緣深海沉積物磁化率信號容易受到冰山搬運的墜石的影響而表現出陡然的峰值，由于墜石發生頻率低，其時間和空間分布具有偶然性，因此，不同巖芯之間，墜石導致的磁化率高值在時間上不具有可對比性。而將同一區域多個巖芯磁化率記錄合成，可以大大減少墜石對磁化率信號的干擾，而突出區域沉積的磁化率特征。

（2）普里茲灣外磁化率合成信號具有旋回性變化特征，但由于受到生物碎屑和孔隙率的稀釋以及沉積物粒度效應的影響，合成磁化率信號的冰期-間冰期變化規律不明顯。

（3）扣除稀釋效應和粒度效應后，普里茲灣外沉積物合成磁化率曲線隨時間變化具有顯著的冰期-間冰期旋回性變化特征。總體上，間冰期磁化率高，而冰期磁化率低，這種磁化率隨時間的變化模式可以與蘭伯特冰川在冰期-間冰期時間尺度上的擴張和撤退相聯系，反映了蘭伯特冰川消長過程中對陸架沉積物的侵蝕程度的變化。