黃元輝 石學(xué)法 葛淑蘭 劉焱光 陳志華 王旭晨 呂華華

0 引言

白令海是太平洋沿岸緯度最高的邊緣海，北以白令海峽與北冰洋相通，南隔阿留申群島與太平洋相鄰，在北太平洋和北冰洋之間起到重要的橋梁與紐帶作用。由于其獨(dú)特的地理位置及其對(duì)北半球乃至全球氣候變化研究的重要性，白令海已經(jīng)成為近年來國際上古海洋與古環(huán)境研究熱點(diǎn)區(qū)域之一［1-2］。

中國自1999年實(shí)施首次北極科學(xué)考察以來［3］，已開展5次北極科學(xué)考察。其中，白令海海洋底質(zhì)調(diào)查與研究是歷次考察的重要目標(biāo)之一。目前中國已在該海域海洋地質(zhì)研究方面初步積累一些重要資料，對(duì)該海域表層沉積物分布以及古海洋、古環(huán)境重建方面取得了不少新認(rèn)識(shí)［4-10］，但有關(guān)白令海深海異常沉積方面，至今尚缺乏系統(tǒng)的分析研究工作。

本文利用中國歷次北極科學(xué)考察航次在白令海北部陸坡及海盆等深水區(qū)所采沉積物樣品，通過對(duì)其開展沉積學(xué)等研究，對(duì)該海域常見的異常沉積類型及其特征進(jìn)行系統(tǒng)歸納，并對(duì)其可能成因進(jìn)行初步探討。

1 材料與方法

1.1 樣品采集

站位信息詳見圖1與表1。B5-4和 B5-7是1999年中國首次北極科學(xué)考察站位［3］，位于白令海北部陸坡。其中，B5-4孔總長470 cm，以深灰色-灰綠色的砂質(zhì)粉砂或黏土質(zhì)粉砂為主，部分層位為白色或灰白色沉積物，以33—34 cm和450—452 cm最為明顯，其物質(zhì)組成相對(duì)較粗，以砂礫為主。B5-7站樣品總長15 cm，其下為高度風(fēng)化的基巖［4］，本文分析的樣品取自B5-7站最表層沉積物。BR02是2008年中國第三次北極科學(xué)考察站位［11］，位于白令海阿留申海盆中西部。該孔總長191 cm，以灰色黏土質(zhì)粉砂和黑色砂質(zhì)粉砂交互出現(xiàn)為明顯特征，黑色砂質(zhì)粉砂層出現(xiàn)于44—84 cm，116—141.5 cm以及 148.5—188.5 cm處。

圖1 站位分布示意圖（圖中數(shù)字1—3依次代表B5-4、B5-7和BR02站位）Fig.1.Site locations（B5-4，B5-7 and BR02 are indicated by the numbers in turn）

表1 站位信息Table 1.Sites information

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

（1）粒度分析 對(duì)B5-4孔和BR02孔進(jìn)行粒度分析，按2 cm間距連續(xù)取樣。樣品處理步驟為：往樣品中加入15%H2O2水，在85℃水浴鍋內(nèi)持續(xù)加熱2 h，冷卻后取出，加入10%HCl，待充分反應(yīng)直至樣品不再起泡為止。為去除沉積物中硅質(zhì)生物對(duì)粒度測(cè)試結(jié)果的影響，參照文獻(xiàn)［12］，在完成上述步驟后在每份樣品中再加入1 mol·L－1Na2CO3溶液并在85℃水浴鍋內(nèi)持續(xù)加熱4 h，待冷卻后將樣品反復(fù)離心、洗鹽，直到溶液呈中性為止。處理好的樣品經(jīng)超聲波振蕩分散后，使用Mastersizer 2000激光粒度儀進(jìn)行測(cè)試。本文統(tǒng)一使用尤登-溫德華氏（Udden-Wentworth）等比制Φ值粒級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，平均粒徑、分選系數(shù)、偏態(tài)、峰度等粒度參數(shù)采用圖解法計(jì)算結(jié)果［13］。

（2）硅藻分析對(duì)B5-7站表層沉積物樣品進(jìn)行硅藻分析，樣品處理步驟參見文獻(xiàn)［14］，先將適量樣品裝入試管，加入30%H2O2，在70℃水浴鍋中恒溫加熱3 h去除有機(jī)質(zhì)，用蒸餾水洗凈，再用加拿大樹脂封片，在1 000倍油鏡下進(jìn)行硅藻鑒定。計(jì)數(shù)方法參照文獻(xiàn)［15］，每份樣品統(tǒng)計(jì)硅藻殼面至少300粒（不含角毛藻休眠孢子）。

（3）磁化率測(cè)試在B5-4和BR02巖芯中，用邊長為2 cm的無磁性塑料小盒每隔2 cm扣取古地磁定向樣品用做磁化率測(cè)試，測(cè)試在卡帕橋磁力儀（Multi-function Kappabridge）上完成，獲得體積磁化率結(jié)果（分辨率是10－6SI）。為了便于與補(bǔ)測(cè)的粉末樣品磁化率比較，在除以樣品干質(zhì)量后，獲得沉積物樣品的質(zhì)量磁化率結(jié)果。上述實(shí)驗(yàn)在中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所古地磁實(shí)驗(yàn)室完成。

（4）全樣有機(jī)碳測(cè)年從BR02孔中挑出6份樣品在美國Woods Hole海洋研究所國家海洋研究AMS14C年代測(cè)試中心（NOSAMS）進(jìn)行全樣有機(jī)碳測(cè)年。前處理步驟如下：將測(cè)年樣混合均勻，取3—5 g樣品在50℃干燥后研磨，取1—2 g研磨后的樣品加入10%HCl，室溫放置8—10 h，無機(jī)碳將以CO2氣體放出，然后將酸液取出，用少量蒸餾水將沉積物洗兩次，洗后將沉積物在50℃下再次干燥。將干燥后的沉積物高溫氧化，收集氧化的CO2氣體，將該氣體進(jìn)一步純化后做成固體石墨碳并上機(jī)測(cè)年。

2 結(jié)果

2.1 濁流沉積

圖2顯示，BR02孔至少存在3段濁積層（圖中陰影部分）。濁積層粒度特征如下：（1）厚度一般在20 cm以上，與黑色砂質(zhì)粉砂層一一對(duì)應(yīng)；（2）底部平均粒徑最粗，由下向上逐漸變細(xì)，具有典型的正粒序沉積層序；（3）越靠近底部，砂含量越高，向上逐漸減少。相反，粉砂含量向上逐漸增多。黏土含量一般較低（＜10%），且基本變化不大；（4）分選性普遍較差。正常沉積層位于 0—44 cm段和 84—116 cm段，粒度特征相對(duì)穩(wěn)定。平均粒徑約7Φ，砂含量基本在3%以內(nèi)，其余為粉砂和黏土（約2∶1）。

以上結(jié)果表明，正常沉積層無論是平均粒徑，還是各粒度組分百分含量組成特征，均與濁積層差異 明顯。

圖2 白令海BR02孔粒度參數(shù)分布圖（縱坐標(biāo)箭頭示意14 C測(cè)年樣品）Fig.2.Grain-size distribution of Core BR02（samples for 14 C age are shown by arrows on y-axis）

根據(jù)文獻(xiàn)［16］結(jié)果，近萬年來白令海北部陸坡沉積物的全樣有機(jī)碳年齡與真實(shí)年齡普遍相差約1 500 a，假如該結(jié)果同樣適用于白令海阿留申海盆，則從BR02孔6份全樣有機(jī)碳測(cè)年結(jié)果來看（表2），BR02孔大致為末次冰消期以來的沉積結(jié)果，濁積層主要分布于末次冰消期至中全新世。

表2 白令海BR02孔全樣有機(jī)碳測(cè)年結(jié)果Table 2.Radiocarbon dating results of bulk sediment samples from Core BR02

2.2 火山碎屑沉積

圖3是B5-4孔粒度參數(shù)及質(zhì)量磁化率測(cè)試結(jié)果。從圖中可以看出，在33—34 cm和450—452 cm處所有粒度參數(shù)均發(fā)生明顯變化，平均粒徑（Mz）變粗，砂含量劇增，而粉砂與黏土含量銳減，表明沉積物明顯粗化。質(zhì)量磁化率結(jié)果同樣增大，尤其在450—452 cm處，表明沉積物中磁性物質(zhì)的突然增多。

B5-4孔33—34 cm和450—452 cm處沉積物在顯微鏡下均見有數(shù)量不等、以橙色火山玻璃為主的火山碎屑，表明B5-4孔上述兩處異常變化應(yīng)是火山碎屑沉積所導(dǎo)致。

2.3 沉積物再沉積

已有研究結(jié)果表明，白令海北部陸坡附近海域表層沉積硅藻優(yōu)勢(shì)種一般為Neodenticula seminae（Simonsen＆Kanaya）Akiba＆Yanagisawa，F(xiàn)ragilariopsis cylindrus（Grunow）Krieger in Helmcke et Krieger和 Fragilariopsisoceanica（Cleve）Hasle，常見種主要有 Delphineis surirella（Ehrenberg）G.W.Andrews， Fossula arctica Hasle， Syvertsen et von Quillfeldt，Paralia sulcata（Ehrenberg）Cleve等，此外，還見有大量的硅藻休眠孢子（主要是角毛藻休眠孢子）［17］。

B5-7站表層沉積物樣品中硅藻豐度偏低，硅藻組合面貌與上述結(jié)果差異明顯，以Kisseleviella carina Sheshukova-Poretzkaya和Kisseleviella ezoensis Akiba為主（圖4），并出現(xiàn)少量的Paralia sulcata，Actinoptychus senarius（Ehrenberg）Ehrenberg等近岸種硅藻和Rhizosolenia spp硅藻碎片，Neodenticula seminae，F(xiàn)ragilariopsis cylindrus和 Fragilariopsis oceanica在B5-7中沒有出現(xiàn)。

據(jù)前人研究，Kisseleviella carina和 Kisseleviella ezoensis均為新近系硅藻化石［18］，其中，Kisseleviella carina在早中新世至中中新世早期（約18.5—15 Ma BP）比較常見，Kisseleviella ezoensis僅出現(xiàn)于早中新世（約 18.5—17 Ma BP），而 Paralia sulcata和 Actinoptychus senarius自始新統(tǒng)地層中發(fā)現(xiàn)以來一直存在［19］。

圖3 白令海B5-4孔火山碎屑沉積記錄（B5-4孔質(zhì)量磁化率結(jié)果引用自葛淑蘭未發(fā)表數(shù)據(jù)，縱坐標(biāo)箭頭同圖2）Fig.3.Record of volcanic deposits from Core B5-4（age sample is shown on y-axis as Fig.2）

綜上所述，Kisseleviella carina和 Kisseleviella ezoensis這兩種硅藻化石在B5-7樣品中的大量出現(xiàn)，且B5-7與白令海北部陸坡附近海域其他表層沉積物的硅藻組合面貌差異明顯，以及Neodenticula seminae，F(xiàn)ragilariopsis cylindrus和 Fragilariopsis oceanica在B5-7中的缺失，均表明該樣品可能是沉積物再沉積結(jié)果，其初始沉積年代大約為早中新世。

圖4 白令海B5-7站表層沉積物中再沉積硅藻電鏡照片F(xiàn)ig.4.Reworked diatoms examined by Scanning Electron Microscope（SEM）from the surface sediment B5-7.（a）Kisseleviella carina Sheshukova-Poretzkaya，×5183；（b）Kisseleviella ezoensis Akiba，×8803

3 討論

3.1 白令海海底大峽谷與深海異常沉積關(guān)系

白令海北部是寬廣的陸架區(qū)，南部是平均水深在3 000 m以上的深水區(qū)，在白令海陸架坡折處，是世界上著名的白令海海底峽谷體系［20］。自西北向東南分布有納瓦林斯基峽谷（Navarinsky Canyon）、佩爾旺什峽谷（Pervenets Canyon）等7條海底大峽谷。東部的普里比洛夫峽谷（Pribilof Canyon）、白令峽谷（Bering Canyon）和西部的納瓦林斯基峽谷相對(duì)較緩，平均坡度約2°，中部峽谷普遍較陡，平均坡度約 5°，向下深切［21］。

白令海北部陸坡遍布的海底大峽谷，對(duì)海底沉積物不可避免地產(chǎn)生重要影響。據(jù)前人研究［22］，在納瓦林斯基峽谷頭部外陸架-上陸坡位置發(fā)現(xiàn)的所謂的“沉積物波”，分布于水深為175—490 m的區(qū)域，波脊走向平行于等深線，波長600—650 m，波高約2—15 m，具有逆陸坡向上爬升特征，不可能是邊界流、氣象驅(qū)動(dòng)流、密度流、表面潮汐流等影響結(jié)果，只有當(dāng)內(nèi)波沿斜坡地形向上傾方向傳播時(shí)，其產(chǎn)生的流體才可能形成與上述沙波在形態(tài)、大小和位置等方面相吻合的特征。Carlson和Karl［23］研究發(fā)現(xiàn)，在白令海海底峽谷內(nèi)，濁流以及滑塌等可以將大量細(xì)粒沉積物從陸緣順著峽谷搬運(yùn)至深海盆。此類現(xiàn)象在冰期低海平面時(shí)期尤其明顯，由于當(dāng)時(shí)峽谷頭部離岸距離更近，深海沖積扇規(guī)模更大。可見，白令海海底峽谷形成與演化過程，就是沉積物在峽谷中不斷經(jīng)受沉積、侵蝕、搬運(yùn)和再沉積過程。

B5-7站位于Middle Canyon和Zhemchug Canyon附近。硅藻分析結(jié)果顯示其該站表層沉積物年代約為早中新世，故此推測(cè)該樣品可能是沉積物再沉積結(jié)果。BR02孔位于阿留申海盆，正常情況下沉積物類型應(yīng)是黏土質(zhì)粉砂（見圖2正常沉積層）或硅藻軟泥，但在BR02孔發(fā)現(xiàn)數(shù)段粗粒沉積物，從沉積層理和粒度參數(shù)分布結(jié)果推測(cè)為濁積層，結(jié)合測(cè)年結(jié)果，進(jìn)一步推測(cè)應(yīng)是末次冰消期／早全新世低海平面時(shí)期陸緣沉積物的異地搬運(yùn)結(jié)果。

3.2 白令海深?；鹕剿樾汲练e物的發(fā)現(xiàn)及其意義

眾所周知，包括白令海在內(nèi)，以及阿拉斯加西北部和俄羅斯東北部遠(yuǎn)東地區(qū)，位于歐亞板塊、太平洋板塊及北美板塊交匯區(qū)邊緣，特殊的地理位置決定其特殊的地質(zhì)構(gòu)造背景，地震、火山等現(xiàn)象在該區(qū)極為常見。據(jù)前人研究［24］，自晚新生代以來，白令海玄武巖區(qū)（Bering Sea basalt province）曾出現(xiàn)10余個(gè)火山噴發(fā)點(diǎn)，而堪察加半島［25］和阿留申島弧東端［26］則是白令海周邊另外兩個(gè)火山活動(dòng)集中區(qū)。

相比于陸地，白令海深海沉積物中火山活動(dòng)記錄較少。日本學(xué)者［27］曾報(bào)道過采自白令海北部陸坡的 St-11柱狀樣（176°57.4′W，57°02.9′N，水深3 650 m）結(jié)果，指出其中有31層火山灰層，但以上結(jié)論未經(jīng)確認(rèn)。事實(shí)上，這些粗粒濁積層（Coarse turbidity layers）可能并非火山灰層，或者僅是含火山碎屑的異常沉積層，而且，上述沉積層年代未定［28］。

在B5-4孔，同樣存在至少2層明顯的異常沉積層（圖3），鏡下均見有以橙色火山玻璃為主的火山碎屑，而且磁化率結(jié)果均不同程度增大，結(jié)合B5-4孔年代框架結(jié)果［29］，可以確定上述沉積層年齡分別為1.3 ka BP和13.2 ka BP。該異常沉積層或許可以成為重要的、區(qū)域性沉積事件學(xué)年代對(duì)比層，但考慮到尚有待補(bǔ)充巖石學(xué)、地球化學(xué)等其他證據(jù)，本文暫且稱其為火山碎屑沉積，其他相關(guān)測(cè)試結(jié)果以及該異常沉積層成因等，將另文詳述。

4 結(jié)論

本文分別以中國首次和第三次北極科學(xué)考察航次在白令海所取B5-4、B5-7和BRO2站沉積物樣品為例，對(duì)白令海深海常見的異常沉積類型沉積特征及其可能成因進(jìn)行了簡要分析，結(jié)論如下：

（1）BR02孔出現(xiàn)至少3段濁積層，濁積層具有典型的正粒序沉積層序，由下向上其粒度明顯變細(xì)，砂含量逐漸減少而黏土含量基本變化不大，與正常沉積層差異明顯。測(cè)年結(jié)果顯示上述濁積層主要分布于末次冰消期至中全新世。

（2）B5-4孔存在2段火山碎屑沉積層，其平均粒徑明顯變粗，砂含量劇增而粉砂與黏土含量銳減，質(zhì)量磁化率結(jié)果同時(shí)突然增大，并見有以橙色火山玻璃為主的火山碎屑，兩段火山碎屑沉積層年代分別約為1.3 ka BP和13.2 ka BP。

（3）B5-7站表層沉積物中的硅藻組合以新近系硅藻化石Kisseleviella carina和Kisseleviella ezoensis為主，且與白令海北部陸坡附近海域其他表層沉積物的硅藻組合面貌差異明顯，表明該樣品可能是再沉積樣品，其初始沉積年代大約為早中新世。

（4）白令海北部陸緣／陸坡區(qū)附近遍布的海底大峽谷對(duì)該區(qū)沉積物沉積過程具有重要影響，可能是導(dǎo)致該區(qū)濁流沉積與再沉積物的主要原因；另外，白令海位于歐亞板塊、太平洋板塊及北美板塊交匯區(qū)邊緣，其獨(dú)特的地理位置決定該區(qū)地震與火山等構(gòu)造活動(dòng)相對(duì)活躍，進(jìn)而進(jìn)一步促使該區(qū)海底異常沉積現(xiàn)象頻發(fā)。

致謝 本文分析測(cè)試所用的沉積物樣品及其信息和數(shù)據(jù)分別由中國極地研究中心沉積物庫和中國南北極數(shù)據(jù)中心建設(shè)的“極地標(biāo)本資源共享平臺(tái)（http：／／birds.chinare.org.cn）”提供。中國首次和第三次北極科學(xué)考察由國家海洋局極地考察辦公室組織實(shí)施。參加海洋地質(zhì)考察現(xiàn)場(chǎng)工作的隊(duì)員來自中國極地研究中心，國家海洋局第一海洋研究所、第二海洋研究所、第三海洋研究所，同濟(jì)大學(xué)等單位。作者謹(jǐn)向以上單位以及海洋地質(zhì)組考察隊(duì)員以及“雪龍”號(hào)全體船員表示衷心感謝。

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