李平原，路劍飛，夏真，甘華陽(yáng),2，倪玉根,3，王俊珠，常曉紅

1. 中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局，廣州 510760

2. 南方海洋科學(xué)與工程廣東省實(shí)驗(yàn)室，廣州 511458

3. 中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局南海地質(zhì)科學(xué)院，三亞 572024

南海周邊區(qū)域是現(xiàn)今全球表層陸地風(fēng)化剝蝕作用最強(qiáng)、剝蝕速率最大的地區(qū)，區(qū)域內(nèi)河流每年向南海供給7 億t 沉積物，約占全球總量的3.7%，使南海成為世界上接受陸源物質(zhì)最多的邊緣海之一[1-2]。南海同時(shí)受東亞季風(fēng)和深層洋流形成多層次的洋流系統(tǒng)的影響，水動(dòng)力條件十分復(fù)雜，對(duì)沉積物的源匯搬運(yùn)沉積過(guò)程具有非常巨大的影響[2-3]。因此，南海具有開(kāi)展海洋沉積學(xué)和古環(huán)境演變研究的優(yōu)勢(shì)。

南海北部陸坡是華南和臺(tái)灣地區(qū)陸源物質(zhì)輸送到深海海盆的重要路徑，同時(shí)也是這些區(qū)域陸源碎屑堆積的重要場(chǎng)所。相比陸架和深海海盆，陸坡沉積環(huán)境十分復(fù)雜，沉積物來(lái)源多，水動(dòng)力因素繁雜[4]，海平面、氣候和洋流都對(duì)沉積環(huán)境影響深遠(yuǎn)，尤以冰期間冰期海平面變化對(duì)其影響最為強(qiáng)烈[5]，因此，陸坡區(qū)域沉積環(huán)境恢復(fù)具有較高的難度。本文擬通過(guò)采自南海陸坡中部和底部的兩個(gè)重力柱，通過(guò)地球化學(xué)和粒度分析，探討三萬(wàn)年以來(lái)南海北部陸坡區(qū)沉積環(huán)境的演變特征。

1 區(qū)域背景

研究區(qū)域位于南海北部珠江口外海域，水深為200 ～3 800 m，等深線總體與海岸線平行，呈 NE-SW向延伸。研究區(qū)域按照地形[6]（圖1）可以分為上陸坡、陸坡臺(tái)地和下陸坡。上陸坡帶（200～1 400 m）坡度 1°～2°，寬度約為 60～80 km，以較為平緩的坡角向深海延伸；陸坡 1 400～1 600 m 處發(fā)育有陸坡臺(tái)地，臺(tái)地面起伏不大，不連續(xù)地分布在陸坡中部；臺(tái)階面南緣至 3 500 m 以深為下陸坡，坡度 1°～3°，坡度變陡，受海底溝谷強(qiáng)烈切割；陸坡底部經(jīng)平行于陸坡的海底溝谷過(guò)渡到深海洋盆[7-9]（圖1）。研究區(qū)域環(huán)流系統(tǒng)十分復(fù)雜。按照水深，研究區(qū)域水團(tuán)從上至下分為4 層：表層至溫躍面為季節(jié)性環(huán)流，冬季（10 月至次年3 月）為西南向順時(shí)針環(huán)流，夏季（4～9 月）為東北向逆時(shí)針環(huán)流；溫躍層之下至500 m深度為上層水團(tuán)，發(fā)源于西太平洋上層水，沿著陸架和陸坡逆時(shí)針運(yùn)動(dòng)；500～1 500 m 為南海中層水團(tuán)，順時(shí)針沿著陸坡進(jìn)入西太平洋；1 500～3 500 m以深為南海深層水團(tuán)，發(fā)源于西太平洋深層水，經(jīng)巴士海峽呈逆時(shí)針進(jìn)入南海，沿著陸坡向西流動(dòng)[10-12]。

圖1 研究區(qū)域及周邊地形圖a. 研究區(qū)域地形圖，b.研究站位的三維地形圖示，c. 研究站位地形剖面。圖中地形數(shù)據(jù)根據(jù)參考文獻(xiàn)[6]繪制，洋流數(shù)據(jù)根據(jù)參考文獻(xiàn)[10-12]繪制。Fig.1 Topographic map of the studied areaa. Topographic map of the area; b. three dimensional map of the studied region; c. topographic profile of studied sites;topographic data is derived from Ref.[6], current distribution citied from ref.[10-12].

2 材料方法及年代框架

本文所用的材料是2015 年中德聯(lián)合調(diào)查航次使用的廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局海洋4 號(hào)地質(zhì)調(diào)查船在南海北部陸坡獲得的兩個(gè)柱狀樣（表1），SCSF39采自南海陸坡水深 1 494 m 處，位于陸坡臺(tái)地的凸起地形上，巖芯長(zhǎng)420 cm，巖性為灰色泥質(zhì)粉砂，巖性均一，沒(méi)有明顯的層理，含有有孔蟲(chóng)殼體；SCSF41采自陸坡底部，陸坡與海盆的轉(zhuǎn)折處，水深3 717 m，巖芯長(zhǎng)460 cm，巖性為棕灰色泥質(zhì)粉砂沉積，沉積均一，含有有孔蟲(chóng)殼體。圖1b 和c 所示兩根重力柱均位于相對(duì)坡度較小、相對(duì)于周圍略凸起的微地形之上，使其免受濁流的影響。此外，兩個(gè)柱狀樣巖性均以較細(xì)的泥質(zhì)粉砂為主，顆粒均一，不見(jiàn)濁流發(fā)育的層理，對(duì)還原古沉積環(huán)境具有較好的優(yōu)勢(shì)。

本文對(duì)兩個(gè)重力柱開(kāi)展AMS14C 測(cè)年、碳酸鹽地層對(duì)比和有孔蟲(chóng)同位素定年，建立35 kaBP 以來(lái)年齡框架（圖2 和圖3）。樣品14C 測(cè)年數(shù)據(jù)由Beta實(shí)驗(yàn)室測(cè)試完成，主要采用有孔蟲(chóng)Globigerinoides ruber（G.ruber）殼體碳酸鹽測(cè)年，使用 Calib 7.0.1 軟件對(duì)所獲得的14C 年齡進(jìn)行日歷年齡校正。對(duì)兩根柱子以5 cm 間隔取樣，經(jīng)干燥、浸泡、沖洗、篩選出有孔蟲(chóng)G.ruber殼體，后用 Thermo MAT 253 質(zhì)譜儀進(jìn)行氧碳同位素測(cè)定。

在SCSF39 和SCSF41 站位研究中，發(fā)現(xiàn)其元素地球化學(xué)記錄中存在較為清晰的“碳酸鹽稀釋事件”。Huang 等[13]發(fā)現(xiàn)11.0～8.5kaBP 在南海北部東沙至西沙陸坡區(qū)域沉積物中碳酸鹽含量減少的事件被稱為“碳酸鹽稀釋事件”，該事件研究十分成熟，常作為標(biāo)志事件用來(lái)校正地層的年齡框架。本文選取研究區(qū)附近的 ZHS-176 站位（水深 1 383 m）[14]作為參考，通過(guò)該站位CaCO3與SCSF39 和SCSF41 兩站位CaO含量為研究站位提供較為可靠的年齡控制點(diǎn)（圖2）。

同時(shí)本文還采用前人[15-16]的研究方法，通過(guò)SCSF39 和SCSF41 站位的氧同位素對(duì)比附近的17 940站位有孔蟲(chóng)氧同位素[15,17]，獲得年齡控制點(diǎn)，并與附近MD05-2 904 站位氧同位素[18-19]進(jìn)行比較來(lái)驗(yàn)證年齡框架的可靠性（圖4）。通過(guò)上述方法結(jié)合獲得兩個(gè)站位的年齡控制點(diǎn)后，通過(guò)線性內(nèi)插分別計(jì)算出兩個(gè)站位的年齡。

圖2 SCSF39 站位和 SCSF41 站位與 ZHS-176站位碳酸鹽稀釋事件對(duì)比分析ZHS-176 數(shù)據(jù)來(lái)自參考文獻(xiàn)[14]。Fig.2 Comparison of carbonate-dilution events from Core ZHS-176, Core SCSF 39, SCSF41 and Carbonate Core ZHS-176 derived from ref.[14].

對(duì) SCSF39 和 SCSF41 兩個(gè)重力柱以 5 cm 間隔取樣，從上至下分別獲得94 個(gè)樣品和92 個(gè)樣品，用來(lái)進(jìn)行地球化學(xué)元素測(cè)試和粒度測(cè)試。樣品地球化學(xué)元素測(cè)試采用XRF 壓片法測(cè)試，每個(gè)樣品稱取約 3 g，40 ℃ 烘干 6 h，120 ℃ 烘干 2 小時(shí)，冷卻至室溫；研磨后以硼酸為輔料在液壓機(jī)上壓成餅狀，放入 Axios XRF（SYC186）X 熒光光譜儀進(jìn)行測(cè)試，常量元素誤差小于0.1%。

樣品粒度測(cè)試采用Mastersizer3000 激光粒度儀測(cè)試，取約 1 g 沉積物樣品，分別加入 5 mL 30% 的雙氧水（H2O2）和0.25 mol/L 的鹽酸除去樣品中的有機(jī)質(zhì)和碳酸鹽。用蒸餾水洗去樣品中的鹽酸至中性，再將處理后的樣品經(jīng)超聲波振蕩分散，使用激光粒度儀進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試范圍 0.02～2 000 μm，粒徑分辨率為0.01Φ，相對(duì)誤差小于2%。根據(jù)?？路诸悩?biāo)準(zhǔn)[20]，黏土粒徑大于 8Φ（小于 4 μm），粉砂粒徑 4～8Φ（4～63 μm），砂粒徑小于 4Φ 大于（大于 63 μm）。兩個(gè)重力柱的有孔蟲(chóng)氧碳同位素、沉積物地球化學(xué)元素和粒度測(cè)試均在廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局實(shí)驗(yàn)測(cè)試中心完成。

表1 SCSF39 站位和 SCSF41 站位基本信息Table 1 Details of Core SCSF39 and SCSF 41

圖3 SCSF39 站位和 SCSF41 站位與17940 站位氧同位素?cái)?shù)據(jù)對(duì)比17940 冰芯氧同位素?cái)?shù)據(jù)來(lái)自參考文獻(xiàn)[15, 17]。Fig.3 Comparison of foraminifer oxygen isotope in Core SCSF 39, SCSF41 and foraminifer oxygen isotope in 17940 oxygen isotope data of 17940 is derived from ref.[15] and ref.[17].

圖4 SCSF39 站位和 SCSF41 站位與 MD05-2904站位有孔蟲(chóng)氧同位素對(duì)比MD05-2904 數(shù)據(jù)來(lái)自參考文獻(xiàn)[18-19]。Fig.4 Comparison of foraminifer oxygen isotope among Core SCSF 39, SCSF41 and Core 17940 foraminifer oxygen isotope data of MD05-2904 is derived from ref. [18] and ref. [19].

3 結(jié)果

根據(jù)上述年齡框架，對(duì)比SCSF39 和SCSF41 站位與南海 MD05-2 904 站位氧同位素曲線[18-19]，發(fā)現(xiàn)3 個(gè)站位有孔蟲(chóng)氧同位素曲線在全新世、MIS2 期和 MIS3 期變化一致（圖 4），表明 SCSF39 和 SCSF41的年齡框架具有較高的可信度。MD05-2 904 站位（20°27.6′N、116°15′E）位于南海北部陸坡，水深2 066 m，地層記錄詳細(xì)。它與 SCSF39 和 SCSF41 站位距離較近，且沉積環(huán)境較為相似，對(duì)后者具有較好的參照意義。

柱狀樣SCSF39 和SCSF41 主量元素的垂向分布顯示（圖 5），SiO2/Al2O3和 TiO2/Al2O3比值變化基本同步；CaO/Al2O3和Sr/Al 比值變化與之相反。MIS3時(shí)期（35～29 kaBP）SiO2/Al2O3和 TiO2/Al2O3處于相對(duì)高值，CaO/Al2O3和 Sr/Al 處于相對(duì)低值；MIS2 時(shí)期（29～11.7 kaBP）SiO2/Al2O3和 TiO2/Al2O3較 MIS3期有所升高；早全新世（11.5～8.5 kaBP），SiO2/Al2O3和TiO2/Al2O3比值下降尤為突出，出現(xiàn)極低值；在全新世中期（8.5 kaBP 左右）后 SiO2/Al2O3和 TiO2/Al2O3比值慢慢升高，出現(xiàn)小幅波動(dòng)，CaO/Al2O3和Sr/Al 在全新世呈現(xiàn)鋸齒小幅波動(dòng)，比值整體上呈現(xiàn)較MIS2期高。

重力柱狀樣SCSF39 和SCSF41 粒度特征的分布分析發(fā)現(xiàn)（圖 6），兩柱以粉砂（4～64 μm）為主，黏土（＜4 μm）含量次之，砂（＞64 μm）的含量最少。SCSF39 柱粉砂含量從MIS3 期下降至全新世早期出現(xiàn)最低值，之后含量升高，黏土變化趨勢(shì)與之相反，砂含量波動(dòng)較大，沒(méi)有明顯的趨勢(shì)，平均粒徑受粉砂含量影響明顯，MIS2 期相對(duì)較細(xì)，全新世平均粒徑呈現(xiàn)變粗的趨勢(shì)；SCSF41 柱粉砂含量在MIS2期呈現(xiàn)小幅波動(dòng)，在全新世中期含量升高，黏土變化趨勢(shì)相反，砂含量波動(dòng)明顯，MIS2 期波動(dòng)較大，平均粒徑變化幅度很小。

4 討論

4.1 冰期間冰期海平面變化對(duì)陸坡沉積物組分的影響

南海北部陸坡基本處在CCD 以上，為典型的半遠(yuǎn)洋沉積：由陸源物質(zhì)與生源物質(zhì)共同組成，包含黏土質(zhì)粉砂、粉砂質(zhì)黏土以及鈣質(zhì)軟泥等多種沉積物類型[8,21,22]。Zhao 等[22]對(duì)北部陸坡的成分開(kāi)展了詳細(xì)的研究，發(fā)現(xiàn)陸源碎屑的含量為59%～82%，碳酸鹽為15%～38%，蛋白石和有機(jī)質(zhì)分別為1.6%～2.9%和0.7%～1.4%，基本以陸源碎屑和碳酸鹽沉積物為主。前人[23-25]對(duì)主量元素的指示意義做了較為系統(tǒng)的研究，認(rèn)為SiO2通常賦存于石英碎屑和其他硅酸鹽碎屑等陸源碎屑中，TiO2元素化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，風(fēng)化后難以形成可溶性的化合物，兩者都是較好的陸源碎屑組分指標(biāo)，CaO 為生物沉積碳酸鹽的主要成分，為海洋自生的鈣質(zhì)生物碎屑代用指標(biāo)。此外，有研究指出Sr 和Ca 類似，主要賦存于海洋生物貝殼類殘骸中，同樣對(duì)生物碎屑組分具有較好的指示意義[26]。

圖6 SCSF39 站位和 SCSF41 站位粒度分布特征Fig.6 Grain size distributions of the Core SCSF39 and SCSF41

圖5 顯示，以 SiO2/Al2O3和 TiO2/Al2O3代表的陸源物質(zhì)含量和以CaO/Al2O3和Sr/Al 代表的海洋生物碎屑物質(zhì)組分呈現(xiàn)較為明顯的反相關(guān)關(guān)系。陸源物質(zhì)增加的時(shí)候海洋鈣質(zhì)生物組分呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，海洋鈣質(zhì)生物組分升高的時(shí)期陸源物質(zhì)組分也呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。全新世和MIS3 時(shí)期，陸源物質(zhì)含量較低，而海洋鈣質(zhì)生物碎屑組分含量相對(duì)較高；而在MIS2 期海洋生物碎屑物質(zhì)含量較低，陸源碎屑物質(zhì)含量較高。

陸源物質(zhì)和海洋生物碎屑物質(zhì)含量的變化與海平面變化較為一致，表現(xiàn)為低海平面時(shí)，陸源物質(zhì)含量增加，海平面高時(shí)生物碎屑物質(zhì)含量增加[27]。Zhao 等[22]認(rèn)為冰期時(shí)南海北部大陸架海平面下降幅度高達(dá)120 m, 按照這個(gè)高度計(jì)算，陸源物質(zhì)從最近的陸地搬運(yùn)到研究站位的距離縮短近一半。另外，寬闊的大陸架成為新的物源區(qū)，同樣產(chǎn)生大量的陸源碎屑物質(zhì)。陸源碎屑物質(zhì)的增多，稀釋了海洋生物碎屑組分，使得冰期時(shí)SiO2/Al2O3和TiO2/Al2O3增大，間冰期時(shí)CaO/Al2O3和Sr/Al 增大。

位于不同深度的SCSF39 站位和SCSF41 站位在陸源物質(zhì)/海洋生物碎屑物質(zhì)變化幅度方面有輕微的差別。SCSF39 站位位于陸坡中部，水深相對(duì)較淺，SiO2/Al2O3和TiO2/Al2O3變化幅度相對(duì)較強(qiáng)，而SCSF41 站位位于陸坡和深海海盆交界處，水深相對(duì)較深，其SiO2/Al2O3和TiO2/Al2O3變化幅度相對(duì)較小。Huang 等[13]在南?！疤妓猁}稀釋事件”的研究中已有發(fā)現(xiàn)，陸坡深水區(qū)的站位較陸坡淺水區(qū)站位的碳酸鹽虧損值小。本研究證實(shí)該結(jié)論：水深較淺的站位距離源區(qū)更近，受到海平面升降對(duì)陸源物質(zhì)的供給控制更為顯著，而水深較深的站位，距離物源更遠(yuǎn)，海平面變化影響陸源物質(zhì)供給較為有限。因此，冰期間冰期海平面變化對(duì)水深較淺的站位影響更為顯著，對(duì)水深較深的站位影響較小。

4.2 全新世初期東亞夏季風(fēng)增強(qiáng)在沉積記錄中的響應(yīng)

東亞夏季風(fēng)是研究區(qū)域重要的強(qiáng)迫因子之一，它對(duì)陸坡區(qū)域沉積環(huán)境的影響是間接的，通過(guò)改變物源區(qū)域來(lái)影響沉積環(huán)境，最明顯的標(biāo)志是SCSF39和SCSF41 兩個(gè)站位記錄的“碳酸鹽稀釋事件”。前人對(duì)南海北部沉積物物源做了大量的工作，認(rèn)為該區(qū)域沉積物主要來(lái)自臺(tái)灣和呂宋地區(qū)，經(jīng)表層和深水洋流搬運(yùn)沉積而來(lái)[2,3,12,13]。Huang 等[13]收集了南海40 個(gè)站位的沉積記錄，發(fā)現(xiàn)在全新世初期（11.5～8.5 kaBP），南海北部陸坡沉積物中出現(xiàn)碳酸鹽組分虧損事件，在綜合了大量資料的基礎(chǔ)上提出，全新世初期全球變暖，西太暖池海洋表層溫度升高，生成強(qiáng)臺(tái)風(fēng)數(shù)目增加，這些臺(tái)風(fēng)導(dǎo)致臺(tái)灣島水土流失加劇，形成大量的陸源碎屑，并隨洋流和中尺度渦擴(kuò)散至南海北部，陸源物質(zhì)的大量增加稀釋了沉積物中的碳酸鹽組分，形成了“碳酸鹽稀釋事件”。

SCSF39 和SCSF41 站位元素地球化學(xué)記錄（圖5）及沉積物粒度特征記錄（圖6）中均記錄到該事件，在 11.5～8.5 kaBP，兩個(gè)站位 CaO/Al2O3和 Sr/Al出現(xiàn)不同程度的下降（圖5），位于陸坡上部的SCSF39站位表現(xiàn)更加強(qiáng)烈，在該站位粉砂含量急劇增加，平均粒徑變細(xì)（圖6）。結(jié)合SCSF39 和SCSF41 站位地球化學(xué)元素和粒度數(shù)據(jù)，本研究贊同Huang 等[13]的觀點(diǎn)，即全新世初期由于臺(tái)風(fēng)事件增強(qiáng)來(lái)自臺(tái)灣地區(qū)陸源物質(zhì)總量增加，但海平面上升淹沒(méi)了臺(tái)灣以西至中沙地區(qū)大片的淺海地區(qū)，使陸源碎屑沉積物的搬運(yùn)距離更遠(yuǎn)，雖然陸源物增加，但沉積物顆粒卻變細(xì)。

SiO2/Al2O3和 TiO2/Al2O3及 CaO/Al2O3和 Sr/Al比值變化特征在MIS2 和全新世中后期反映的是海平面的影響，如在夏季風(fēng)最弱的MIS2 時(shí)期陸源碎屑含量反而較高，在夏季風(fēng)最強(qiáng)的MIS3 和全新世時(shí)期陸地風(fēng)化作用最強(qiáng)，而陸源碎屑含量反而最低，這些特征表明東亞夏季風(fēng)對(duì)陸坡沉積環(huán)境的影響要小于海平面升降的影響。但除了影響物源，東亞夏季風(fēng)是否對(duì)中層流和深層流產(chǎn)生影響，需要做更深入的工作。

5 結(jié)論

南海陸坡銜接陸架和深海海盆，地形復(fù)雜，影響因素繁多。本文對(duì)南海陸坡中部和底部的兩個(gè)重力柱開(kāi)展了元素地球化學(xué)和粒度分析，發(fā)現(xiàn)海平面和東亞夏季風(fēng)對(duì)陸坡沉積環(huán)境影響十分顯著：

冰期間冰期海平面變化控制陸坡陸源碎屑物質(zhì)/深海鈣質(zhì)碎屑組成，影響沉積物中地化元素的比例，冰期時(shí)陸源物質(zhì)沉積物增加，重力柱中SiO2/Al2O3和TiO2/Al2O3比值升高，間冰期時(shí)陸源碎屑物質(zhì)減少，重力柱中CaO/Al2O3和Sr/Al 比值升高；

研究區(qū)域地層在全新世初期（11.5～8.5 kaBP）出現(xiàn)“碳酸鹽稀釋事件”，CaO/Al2O3和Sr/Al 比值呈現(xiàn)低值，可能與東亞夏季風(fēng)增強(qiáng)和臺(tái)風(fēng)增多有關(guān)，降水作用增加導(dǎo)致陸源物質(zhì)大量增加，稀釋了沉積物中的生源組分。

致謝：本文的研究材料由2015 年中德聯(lián)合科考航次提供，感謝參與此航次的全體科考人員和海洋四號(hào)全體船員。德國(guó)萊布尼茨波羅的海海洋研究所（IOW）Joanna Waniek 教授，廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局王玉鳳、胡夢(mèng)茜，華南師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院李明坤老師，河海大學(xué)海洋學(xué)院吳瓊老師，自然資源部第三海洋研究所趙紹華老師在研究中提供了大量的幫助和建議，同濟(jì)大學(xué)黃恩清老師提供了大量指導(dǎo)和重要的科學(xué)數(shù)據(jù)，兩位匿名審稿人提供重要的意見(jiàn)和建議，在此表示感謝。