楊婭敏, 曾志剛, 殷學博, 陳 帥, 裴文強, 朱博文

700年以來沖繩海槽南部黏土礦物來源及其對沉積環(huán)境的響應

楊婭敏1, 3, 曾志剛1, 2, 3, 4, 殷學博1, 4, 陳 帥1, 4, 裴文強1, 朱博文1, 3

(1. 中國科學院 海洋研究所 海洋地質(zhì)與環(huán)境重點實驗室, 山東 青島 266071; 2. 青島海洋科學與技術試點國家實驗室 海洋礦產(chǎn)資源評價與探測技術功能實驗室, 山東 青島 266061; 3. 中國科學院大學, 北京 100049; 4. 中國科學院 海洋大科學研究中心, 山東 青島 266071)

本文對沖繩海槽南部HOBAB4-S2站700年以來的黏土礦物組成及結晶學特征進行了研究和分析, 并對該區(qū)的物質(zhì)來源以及黏土礦物所記錄的東亞季風的演化歷史進行了探討。研究發(fā)現(xiàn)沖繩海槽南部HOBAB4-S2站黏土礦物組合總體是以伊利石(59%～77%, 平均含量69%)和綠泥石(11%～17%, 平均含量14%)為主, 蒙脫石(5%～23%, 平均含量12%)和高嶺石含量(2%～6%, 平均含量4%)則相對較低。通過黏土礦物研究對物源進行分析, 發(fā)現(xiàn)沖繩海槽南部研究站位的黏土礦物中, 伊利石、綠泥石以及高嶺石主要來自于臺灣島上的河流, 尤其是蘭陽溪, 蒙脫石則主要是來自于長江和東海大陸架的懸浮再沉積。蒙脫石/(伊利石+綠泥石)比值可以用來大致反映長江和東海大陸架與臺灣島對研究區(qū)物質(zhì)輸入的相對貢獻。其相對貢獻量的變化很好地記錄了小冰期(1405 A.D.—1850 A.D.)東亞夏季風的減弱和臺灣島東北部-沖繩海槽南部地區(qū)相對濕潤的氣候特征。而該比值所指示的現(xiàn)代暖期(1960 A.D.)夏季風強度的減弱則可能主要是受到人類活動的影響。

黏土礦物; 物源; 東亞夏季風; 沖繩海槽南部

沖繩海槽位于東海大陸架和西太平洋之間的過渡地帶, 其快速連續(xù)的沉積記錄了晚第四紀以來的陸源物質(zhì)輸入、海平面變化、氣候變化以及古環(huán)境演化等信息[1], 是研究東亞古環(huán)境變化和海陸相互作用的理想靶區(qū)[2-3]。利用沉積記錄進行古環(huán)境、古氣候研究的前提是識別沉積物物源[3-4]。然而, 沖繩海槽尤其是海槽南部地震、火山以及熱液活動頻繁[5-6], 加上黑潮以及沿岸流等對物質(zhì)搬運的影響, 使得本區(qū)沉積物來源異常復雜。

前人通過礦物學、元素地球化學以及沉積學等多種方法對沖繩海槽南部的沉積物物源進行了示蹤[2-3, 7-9]。目前, 對晚全新世以來沖繩海槽南部的黏土沉積物物源及沉積過程的認識仍然存在較多爭議, 主要分為以下兩種認識: 一種觀點認為自全新世中期約7.3 ka BP高海平面以來, 黑潮主軸又重新進入到?jīng)_繩海槽, 阻礙了長江和黃河等所攜帶的陸源沉積物的跨陸架輸運, 因此臺灣島上的河流成為沖繩海槽南部沉積物主要的物源區(qū)[3, 9]。至于物源主要來自臺灣島東部河流[9]還是西部河流[3]還尚無定論。另一種觀點則認為晚全新世以來除臺灣島物質(zhì)來源外, 長江物質(zhì)隨沿岸流的輸入和東海大陸架堆積物質(zhì)的再懸浮輸入也是該區(qū)沉積物的重要來源[10]。此外, 研究發(fā)現(xiàn)除了長江和臺灣島的物源輸入之外, 可能還有亞洲風塵以及呂宋島弧物質(zhì)的貢獻[11]。因此, 亟需高分辨率的沉積物巖芯樣品以及可靠的物源指標來更加準確地識別沖繩海槽南部沉積物的來源。

黏土礦物是指母巖經(jīng)風化和成壤作用形成的<2 μm的顆粒, 廣泛分布在海洋中, 是深海沉積物的主要組成部分[12]。受原巖性質(zhì)、巖石風化程度、構造運動以及氣候變化等因素的影響, 黏土礦物組合會產(chǎn)生相應的變化。因此, 可以通過黏土礦物組合判別其物質(zhì)來源[13]。近年來, 黏土礦物已被廣泛應用于多個海區(qū)的沉積物源研究中[14]。此外, 黏土礦物組合還記錄了搬運、再沉積以及環(huán)境演化等重要信息, 為研究晚全新世以來的古海洋、古環(huán)境演化, 提供了新的思路[15-16]。

本文主要通過對沖繩海槽南部近千年來黏土礦物的分析, 利用4種黏土礦物(蒙脫石、伊利石、綠泥石以及高嶺石)組合特征與含量變化, 探討海槽南部沉積物的來源及其對環(huán)境變化的指示。

1 區(qū)域概況

沖繩海槽是位于琉球島弧和東海大陸架之間的西邊緣海盆地。南北長約1 200 km, 東西寬約100～ 150 km, 形狀上為一狹長的帶狀地塹[17]。水深自海槽北部向南部不斷增加, 南部最深可達2 000 m以上。該區(qū)洋流系統(tǒng)較為復雜, 其中最主要的洋流是黑潮。黑潮是西太平洋北赤道暖流的北向分支, 經(jīng)呂宋島東部、臺灣島東部向沖繩海槽北部流動, 最后終止于日本海沿岸附近。它是低緯度向中高緯度輸送大量水汽和能量的重要洋流[18], 影響著全球和區(qū)域氣候的變化[19]。在臺灣島以東區(qū)域, 黑潮的最大流速約為150 cm/s, 水體寬度為125～170 km, 水深約為500 m[20]。當黑潮在臺灣島東北沿岸向北流動時, 遇到陸架坡折帶, 黑潮的流向會發(fā)生偏轉(zhuǎn)[21], 主流沿著陸架坡折帶向東北方向流動, 而部分黑潮則流向西南, 在棉花峽谷上方形成反向渦流[22], 這些反向渦流會影響懸浮顆粒的運移和沉積。沖繩海槽周邊的陸地河流對其貢獻了大量沉積物質(zhì)。長江的年徑流量為4.7×108t[23], 臺灣島上的河流總的年徑流量為4.36 ×1010m3左右, 年輸沙量約為2.63×108t。其中, 蘭陽溪平均每年向沖繩海槽南部的徑輸入量為6×106～9×106t[24-26]。

研究區(qū)氣候主要受東亞季風系統(tǒng)的控制, 其中降水、氣溫以及大氣環(huán)流都呈現(xiàn)出明顯的季節(jié)性波動特征[9, 27-28]并影響研究區(qū)的水文環(huán)境以及洋流的變化[3, 9, 27]。東亞季風主要由濕潤的東亞夏季風和干燥的東亞冬季風組成[28-29], 夏季時, 東南風攜帶著來自太平洋溫暖潮濕的氣流向中國大陸和臺灣島移動, 豐富的季風降水會導致臺灣島上的河流徑流量增加[30-33], 進而導致入海沉積物通量增加。冬季則相反, 盛行的西北風將歐亞大陸的干冷氣流帶到太平洋, 使氣候變得相對干冷。季風氣候的季節(jié)性波動不僅會導致沖繩海槽的水文狀況發(fā)生顯著的變化, 同時也對黑潮的強度產(chǎn)生重要的影響[9, 27, 34], 主要表現(xiàn)為: 夏(冬)季時, 以東亞夏(冬)季風為主, 風會在熱帶太平洋區(qū)域形成負(正)的風應力旋度, 使得北赤道流分支點向南(北)偏移, 導致黑潮強度增加(減弱)[35-36]。

2 研究材料與方法

2.1 研究材料

沉積物巖芯HOBAB4-S2(24°52′49.9″N, 122°37′19.7″E, 水深1 505 m)由中國科學院海洋研究所“科學號”考察船于2016年5月在沖繩海槽南部通過重力取樣器獲得, 巖芯全長4.77 m。分析表明, 巖性主要以泥質(zhì)粉砂巖為主, 偶見幾厘米到十幾厘米不等的砂質(zhì)粉砂夾層。顯微鏡下鑒定顯示, 沉積物主要由黏土礦物、石英、云母、長石、有孔蟲、少量的硅質(zhì)放射蟲以及黃鐵礦等硫化物顆粒組成①YANG Y, ZENG Z, LIU X, et al. Fine-grained turbidites in the southern Okinawa Trough and its implication for earthquakes activity in the past 700 years[J]. Geological Journal, 2021, Under Revision.。在實驗室內(nèi)對巖芯以1 cm間隔進行取樣, 共獲得了474個樣品。

2.2 研究方法

2.2.1 AMS14C測年

為建立較為可靠的沉積地層年代框架, 本文選取6個沉積層位的浮游有孔蟲(,和)進行AMS14C測年分析, 測試工作在美國Beta實驗室完成。根據(jù)Marine 13的標準利用CALIB 7.0軟件將測試獲得的14C年齡進行日歷年齡的校正。為消除區(qū)域性海洋儲庫效應, 本文采用日本南部Ishigaki島上的珊瑚確定的Δ=35±25[26, 37]進行了放射性碳年齡的校正, 并利用OxCal 4.4建立了HOBAB4-S2站位的地層年代模型。

2.2.2 黏土礦物分析

本文共對125個黏土粒級礦物樣品(<2 μm)進行了定向薄片的X射線衍射(XRD)分析。樣品測試前先加入15 %的H2O2和25 %醋酸, 以除去沉積物中的有機質(zhì)和碳酸鹽, 隨后加入去離子水清洗離心2遍[7-8]。根據(jù)Stoke沉降原理提取小于2 μm的懸浮液, 利用涂片法制成定向薄片, 自然風干。上機測試前先將薄片在60 ℃恒溫乙二醇蒸汽中飽和處理12 h, 測試是在中國科學院海洋研究所海洋地質(zhì)與環(huán)境重點實驗室完成, 所用儀器是產(chǎn)自德國的D8 A.D.VANCE型X射線衍射儀, 工作條件為: CuKα 輻射, 40 kV電壓, 40 mA電流。每個樣品分別掃描兩次, 第一次掃描角度(2)為3°～30°, 步長0.02°, 第二次掃描角度則為24°～26°, 步長為0.01°。

通過對比自然片、乙二醇飽和片的X射線衍射圖譜, 識別出黏土礦物種類。利用Topas 2P軟件對主要的衍射峰進行擬合。然后根據(jù)Biscayer的方法[38], 將乙二醇飽和片衍射圖譜上蒙脫石(17 ?, (1 ?=10–10m))、伊利石(10 ?)和高嶺石+綠泥石(7 ?)的衍射峰的峰面積作為基礎數(shù)據(jù), 按照1︰4︰2的權重因子計算出4種黏土礦物(蒙脫石、伊利石、綠泥石和高嶺石)的相對含量。之后再利用3.54 ?/3.58 ?的衍射峰面積的比值確定綠泥石和高嶺石的含量。伊利石的化學指數(shù)(Esquevin-Index)由乙二醇飽和片衍射圖譜上5 ?/10 ?的峰面積比計算獲得[39], 可用來指示不同的風化程度。當指數(shù)大于0.5, 代表的是經(jīng)過強烈風化水解作用所形成的富Al的伊利石; 而當指數(shù)小于0.5, 則代表物理剝蝕作用形成的富Fe-Mg的伊利石[40]。伊利石的結晶度則根據(jù)衍射圖譜上10 ?衍射峰的半高寬(FWHM)來確定, 蒙脫石的結晶度由17 ?衍射峰處的FWHM確定。其中FWHM值越小, 表示結晶度越好。

3 結果

沉積物巖芯HOBAB4-S2的黏土礦物自然片、乙二醇飽和片的X-射線衍射圖譜中可以識別出蒙脫石、伊利石、綠泥石和高嶺石4種黏土礦物組合(圖1)。

圖1 HOBAB4-S2 巖芯中典型的黏土礦物X-射線衍射圖譜(16～17 cm)

黏土礦物組成及其結晶學的參數(shù)隨深度的變化如圖2所示。黏土礦物主要由伊利石和綠泥石組成, 其次是蒙脫石和高嶺石。伊利石和綠泥石的含量為59%～77%和11%～17%, 平均含量分別為69%和14%。而含量較少的蒙脫石和高嶺石的變化范圍為5%～23%和2%～6%, 平均含量分別為12%和4%。此外, 巖芯中伊利石結晶度相對較小, 變化范圍為0.21°～ 0.35°Δ2, 平均值為0.26°Δ2(<0.4), 指示其伊利石結晶度極好; 蒙脫石結晶度為0.52°～1.81°Δ2, 平均值為1.35°Δ2, 指示蒙脫石結晶度為中等—好。伊利石的化學指數(shù)在0.29～0.57之間, 平均值為0.41(<0.5), 代表的是經(jīng)過物理剝蝕作用所形成的富Fe-Mg的伊利石[8, 39, 41]。

在中世紀暖期后期1326 A.D.—1405 A.D., 蒙脫石呈現(xiàn)略升高的特征, 而伊利石含量隨時間變化表現(xiàn)為逐漸降低, 高嶺石和綠泥石則呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢(圖2)。而在小冰期時期1405A.D.—1850 A.D., 沉積物中的蒙脫石整體呈現(xiàn)出逐漸降低的趨勢, 而伊利石則顯示出升高的變化, 高嶺石和綠泥石變化范圍相對較小, 且在同一時期兩者基本表現(xiàn)出相反的變化趨勢(圖2)。值得注意的是, 在1670A.D.—1750 A.D.左右, 蒙脫石含量出現(xiàn)最低值, 而伊利石含量在該時期則表現(xiàn)為最大值, 且伊利石化學風化指數(shù)則發(fā)生明顯降低。而現(xiàn)代暖期1850 A.D.以來, 蒙脫石隨著時間的變化相繼呈現(xiàn)出先升高、后降低的變化趨勢, 相反伊利石的變化曲線則表現(xiàn)為先降低后升高。高嶺石和綠泥石變化波動不大, 綠泥石整體呈現(xiàn)出升高的趨勢, 而高嶺石正好相反, 呈現(xiàn)略降低的趨勢。伊利石的化學風化指數(shù)和結晶度在該時期表現(xiàn)為逐漸增大的特征。

圖2 沉積物巖芯HOBAB4-S2 的黏土礦物組合(蒙脫石、伊利石、高嶺石和綠泥石)、伊利石化學指標、伊利石結晶度以及蒙脫石結晶度等參數(shù)隨深度的變化圖

注: 粗實線為局部加權回歸曲線

4 討論

4.1 黏土礦物物源分析

沖繩海槽南部位于邊緣海盆地, 其沉積物主要來自周圍河流的輸入, 臺灣島上的河流、長江等均為其潛在物源。此外, 由于東海大陸架距離研究站位較近, 其沉積物經(jīng)再懸浮搬運也可能對研究區(qū)內(nèi)的物質(zhì)組成有一定貢獻。盡管中國大陸風塵輸入也可能為研究區(qū)沉積物貢獻了部分物質(zhì), 但考慮到研究區(qū)較高的沉積速率, 以及周邊眾多河流物質(zhì)的巨量輸入[42], 風塵物質(zhì)對研究區(qū)的貢獻可以忽略不計。受控于氣候、基巖以及構造運動等因素的影響, 不同河流輸入的沉積物中黏土礦物含量存在明顯差異(表1)。臺灣島地層中廣泛分布著第三紀沉積巖以及變質(zhì)巖(板巖、千枚巖), 由于地形陡峭、構造活動頻繁、臺風頻發(fā)[43], 氣候又非常溫暖潮濕, 使得本區(qū)具有較高剝蝕率, 導致其出露的巖石主要遭受物理風化作用[44]。因此, 臺灣島地區(qū)沉積物具有相對較高的伊利石和綠泥石含量, 而高嶺石和蒙脫石的含量則很低[9, 43, 45-46]。長江由于氣候較暖濕, 且構造活動較穩(wěn)定, 所以源區(qū)母巖化學風化程度要強于臺灣島上的河流, 因此長江端元黏土礦物較臺灣島端元含有更多的蒙脫石和高嶺石[47-49](表1)。東海大陸架伊利石+綠泥石含量稍高于長江, 而蒙脫石含量與長江的相當或稍高, 高嶺石/綠泥石和蒙脫石/伊利石比值相對于臺灣島上的河流一般較高。為進一步限定HOBAB4-S2巖芯中的沉積物來源, 利用(高嶺石+蒙脫石)-綠泥石-伊利石三角圖(圖3a)和蒙脫石/伊利石-高嶺石/綠泥石比值投點圖(圖3b)與潛在物源端元進行對比分析。

表1 HOBAB4-S2巖芯中黏土礦物組合及潛在的沉積物源區(qū)

注: 表中所引用的黏土礦物數(shù)據(jù)用Biscaye方法[38]校正過

圖3 研究區(qū)樣品及相關海域河流沉積物黏土礦物潛在的物源區(qū), 包括長江[51, 53-54], 東海大陸架[52], 臺灣島上的河流(西部和東部河流)[43]以及臺灣島蘭陽溪[43, 50]

在黏土礦物(伊利石+綠泥石)-高嶺石-蒙脫石三角圖解上, 黏土礦物樣品投點主要落在臺灣島上的河流、東海大陸架以及長江范圍之內(nèi), 且靠近臺灣島上的河流(圖3a)。其中, 沉積物中蒙脫石含量相對較高, 為5%～23%, 平均值達12%左右, 明顯高于臺灣島上的河流表層沉積物中的蒙脫石含量(0～1%)[43, 50], 因此推測該站位蒙脫石并非主要來自于臺灣島上的河流, 可能有來自長江和東海大陸架蒙脫石的加入。研究還發(fā)現(xiàn)HOBAB4-S2樣品中蒙脫石結晶度為0.52°～1.81°Δ2, 平均值為1.36°Δ2, 與長江入海口表層沉積物中的蒙脫石結晶度相當(1.30°～ 1.44°Δ2)[51, 53], 推測長江物質(zhì)可能是研究區(qū)蒙脫石的重要物源。盡管前人認為自～7.5 ka高海平面以來, 由于長江河口與沖繩海槽之間的距離增加, 以及黑潮活動的增強, 阻斷了長江物質(zhì)向外海的跨陸架輸運, 認為研究區(qū)全新世以來物源全部來自于臺灣島上的河流[3, 9]。但其實黑潮并未完全阻斷長江物質(zhì)的跨陸架輸運, 長江每年排放約470 Mt的沉積物至東海大陸架[23], 其中很大一部分被潮汐或者長江沿岸流攜帶搬運至臺灣海峽附近[55], 隨后受到海峽中部高地形的阻隔以及由南向北的臺灣暖流的影響, 沿岸流轉(zhuǎn)向陸架并將大量的沉積物運移至陸架[56]。黑潮在進入沖繩海槽后, 由于受到海槽北部陸坡的阻隔, 會在棉花峽谷、北棉花峽谷的上方形成一反向渦流[22], 不斷侵蝕以長江物質(zhì)組成為主的東海大陸架的東南部[57], 東海大陸架在受到侵蝕后, 其沉積物經(jīng)再懸浮不斷向沖繩海槽南部搬運并沉積, 這也已通過沉積物中的稀土元素分析得到證實[10]。此外, 沖繩海槽南部-臺灣島東部海域火山活動頻繁, 巖石類型以玄武巖和流紋巖為主[17], 其化學風化也可能為研究區(qū)提供部分蒙脫石。但由于在海底缺氧以及相對低溫的環(huán)境下, 火山物質(zhì)較難被風化為蒙脫石[58]。而且沉積物巖芯中蒙脫石含量高的層位也并未發(fā)現(xiàn)有火山物質(zhì), 因此我們認為原位基性火山物質(zhì)蝕變可能并不是造成研究區(qū)蒙脫石含量高的原因。盡管呂宋島也具有高含量的蒙脫石[59], 但考慮到呂宋島距離研究區(qū)較遠(>200 km), 其對沖繩海槽南部的沉積物貢獻可能非常有限, 且海槽南部沉積物的εNd(–11.84～–10.78)和87Sr/86Sr比值(0.719 956～ 0.725 072)[3]與呂宋島弧火山巖中的值(εNd = –6.1～+9.5,87Sr/86Sr=0.703 35～0.706 22)[60]明顯不同, 也證實了該觀點。綜上, 我們認為長江和東海大陸架侵蝕再沉積物質(zhì)的加入可能是研究區(qū)沉積物中蒙脫石含量相對較高的主要原因。

研究區(qū)HOBAB4-S2樣品沉積物中伊利石+綠泥石含量(85%)明顯低于臺灣島上的河流中的含量(97%)。伊利石化學指數(shù)平均值為0.41(0.29～0.57)為富Fe-Mg的伊利石, 經(jīng)歷了較為快速的物理剝蝕作用。該指數(shù)與臺灣島西部河流(0.4)以及臺灣島東部蘭陽溪(0.45)中的伊利石化學指數(shù)相當, 均明顯低于臺灣島東部其他河流(0.51)以及長江中的伊利石化學指數(shù)(0.62～0.72)[51, 53-54], 指示其主要來自于臺灣島蘭陽溪以及西部河流, 而臺灣島東部其他河流以及長江貢獻相對較少。樣品伊利石結晶度極好(0.21°～0.35°Δ2, 平均值為0.26°Δ2)與蘭陽溪(0.30°Δ2)較為接近[43, 50], 而稍低于臺灣島西部河流(0.35°Δ2)[43, 53], 指示其礦物可能經(jīng)歷搬運、快速沉積的過程, 化學風化和水解作用不充分。因此, HOBAB4-S2巖芯中伊利石主要是來源于臺灣島上的河流尤其是蘭陽溪。由于沖繩海槽西南端靠近蘭陽溪, 臺灣島地區(qū)豐富的降雨以及陡峻的地形, 導致山脈的剝蝕速率非常高, 每年有1.0×107t的沖積物通過蘭陽溪向宜蘭外海輸入[43], 也側(cè)向說明其是重要物源。

綠泥石是風化作用的初始產(chǎn)物, 和伊利石的形成環(huán)境類似。HOBAB4-S2樣品中綠泥石含量為11%～17%, 平均值為14%, 稍高于長江入?？谔幍木G泥石含量(13%～14%), 而與蘭陽溪(17%)中的綠泥石含量較為接近, 說明蘭陽溪可能是研究區(qū)沉積物中綠泥石的一個重要源區(qū)。此外, 黏土礦物組合變化曲線顯示綠泥石與伊利石隨時間變化具有良好的一致性(圖2), 表明其可能與伊利石來自相同的源區(qū)-蘭陽溪。盡管有研究認為臺灣暖流可以將臺灣島西部河流中的沉積物向西北攜帶輸運至沖繩海槽南部沉積[61], 但其沉積物輸運量還尚需進一步的研究, 西部河流對沖繩海槽南部黏土礦物的貢獻量可能十分有限。所以, 綜合分析我們認為臺灣島上的河流尤其是蘭陽溪是研究區(qū)沉積物中伊利石和綠泥石的主要物源, 其次可能有少量的臺灣島西部河流的加入。

高嶺石是鐵鎂質(zhì)巖石在溫暖濕潤氣候條件下發(fā)生強烈水解作用的產(chǎn)物, 源區(qū)沉積物中高嶺石含量指示其化學風化的強弱[62]。沖繩海槽南部HOBAB4-S2站位高嶺石含量較低, 為2%～6%, 平均值為4%, 而長江中的高嶺石含量較高(14%～15%), 蘭陽溪中的高嶺石含量(6%)較為接近。此外, 高嶺石遇到堿性的海水會因為發(fā)生絮凝作用而發(fā)生沉降, 易在河口沉積[63], 不易被遠距離遷移。因此, 沖繩海槽南部HOBAB4-S2站位樣品中的高嶺石可能主要來自蘭陽溪。

綜合以上沖繩海槽南部沉積物黏土礦物來源的分析, 認為該研究區(qū)沉積物中的蒙脫石主要是來長江和東海大陸架上再懸浮物質(zhì)的輸入。伊利石和綠泥石以及高嶺石主要是來自臺灣島蘭陽溪, 也可能有部分臺灣島西部河流來源物質(zhì)的加入。

4.2 古環(huán)境響應

研究表明, 黏土礦物的組成、含量和結晶學特征不僅可以用來指示沉積物中細粒組分的物質(zhì)來源, 還可以反映沉積物源區(qū)氣候環(huán)境的信息[64]。本研究利用沉積物巖芯反映了該區(qū)700 a以來的沉積記錄, 時間跨度較短, 風化作用對沉積物中黏土礦物組合的影響相對較小, 因此黏土礦物參數(shù)的變化可能主要受控于沉積物物源輸入的變化。

由于黏土礦物含量是相對變化的, 為了進一步消除黏土礦物間的稀釋效應, 利用黏土礦物組合及其比值指示環(huán)境的變化[16]。黏土礦物物源分析表明, HOBAB4-S2孔中伊利石和綠泥石主要是來源于臺灣島上的河流-蘭陽溪, 可將其代表臺灣島來源物質(zhì)端元。蒙脫石則主要來自長江和東海大陸架受到黑潮侵蝕懸浮再沉積。因此, 蒙脫石/(伊利石+綠泥石)比值大致代表了長江/東海大陸架與臺灣島對研究區(qū)物質(zhì)輸入的相對貢獻。而東海大陸架物質(zhì)的輸入則主要受控于黑潮強度, 黑潮越強, 其對東海大陸架侵蝕和再懸浮搬運能力越強, 其對研究區(qū)的物質(zhì)輸入也就越多。而黑潮則主要受控于夏季風強度變化[34, 65],因此長江/東亞大陸架物質(zhì)的輸入與東亞夏季風強度呈正相關關系。而研究區(qū)的伊利石和綠泥石的含量主要由蘭陽溪等臺灣島上的河流貢獻[42], 其輸入量大小也取決于臺灣島當?shù)氐慕涤炅? 研究表明, 當夏季風增強時, 華南和臺灣島地區(qū)降雨量反而減少[66], 因此, 臺灣島上的河流向研究區(qū)的物質(zhì)輸入量與夏季風強度呈反相關關系?；诖? 蒙脫石/(伊利石+綠泥石)比值可大致反映東亞夏季風的強度, 比值升高, 則夏季風強度增強, 反之, 則減弱。

將蒙脫石/(伊利石+綠泥石)比值(圖4A)和董哥洞δ18O曲線[67]圖4B將相對比, 發(fā)現(xiàn)兩者之間具有十分相似的變化趨勢, 并識別出兩個東亞夏季風減弱階段: 1405 A.D.—1850 A.D.和1960 A.D.以來。小冰期(1405 A.D.—1850 A.D.)呈現(xiàn)出夏季風強度減弱的趨勢(圖4A), 這也與周秀驥等數(shù)值模擬結果一致[68]。1405 A.D.—1850 A.D.董哥洞δ18O曲線顯示該時期為寒冷期, 蒙脫石/(伊利石+綠泥石)比值也表現(xiàn)為低值, 表明夏季風強度在此階段減弱, 黑潮強度也因此減弱[69], 侵蝕東海大陸架再沉積的物質(zhì)相對減少, 同時由于夏季風強度減弱, 季風雨帶難以向北移動, 降水多集中在華東、臺灣島東北部[70](圖4C), 利于蘭陽溪攜帶更多臺灣島的物質(zhì)向沖繩海槽南部輸送, 海槽中臺灣島來源的沉積物明顯增多, 這也通過沉積物中的總有機碳(TOC)含量得到證實[71](圖4D)。該期季風強度的減弱認為可能與熱帶輻合帶南移(ITCZ)有關[72]。此外, 1960 A.D.以來, 蒙脫石/(伊利石+綠泥石)比值為低值, 說明此時夏季風較弱, 這與現(xiàn)代氣候要素觀測結果相一致[73]。該時期季風氣候減弱的原因認為可能是受人類活動影響氣溶膠排放量增加[74], 導致熱帶海溫異常增溫有關。

圖4 700年以來黏土礦物參數(shù)變化及其環(huán)境影響因素指標對比

注: HOBAB4-S2孔物源指標A曲線分別代表蒙脫石/(伊利石+綠泥石)比值; 環(huán)境指標B—D分別為董哥洞石筍δ18O曲線[67]; 沖繩海槽南部MD05-2908孔中淡水硅藻所占百分比[70]; 中國臺灣島東部黑潮區(qū)沉積物中總有機碳(TOC)含量百分比[71]; MWP: 中世紀暖期; LIA: 小冰期; CWP: 現(xiàn)代暖期

5 結論

本文對沖繩海槽南部HOBAB4-S2站位的巖芯樣品進行了黏土礦物分析, 并與周圍的潛在物源區(qū)的黏土礦物進行了對比, 同時對700 a以來沖繩海槽南部地區(qū)物質(zhì)來源以及環(huán)境變化進行了探討, 基本得出以下幾點結論:

(1) HOBAB4-S2站位沉積物黏土礦物主要由伊利石、綠泥石以及少量的蒙脫石和高嶺石組成。伊利石結晶度變化范圍為0.21°～0.35°Δ2, 平均值為0.26°Δ2, 指示其結晶度極好。伊利石化學指數(shù)為0.29～0.57, 平均值為0.41, 主要是經(jīng)物理剝蝕作用形成的富Fe-Mg伊利石。

(2) 巖芯黏土礦物特征與周圍潛在物源區(qū)對比分析表明, 蒙脫石主要是來自長江/東海大陸架懸浮再沉積物質(zhì)。而伊利石、綠泥石和高嶺石則主要是來自臺灣島上的河流, 尤其是蘭陽溪。

(3) 蒙脫石/(伊利石+綠泥石)比值代表了長江和東海大陸架輸入與臺灣島物源相對貢獻量的變化, 可大致反映東亞夏季風的強弱變化。該指標變化顯示出東亞夏季風強度在小冰期(1405 A.D.—1850 A.D.)減弱, 指示當時氣候相對濕潤強降雨的環(huán)境, 結果可以與董哥洞石筍δ18O記錄很好對比。此外, 該指標還顯示1960 A.D.以來夏季風強度也發(fā)生明顯減弱, 可能是與人類活動影響有關。

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Sediment provenance and its response to the paleoenviron-ment in the southern Okinawa Trough over the past 700 years

YANG Ya-min1, 3, ZENG Zhi-gang1, 2, 3, 4, YIN Xue-bo1, 4, CHEN Shuai1, 4, PEI Wen-qiang1, ZHU Bo-wen1, 3

(1. Key Laboratory of Marine Geology and Environment, Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266071, China; 2. Laboratory for Marine Mineral Resources, Pilot National Laboratory for Marine Science and Technology (Qingdao), Qingdao 266061, China; 3. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China; 4. Center for Ocean Mega-Science, Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266071, China)

The clay mineral composition and crystallographic characteristics of core HOBAB4-S2 from the southern Okinawa Trough (SOT) over the past 700 years were studied and analyzed in this paper using x-ray diffraction. In addition, the sediment provenance and the history of the East Asian monsoon recorded by clay minerals in this area were discussed. It was found that the clay mineral assemblages in the SOT were mainly composed of illite (59%～77%, mean 69%), chlorite (11%～17%, mean 14%), minor smectite (5%～23%, mean 12%), and kaolinite contents (2%～6%, mean 4%). The provenance analysis of clay minerals showed that illite, chlorite, and kaolinite were mainly from rivers in Taiwan island, especially the Lanyang River, while smectite was mainly from the suspended re-deposition of the Yangtze River and the East China Sea shelf. The smectite/(illite + chlorite) ratio can be used to roughly reflect the relative contribution of the Yangtze River, East China Sea shelf, and Taiwan island to the sediment input of the SOT. The variation of its relative contribution reflects the weakening of the East Asian summer monsoon well during the Little Ice Age (1405 A.D.?1850 A.D.) and the relatively wet climate in the SOT-northeast Taiwan island. In contrast, the weakening of the summer wind intensity during the modern warm period (1960 A.D.) indicated by this ratio may have been mainly influenced by human activities.

clay minerals; sediment provenance; East Asian summer monsoon; southern Okinawa Trough

Jan. 3, 2021

736.4

A

1000-3096(2021)11-0042-12

10.11759/hykx20210103002

2021-01-03;

2021-03-28

國家自然科學基金(91958213); 全球變化與海氣相互作用專項(GASI-GEOGE-02); 中國科學院國際合作局對外合作重點項目(133137KYSB20170003); 大洋“十三五”深海資源潛力評估項目(DY135-G2-1-02); 泰山學者工程專項(ts201511061); 國家重點基礎研究發(fā)展計劃(973計劃)項(2013CB429700)

[National Natural Science Foundation of China, No. 91958213; National Program on Global Change and Air-Sea Interaction, No. GASI-GEOGE-02; International Partnership Program of the Chinese Academy of Sciences, No. 133137KYSB20170003; National Special Fund for the 13th Five Year Plan of COMRA, No. DY135-G2-1-02; Special Fund for the Taishan Scholar Program of Shandong Province, No. ts201511061; National Key Basic Research Program of China, No. 2013CB429700]

楊婭敏(1990—), 女, 博士研究生, 主要從事海洋沉積學研究, E-mail: yanngyalem13@mails.ucas.ac.cn; 曾志剛(1968—),通信作者, 博士生導師, 研究員, 主要從事海底熱液活動研究, E-mail: zgzeng@ms.qdio.ac.cn

(本文編輯: 趙衛(wèi)紅)