陳亮 劉紫荊 殷征欣 唐盟
關(guān)鍵詞 中布容事件;南極底層流;馬里亞納海溝南部;深海沉積
第一作者簡介 陳亮,男,1981年出生,博士,高級工程師,海洋沉積環(huán)境,E-mail: randal34@163.com
中圖分類號 P736.21+3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A
0 引言
中布容事件(MBE)是過去80萬年以來最重要的全球氣候變化事件[1],其表現(xiàn)為約0.4 Ma時(shí)氣候變化的10萬年周期的增強(qiáng)及碳酸鹽溶解事件[2?3],冰芯記錄顯示MBE之后間冰期相較于之前更加溫暖且大氣CO2含量更高,深海氧同位素也顯示MBE之后間冰期海平面更高[4],MBE以溫暖和高生產(chǎn)力事件開始,而且在南北極區(qū)域表現(xiàn)最為顯著,MBE發(fā)生時(shí)北冰洋中層海水溫度發(fā)生了較大變化,并導(dǎo)致了在約40萬年時(shí)大西洋徑向翻轉(zhuǎn)環(huán)流發(fā)生重大改變[5]。對于MBE的發(fā)生,Yin[6]在模型模擬的基礎(chǔ)上,僅針對日照的變化得出海冰、溫度、蒸發(fā)和鹽度之間的反饋引起了MBE之前強(qiáng)烈的南極底層水形成和南大洋對流,并認(rèn)為MBE是對一系列單獨(dú)間冰期事件的反饋。也有學(xué)者提出發(fā)生于南極48萬年前的隕石撞擊事件,可能導(dǎo)致了MBE的發(fā)生[7]。目前大多數(shù)觀點(diǎn)認(rèn)為,MBE時(shí)期氣候的突然變化,可能與西南極冰蓋的融化有關(guān),它導(dǎo)致全球底層流的變化,促使開闊海區(qū)的生物勃發(fā),但全球性的深層水重組目前還未發(fā)現(xiàn)[3]。
研究區(qū)域位于馬里亞納海溝南部,西太平洋暖池北部,現(xiàn)代南極繞極深層水進(jìn)入東馬里亞納海盆在海溝南端分叉為兩支:一支進(jìn)入西北太平洋海盆,一支進(jìn)入西馬里亞納海盆,最后流入菲律賓海盆[8?9]。通過在馬里亞納海溝南部海域調(diào)查,發(fā)現(xiàn)一根柱狀樣記錄了沉積物類型由遠(yuǎn)洋黏土向硅質(zhì)的根本性轉(zhuǎn)變,采樣點(diǎn)位于海溝南部低洼地帶邊緣,距離海溝約200 km。該段海溝地貌東寬西窄,海溝內(nèi)底層流在較弱時(shí),大多能通過西部狹窄的通道進(jìn)入雅浦海溝及西北部菲律賓海盆內(nèi),當(dāng)?shù)讓恿鬏^強(qiáng)時(shí),會沿海溝南部低洼地邊緣流動(dòng),進(jìn)而影響到研究區(qū)域。古地磁結(jié)果顯示該樣底部年代超過了78萬年,進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)沉積物類型的轉(zhuǎn)換反應(yīng)了MBE時(shí)期南極底層水對該區(qū)域的影響,對于認(rèn)識MBE發(fā)生時(shí)南極底層水的變化及對全球氣候轉(zhuǎn)換的影響具有重要的意義。
1 研究方法
2017年5月,執(zhí)行全球變化與海氣相互作用專項(xiàng)時(shí),由海測3301船在馬里亞納海溝南部采用重力柱狀取樣器獲取一根長533 cm的柱狀樣品(CJ10-18號,143°34′ E,9°11′ N),取樣水深4807 m,同時(shí)參考前人在該海域兩個(gè)站位的研究[10?11](圖1)。返回實(shí)驗(yàn)室后對樣品進(jìn)行了分樣,古地磁樣品采用邊長2cm無磁性塑料立方盒連續(xù)取樣。
古地磁樣品采集后在北京大學(xué)采用超導(dǎo)磁力儀(2G-755)進(jìn)行了退磁分析,退磁步驟在0~50 mT間距為5 mT,在50~100 mT間距為10 mT,測試后利用DAIE程序[12]獲取每個(gè)樣品的特征剩磁,隨后對所有樣品采用該實(shí)驗(yàn)室MFK卡帕橋儀進(jìn)行了磁化率各向異性測試。非磁滯剩磁(ARM)在中國科學(xué)院地球環(huán)境研究所采用2G-760 U-channel巖石超導(dǎo)磁力儀測試,先使樣品在交變磁場峰值為100 mT、直流場為50 uT環(huán)境中獲得ARM,隨后對ARM進(jìn)行交變退磁,50 mT之前步長為5 mT,之后以10 mT 為步長逐步退到80 mT。
同時(shí),由自然資源部第三海洋研究所按照10 cm間隔選取54個(gè)樣品開展了涂片粒度鑒定。利用廈門大學(xué)AVAATECH-X射線熒光巖心掃描儀對巖心柱進(jìn)行了掃描測試,由于樣品原因,頂部0~82 cm樣品未能進(jìn)行掃描測試。
2 結(jié)果
2.1 沉積物類型特征
現(xiàn)場分樣及室內(nèi)測試數(shù)據(jù)結(jié)果均顯示,本柱自底層至表層沉積物類型發(fā)生了根本性轉(zhuǎn)變。依據(jù)現(xiàn)場分樣記錄(表1),0~322 cm為硅質(zhì)軟泥,322~342 cm為含黏土和硅質(zhì)的鈣質(zhì)軟泥,342 cm至底部為黏土。
涂片粒度鑒定結(jié)果顯示,本柱在190 cm以上為硅質(zhì)軟泥,硅質(zhì)占比達(dá)到90%以上;400 cm以下沉積物類型為黏土,無鈣質(zhì)及硅質(zhì)組分;200~390 cm之間沉積物類型多樣化,遠(yuǎn)洋沉積物中常見的硅質(zhì)、鈣質(zhì)及黏土組分在各層位大都存在,沉積物類型主要為含黏土的硅質(zhì)軟泥、黏土硅質(zhì)鈣質(zhì)軟泥、硅質(zhì)軟泥、硅質(zhì)鈣質(zhì)軟泥、含黏土和硅質(zhì)的鈣質(zhì)軟泥等,其中硅質(zhì)主要為成席硅藻Ethmodiscus rex,平均含量達(dá)95.8%。
選取XRF掃描結(jié)果中沉積物常見的7種元素Si、Ca、Al、Ti、Fe、Mn、Ba進(jìn)行分析??梢钥闯?,這7種元素強(qiáng)度計(jì)數(shù)(cnts)的變化存在兩個(gè)明顯的規(guī)律性(圖2),一是以322~342 cm為界,各元素均出現(xiàn)較大變動(dòng),尤其以代表陸源的Al、Ti、Fe、Mn這4種元素變化最為明顯,下部均明顯高于上部;二是各元素含量與Ca元素含量均成反比的關(guān)系,根據(jù)分樣描述及涂片鑒定,該柱樣中Ca元素含量高的層位主要為有孔蟲殼體。
結(jié)合涂片粒度分析、XRF掃描分析及分樣描述,可將本柱樣沉積物類型主要?jiǎng)澐譃? 類,底部至340 cm以遠(yuǎn)洋黏土為主,320 cm至表層以硅質(zhì)軟泥為主,鈣質(zhì)有孔蟲主要以層狀分布在320~340 cm及470 cm處。
2.2 古地磁特征
本柱樣古地磁退磁結(jié)果顯示,隨著交變磁場強(qiáng)度的增大所有樣品剩余磁化強(qiáng)度均逐漸降低,90%以上樣品在100 mT時(shí),剩磁已降為初始值的10%以下(圖3a),表明退磁效果好,獲取的特征剩磁參數(shù)可靠。
由于樣品采集時(shí)未能確定采樣方位角,因此磁偏角數(shù)據(jù)為相對偏角。對該柱古地磁相對偏角、傾角及最大角度偏差(MAD)作圖(圖3b),可以看出,該柱91%以上樣品MAD 值在5°以下,個(gè)別樣品大于10°,表明整柱古地磁記錄信息較為穩(wěn)定,MAD相對較高值主要位于柱樣上部及底部個(gè)別層位。根據(jù)國際地磁參考場(IGRF)計(jì)算結(jié)果,現(xiàn)今(1900年)研究區(qū)域地磁場傾角約為6°,偏角為3°,由于重力柱獲取的樣品表層一般會被擾動(dòng),因此,該柱表層部分古地磁樣品存在一定失真的情況,12~505 cm,統(tǒng)計(jì)傾角平均值為10.5°,略大于現(xiàn)今傾角值,在大多數(shù)層位,本柱傾角和相對偏角值變化均較為穩(wěn)定。在底部507 cm磁傾角發(fā)生了持續(xù)且穩(wěn)定的倒轉(zhuǎn),同時(shí)偏角也發(fā)生了約180°的轉(zhuǎn)變,轉(zhuǎn)變層位MAD值也出現(xiàn)了升高的現(xiàn)象,因此可以確定,該層位發(fā)生了古地磁倒轉(zhuǎn)事件,即為布容—松山(B/M)界限,年代為距今約78萬年。
2.3 磁化率各向異性特征
磁化率各向異性分析結(jié)果顯示,本柱磁化率所表征的磁小體短軸(K3)傾角平均值為79.1°,且87%以上樣品大于70°,磁小體以“平躺”狀分布為主(圖4a),說明本柱樣磁性顆粒沉積時(shí)為正常分異狀態(tài),所獲得的古地磁數(shù)據(jù)及磁化率各向異性數(shù)據(jù)可靠。
對獲取的磁化率各向異性參數(shù)體積磁化率K、磁線理度L、磁面理度F、磁化率各向異性度P、基質(zhì)顆粒度q及扁率E進(jìn)行作圖分析(圖4b),可以看出,自底部到頂部沉積動(dòng)力作用過程大致可以分為4個(gè)階段:階段Ⅰ為底部至380 cm處,磁化率值經(jīng)歷了由高值降低后又升高的趨勢,但該階段磁化率值遠(yuǎn)高于其他層位,L、F、P三值在本階段均為低值且?guī)缀鯚o波動(dòng),E值也均在1左右,q值在較大范圍內(nèi)波動(dòng),說明該階段磁小體線理、面理特征不發(fā)育,水動(dòng)力極弱,幾乎為靜水狀態(tài)沉積。階段Ⅱ?yàn)?80~270 cm,該階段磁化率值逐步降低,線理度L出現(xiàn)了幾次小的波動(dòng),整體變化不大,F(xiàn)、P值出現(xiàn)了較大波動(dòng),均為快速升高后逐步降低,q值表現(xiàn)為快速降低后逐漸升高,E值以大于1即壓扁狀為主,該階段主要特征為,面理度F開始發(fā)育,P值也開始升高,但線理度L并不高,表明水動(dòng)力變化已開始影響該區(qū)域,但仍然較弱,還不足以促使線理度發(fā)育。階段Ⅲ為270~220 cm,該階段磁化率值繼續(xù)降低,L、F、P出現(xiàn)了較一致的大幅升高,q值也出現(xiàn)了一定的升高,E值也由大于1向小于1轉(zhuǎn)變,表明該階段水動(dòng)力進(jìn)一步增強(qiáng),并出現(xiàn)了較為持續(xù)穩(wěn)定的水流。階段Ⅳ為220 cm至表層,該階段,磁化率值始終處于較低的范圍,L、F、P、q、E值均在一定范圍內(nèi)波動(dòng),表明該區(qū)域沉積環(huán)境在后期未發(fā)生大的變化,水動(dòng)力始終處于一定范圍的波動(dòng)。
3 討論
3.1 年代框架建立
由于本柱樣沉積物類型復(fù)雜,且表層以硅質(zhì)沉積為主,深海沉積物常用的14C測年及氧同位素地層對比等方法難以適用本柱樣。古地磁測年常用的方法主要為磁極性倒轉(zhuǎn)、磁極躍遷、古強(qiáng)度對比及長期變化[13],由于該方法不受沉積物類型限制,運(yùn)用到本柱樣具有其獨(dú)特的優(yōu)勢。能提供高分辨率年代分析的古地磁強(qiáng)度對比在深海沉積物中運(yùn)用較多,且已建立標(biāo)準(zhǔn)曲線,如SINT-800[14],SINT-2000[15]等,選取ARM30mt值作為歸一化參數(shù)對本柱退磁到30 mT的剩磁強(qiáng)度進(jìn)行分析,與SINT-800曲線對比,獲取本柱RPI年代值(圖5a)。同時(shí),磁傾角的長期變化目前已在研究區(qū)周邊海域開展了廣泛的應(yīng)用[16?17],因此,將本柱樣古地磁傾角變化與周邊卡羅琳盆地(圖1中WCB)柱樣[10,18]結(jié)果對比(圖5b),發(fā)現(xiàn)兩者變化具有更好的一致性,結(jié)合本柱B/M界限分析,獲取了多個(gè)層位控制點(diǎn)年代數(shù)據(jù)。將兩種方法獲取的年代數(shù)據(jù)分別線性插值后對比分析,可以看出大多數(shù)層位兩條曲線偏離較低(圖5c),說明本柱獲取的年代框架可信度較高。由于RPI方法要求磁性礦物具備均一性的特點(diǎn)[19],而本柱沉積物類型發(fā)生較大變化,且存在多次波動(dòng),磁化率值也表明磁性礦物種類或含量發(fā)生較大變化,從對比過程來看,磁傾角數(shù)據(jù)與WCB數(shù)據(jù)的擬合情況也更好(圖5b)。因此,本文最終選取了可靠性更高的磁傾角對比數(shù)據(jù)獲取的線性插值建立本柱年代框架。西太平洋沉積速率一般在幾毫米至幾厘米每千年[20],與本柱計(jì)算出的0.46~1.17 cm/ka較為一致(圖5d)。
3.2 沉積環(huán)境變化分析
綜合沉積物類型及磁化率各向異性分析可以看出,本柱樣記錄的沉積環(huán)境主要經(jīng)歷了4個(gè)變化階段(圖2、圖4b)。
第I階段(553 ka之前,>381 cm):沉積物以遠(yuǎn)洋黏土為主,主要來源應(yīng)為風(fēng)塵及周邊島弧風(fēng)化產(chǎn)物的供給[21],475~483 cm含有較高含量的鈣質(zhì)沉積物,線性插值得出對應(yīng)時(shí)代為720~730 ka,為氧同位素18期[22]。該階段沉積物類型變化不大,磁組構(gòu)特征也顯示為極弱的水動(dòng)力環(huán)境,說明這一時(shí)期研究區(qū)域底部基本處于靜水沉積環(huán)境。
第II階段(553~417 ka,381~270 cm):沉積物類型發(fā)生較大變動(dòng),突出表現(xiàn)在遠(yuǎn)洋黏土逐漸向鈣質(zhì)有孔蟲及硅藻類過渡,生源物質(zhì)逐漸取代陸源物質(zhì)。該階段又可大致分為3個(gè)過程(IIa、IIb、IIc)。
過程IIa(553~498 ka,381~349 cm):沉積物類型仍以遠(yuǎn)洋黏土為主,但代表陸源輸入的Al、Ti及Fe等元素含量開始出現(xiàn)逐漸降低的趨勢,磁化率值也處于降低的過程,Ba含量有一個(gè)明顯的升高,表明海洋自生礦物含量增加,磁組構(gòu)中面理度F和各向異性度P均出現(xiàn)大幅上升,說明底部水動(dòng)力由靜水環(huán)境開始流動(dòng),由于線理度L仍然很低,說明水動(dòng)力仍然處于較弱的狀態(tài)?,F(xiàn)今調(diào)查認(rèn)為影響研究區(qū)域底層水主要為南極深層水,其流向終年自東向西[23?24],因此,研究區(qū)沉積記錄反映了馬里亞納海溝南部南極底層水動(dòng)力強(qiáng)弱變化。同時(shí),南極底層水為高鹽、富營養(yǎng)水體,這一時(shí)期生源物質(zhì)的逐漸增加,也說明南極底層水帶來的營養(yǎng)物質(zhì)促進(jìn)了該區(qū)域生物作用的發(fā)展。
過程IIb(498~472 ka,349~320 cm):沉積物類型發(fā)生劇烈波動(dòng),也是全柱沉積物類型轉(zhuǎn)換層位。該層位最大的特點(diǎn)在約487 ka及476~472 ka,出現(xiàn)兩層鈣質(zhì)沉積。該階段對應(yīng)氧同位素13期向12期過渡期,現(xiàn)今太平洋赤道地區(qū)CCD 線大約在4 600~4 700 m[25],柱樣采集站位水深4 807 m,冰期時(shí)海平面可比現(xiàn)今低100~200 m,而海平面的下降一般會擴(kuò)大CCD線的下降幅度,在冰期時(shí)研究區(qū)域可位于CCD線以上而保留碳酸鹽沉積物,該層位也是全柱碳酸鹽含量最高的時(shí)期。
過程IIc(472~417 ka,320~278 cm):這一階段鈣質(zhì)沉積物處于減少的趨勢,Al、Ti、及Fe等元素含量進(jìn)一步降低,Mn元素在該段急速降低,并始終處于低值范圍,沉積物類型向硅質(zhì)軟泥轉(zhuǎn)變,說明經(jīng)過上一時(shí)期波動(dòng)之后,沉積物類型發(fā)生了較大變化。磁組構(gòu)特征值均在一定范圍內(nèi)波動(dòng),未表現(xiàn)出明顯的變化趨勢。
第III階段(417~336 ka,278~220 cm):該階段Si含量進(jìn)一步升高,對應(yīng)Ca含量逐漸降低,代表陸源的Al、Ti、及Fe等元素含量也進(jìn)一步降低,磁化率值也逐步降低至低值區(qū),沉積物類型逐漸由高含量的硅藻主導(dǎo)。磁組構(gòu)特征中L、F及P值等均表現(xiàn)出持續(xù)穩(wěn)定的升高趨勢,說明這一時(shí)期,南極底層流對該區(qū)域的影響進(jìn)一步增強(qiáng),營養(yǎng)物質(zhì)的充足供應(yīng),使得硅藻進(jìn)一步發(fā)育,逐漸主導(dǎo)了該區(qū)域沉積物類型。
第IV階段(336 ka至今,<220 cm):沉積物類型由硅藻主導(dǎo),其他元素含量均處于極低值,磁組構(gòu)特征值均在高值范圍內(nèi)波動(dòng),反映了南極底層流對該區(qū)域持續(xù)的影響,表明336 ka至今沉積環(huán)境未發(fā)生大的變動(dòng)。
3.3 本柱中布容事件過程記錄
本柱最大特點(diǎn)在于完整記錄了中布容事件過程中沉積物類型對南極底層流變化的響應(yīng)。中布容事件的轉(zhuǎn)換時(shí)間約為0.4 Ma,但從生物和地球化學(xué)的角度,中布容轉(zhuǎn)型是一個(gè)漫長的過程,從MIS13(533 ka)到MIS8(300 ka),全球經(jīng)歷了“中布容溶解期”,表現(xiàn)為顆石藻的勃發(fā)和碳酸鹽的溶解[26],對應(yīng)了本柱記錄的553 ka至336 ka沉積物類型由陸源向硅質(zhì)軟泥轉(zhuǎn)變。沉積物類型一般受物源及沉積環(huán)境控制,西北太平洋深海陸源物質(zhì)主要來自亞洲大陸內(nèi)部的風(fēng)成黃土[27?28],對應(yīng)了本柱底部至498 ka(349 cm)的沉積。亞洲大陸內(nèi)部風(fēng)成黃土在0.8~0.9 Ma期間發(fā)育強(qiáng)烈,之后逐漸減弱,至0.5~0.6 Ma降到最低,之后呈逐步上升的趨勢至現(xiàn)代[29],其降至最低時(shí),本柱沉積物類型開始發(fā)生變化,逐漸向生源過渡,但后期本柱遠(yuǎn)洋黏土沒有隨風(fēng)成黃土的增強(qiáng)而增加,反而徹底被生源的硅質(zhì)軟泥取代,說明研究區(qū)沉積環(huán)境發(fā)生了改變。
MIS15~MIS13期間,南極冰蓋快速消亡[30],提供了大量的底層水,MIS14期間在南大西洋沉積了很厚的紋層狀硅藻軟泥[31],其硅藻生產(chǎn)力與間冰期MIS13和MIS15一樣高[32],而本柱記錄也顯示,南極底層流在MIS14期間開始影響研究區(qū)域,說明由于前期冰蓋的消亡,同時(shí)異常的MIS14冰期共同作用,最終導(dǎo)致了南極底層水的大量流出,到達(dá)本研究區(qū)域時(shí),由于底層流超過了海溝西部狹窄通道的流出閾值,而造成回流影響至研究區(qū)域,南極底層流的大量活動(dòng)也與由太陽輻照引起的模型變化結(jié)果一致[6]。更新世以來南極底層水在研究區(qū)域增強(qiáng)已有報(bào)道,Deng et al.[11]曾對馬里亞納海溝邊緣一根柱樣(JL7KGC-01A)(圖1)進(jìn)行分析,認(rèn)為表層0.7 Ma以來沉積記錄的缺失源于南極底層流的增強(qiáng),與JL7KGC-01A相比,由于本柱更加遠(yuǎn)離海溝,未受到南極底層流的侵蝕,因而記錄了底層流發(fā)育過程。
本研究區(qū)在約487 ka及476~472 ka期間沉積了大量的鈣質(zhì)沉積物,由于全球冰期表層海水溫度(SST)在MIS13/MIS12過渡期發(fā)生了大幅降溫[3],導(dǎo)致這一時(shí)期大量鈣質(zhì)沉積物的形成。而鈣質(zhì)沉積物事件結(jié)束之后,在約0.4 Ma沉積物類型逐漸由遠(yuǎn)洋黏土主導(dǎo)轉(zhuǎn)變?yōu)楣栀|(zhì)軟泥主導(dǎo),對應(yīng)了中布容事件轉(zhuǎn)換點(diǎn),轉(zhuǎn)換發(fā)生時(shí),底層流迅速加強(qiáng),直到約336 ka,底層流趨于穩(wěn)定,沉積物類型也完成向硅質(zhì)軟泥轉(zhuǎn)變。軟泥主要由成席硅藻e(cuò)thmodiscus rex組成,與在馬里亞納海溝內(nèi)及周邊海域發(fā)現(xiàn)的成席硅藻種類相同[33?34],通常認(rèn)為ethmodiscus rex為貧營養(yǎng)的暖水遠(yuǎn)洋種[35],后期硅藻在本區(qū)域大量長期保存,需要持續(xù)穩(wěn)定的硅元素來補(bǔ)充,表明南極底層水之后一直長期穩(wěn)定地影響著研究區(qū)域。336 ka之后,沉積物類型不再發(fā)生變化,中布容事件對本研究區(qū)底層流及沉積物類型的影響趨于結(jié)束。
4 結(jié)論
中布容事件為近80萬年來最重要的氣候變化事件,其發(fā)生前后全球氣候出現(xiàn)了極大轉(zhuǎn)變,目前比較一致的認(rèn)識是,其發(fā)生與南極冰蓋消融、大洋環(huán)流變化等具有極大關(guān)聯(lián)性。本文利用在西太平洋赤道區(qū)域獲取的沉積物柱狀樣品進(jìn)行研究,依據(jù)沉積物類型及南極底層流變化,發(fā)現(xiàn)該區(qū)域記錄的中布容事件是一個(gè)緩慢而長期的過程。其時(shí)間跨度在553~336 ka,始于底層水的逐漸增強(qiáng),由于營養(yǎng)物質(zhì)的大量輸入,沉積物來源逐步完成由陸源向生源過渡,該區(qū)域沉積物對中布容事件記錄主要由南極底層流逐漸增強(qiáng)引起。由于南極周邊深層水為全球主要的碳匯區(qū)域,南極底層流的增強(qiáng)是否會使更多的CO2被帶出南大洋,最終進(jìn)入大氣,并由此導(dǎo)致MBE之后間冰期變得更加溫暖,還需要更深入的研究。
致謝 感謝全體參與航次外業(yè)調(diào)查人員的辛苦取樣工作!感謝實(shí)驗(yàn)人員的精心測試及鑒定,尤其感謝廈門大學(xué)鄒良榮對XRF 測試工作的額外付出,感謝自然資源部第三海洋研究所王愛軍研究員在數(shù)據(jù)分析過程中給予的指導(dǎo)和建議,感謝中國海洋大學(xué)姜兆霞教授及其學(xué)生對ARM 測試的無私幫助,感謝兩位審稿專家的寶貴意見。