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晚末次冰期以来南海古环境和古气候记录

葛倩  
【摘要】: 南海作为西太平洋地区最大的边缘海,位于欧亚大陆、菲律宾群岛和婆罗洲之间。其形态和地理位置决定了对环境变迁的灵敏性,以其高沉积速率和碳酸盐保存条件,弥补了西太平洋深水区的不足,业已成为古海洋学研究的理想场所之一。晚末次冰期,尤其是末次盛冰期以来经历了从末次冰期向全新世的转变过程,气候波动频繁,其沉积记录所反映的古气候信息受到越来越多学者的关注。而确定海洋沉积物的来源是研究陆源物质反映的环境和气候变化的先决条件。每年,珠江以及来自台湾的高山河流大约给南海输入了260Mt的沉积物。然而,由于这两个主要来源区的地质条件相似,例如岩石的性质和Nd同位素,学者很难确定沉积物的真实来源。海洋沉积物中的黏土矿物组合特征通常被认为是示踪沉积物来源和反映周围大陆风化条件的良好指标。先前对于南海柱状沉积物中黏土矿物组合的分析主要是以更新世以来大尺度的研究为主,很少涉及晚末次冰期以来的变化。同时,对于流入南海的第二大河流——珠江的泥质沉积的输运过程和沉积分布并未展开研究。笔者通过对南海北部黏土矿物的分析发现,虽然前人对南海表层黏土矿物组合特征展开了研究,但是并未从整体上对其分布特征和来源进行探讨。因此,本文中笔者采用AMS 14C定年柱状样的浮游有孔虫碳、氧同位素、黏土矿物、元素分析、有机碳以及碳酸盐含量等指标对晚末次冰期以来的古气候和古环境进行了探讨,并综合自己与前人的研究成果,系统讨论了南海表层黏土矿物的分布特征及来源,同时还运用2007年南海北部地球物理航次中获得的Chirp浅地层剖面与AMS 14C定年的柱状样对全新世以来珠江的泥质沉积物的输运过程和分布特征进行详细的研究。获得的主要认识如下: 1.通过对ZHS-176柱中的浮游有孔虫G. ruber进行AMS 14C测年以及与SONNE17940柱的对比得出,ZHS-176柱的底部年龄约为22 ka BP。以柱深345 cm为深海氧同位素(Marine Isotope Stage, MIS)1/2期的界限,即末次冰期/全新世界限,上部为MIS 1,下部为MIS 2。年代数据表明在ZHS-176柱中,MIS 2未见底。 2.ZHS-176柱的黏土矿物主要有四种,其中伊利石(平均39%)、绿泥石(平均27%)为主要成分,还有蒙皂石(平均21%)和高岭石(平均13%)。这些黏土矿物并非来自单一物源,而是多种来源的混合。台湾作为全球风化速度最快的地区之一为南海北部提供大量的伊利石和绿泥石。东海来源的黏土矿物组成与台湾的相似。而珠江为南海北部地区提供了丰富的高岭石,蒙皂石则主要来自吕宋岛。 3.晚末次冰期期间,由于受到台湾海峡关闭和沉积速率较低影响,末次冰期时来自东海的长江源物质很难到达南海北部,其贡献非常有限。而海平面降低,珠江口向海延伸,导致珠江盆地的物质可以更多地到达南海北部陆坡。全新世时,海岸线与现今位置大致相同,来自东海的物质重新进入南海。 4.ZHS-176柱浮游有孔虫氧同位素分析揭示了晚末次冰期期间的气候波动,如末次盛冰期、Heinrich事件1、Bφlling-Allerφd暖期与新仙女木事件在南海北部陆坡均有响应。同时,在全新世阶段分别发现了3个强降水期(S1~S3)和3个弱降水期(W1~W3)。表明了南海北部的气候变化与北大西洋的气候变化存在一定的遥相关性。 5.在ZHS-176柱发现的所有气候变化中,全新世事件3最受关注。全新世事件3可能是由于4.2 ka BP前后太阳活动减弱,一方面导致北大西洋表层浮冰增加,表层海水温度降低,减弱了温盐循环,使海陆温差减小,季风减弱,另一方面使热带幅合带南移,在北半球中、低纬度大部分地区形成干旱降温事件。这一事件在各种气候载体中都有体现。而这一事件最终导致了非洲尼罗河流域古埃及文明、两河流域美索不达米亚古阿卡德帝国、印度河流域哈拉帕文明以及中国新石器文化的衰落。 6.在ZHS-176柱中发现,Bφlling-Allerφd暖期时浮游有孔虫的碳同位素发生明显而短暂的负漂。这主要是由于当时大量的南极冰川水注入海洋,使南极中层水的密度小于北大西洋深层水,加速了北大西洋表层水的下沉与北大西洋温盐循环,使南海北部中层水温度急剧升高,而当时海平面又处于一个相对较低的阶段(-70~-80 m),从而导致海底天然气水合物失稳分解,释放出大量甲烷,影响了浮游有孔虫的碳同位素记录。类似的晚第四纪天然气水合物释放记录在加利福尼亚的圣塔芭芭拉盆地、瓜伊马斯盆地、俄罗斯的贝加尔湖、格陵兰海、秘鲁、东格陵兰陆架、巴布亚新几内亚以及南海南部均有发现。 7.ZHS-176柱碳酸盐含量变化显示早全新世南海北部存在一个低钙事件,通过与其他5个柱状样的碳酸盐含量对比分析,笔者认为这一事件在南海北部普遍存在。降水量的增加、短暂的冷事件以及火山集中爆发都在一定程度上对南海北部地区的碳酸盐含量产生稀释作用;而碳酸盐溶解作用在早全新世处在一个相对较强的时期,表层海水初级生产力则降低。陆源物质的稀释作用对于这一事件起主导作用,其次是溶解作用和初级生产力。 8.ZHS-176柱的化学元素变化特征显示晚末次冰期期间沉积物源区化学风化作用弱,陆源物质输入量高,而在全新世时则化学风化作用强,陆源物质输入量低,所指示的化学风化作用强度的变化与浮游有孔虫的氧同位素有着较好地对应关系。而ZHS-176柱的有机碳主要为生物成因,随着夏季风的增强,陆源有机碳的含量增加,但在3 ka BP前后由于夏季风减弱而导致陆源有机碳逐渐减少。 9.南海表层黏土矿物组合主要包括伊利石、绿泥石、高岭石和蒙皂石,这些矿物在不同地区不同水深有着不同的分布特征,而物源区的不同是导致分布特征存在差异的主要因素。笔者结合在南海北部的工作和近年来其他学者发表的南海表层黏土矿物资料将其大致分为东南西北四个部分,并确定各自的物源区。台湾和吕宋岛是南海东部表层黏土矿物的主要来源;湄公河、婆罗洲、巽他陆架和印度尼西亚岛弧是南海南部的主要物源区;南海西部表层黏土矿物主要来自红河、湄公河、珠江、台湾、巽他陆架、印度尼西亚岛弧以及婆罗洲;珠江、台湾、长江和吕宋岛则是南海北部的主要来源。 10.高分辨率Chirp浅地层剖面和钻孔资料显示,在珠江三角洲平原以及珠江口—雷州半岛长约350 km的南海北部陆架存在一厚度达~30 m的全新世珠江源泥质沉积区。这些陆源沉积物被南向的中国沿岸流和北向的南海暖流限制在南海北部陆架。在粤西陆架区,泥质沉积物主要分布于-50 m等深线以内,在珠江口东南部则可达-120 m等深线处。通过对比其他西太平洋边缘海陆架陆源沉积物所形成的沉积层序,笔者发现该泥质沉积区的形成过程可分为中全新世高海平面(~7.0 cal.ka BP)之前和之后两个阶段。在中全新世高海平面之前,远源的泥质沉积主要形成于11.2~9.8 cal.ka BP,当时海平面处于“冰融水脉冲事件”(meltwater pulse, MWP)1B之后的平缓上升期,而近端泥质沉积则形成于9.0 cal.ka BP之后,对应于MWP-1C之后的海平面平缓上升阶段。中全新世高海平面之后,距珠江口~150 km以内的粤西内陆架发育斜层理,厚度从-5~-10 m等深线处的~10 m向外海逐渐递减到-20~-30 m等深线处的1~2m。


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