丁雪,胡邦琦,2,3,徐方建,郭建衛(wèi),崔汝勇,易亮
1. 中國地質調查局青島海洋地質研究所,青島 266071
2. 青島海洋科學與技術試點國家實驗室海洋礦產資源評價與探測技術功能實驗室,青島 266237
3. 中國科學院地球環(huán)境研究所黃土與第四紀國家重點實驗室,西安 710061
4. 中國石油大學(華東)地球科學與技術學院,青島 266580
5. 同濟大學海洋與地球科學學院海洋地質國家重點實驗室,上海 200092
風塵“源-匯”過程是指源區(qū)風塵釋放、區(qū)域至全球尺度的輸送和沉降,是地球不同圈層間(陸地-大氣-海洋)相互作用的重要紐帶,也是影響全球變化及其環(huán)境效應的一個關鍵過程[1-3]。亞洲是第二大風塵釋放區(qū),每年排放約1~8億t,約占全球風塵排放量的25%。東亞地區(qū)釋放的風塵約30%重新沉降在沙漠區(qū)或其周邊,20%的風塵會在中國內陸沉降(如黃土高原等),剩下的50%則被輸送到北太平洋甚至更遠的地區(qū)[2]。風塵“源-匯”過程又敏感地響應于區(qū)域和全球氣候-環(huán)境變化,在不同氣候邊界條件下,受多個物理、化學和生物過程的動態(tài)影響[1-3]。
西太平洋低緯度地區(qū)的菲律賓海是一個典型風塵匯聚區(qū),受到國內外眾多學者的高度關注[4]。前人已對菲律賓海第四紀沉積物中風塵物質貢獻定量化、源區(qū)識別及其搬運動力開展了大量研究[5-9],發(fā)現(xiàn)菲律賓海沉積物主要是火山和風塵的雙端元混合產物,但對風塵源區(qū)究竟是亞洲東部沙漠地帶還是亞洲中部沙漠地帶以及其具體攜帶動力究竟是東亞冬季風還是西風帶仍存在一些爭議[10-11]。最近利用沉積捕獲器獲得的西菲律賓海季節(jié)性懸浮顆粒物Sr-Nd同位素數據,證實了風塵組分主要來自鄂爾多斯沙漠(約80%)且主要發(fā)生在冬季風爆發(fā)期(即冬—春季節(jié))[12]。現(xiàn)代冬季西菲律賓海上空風塵物質的礦物和地球化學特征也表明鄂爾多斯沙漠是現(xiàn)代風塵的主要源區(qū),而東亞冬季風是風塵搬運的重要動力[13]。此外,前人研究采用的站位大多位于菲律賓海呂宋島附近海域(如班哈姆隆起),離呂宋島距離較近(約250 km),接受了大量呂宋島火山物質(50%以上,最高達90%)[6,9],可能較大程度上反映了熱帶季風降雨、赤道太平洋ENSO相位或海平面升降的影響[14-18]。相反,菲律賓海帕里西維拉海盆的PV090102孔(距呂宋島約1 200 km,火山灰成分只占10%~30%)的粒度和Sr-Nd同位素記錄則更清晰記錄了近2 Ma以來亞洲風塵沉積的演化歷史,更好地反映了晚第四紀以來亞洲大陸干旱化歷史和大氣環(huán)流異常[19-20]。因此,菲律賓海遠離呂宋島的深海沉積物是重建構造尺度亞洲風塵演化歷史的良好載體(圖1)。
通過對比風塵顆粒及其母巖中較為特征的信息有助于深入理解亞洲風塵的源-匯過程。理想的物源示蹤指標應具備以下特征,傳輸過程中不受風力分選的影響,沉積之后不受早期成巖改造,能代表風塵的主要成分信號[21-23]。黏土礦物作為深海沉積物的主要組成部分,其形態(tài)、含量、特征參數及組合類型不僅能夠有效指示物源,而且可以記錄源區(qū)氣候和環(huán)境信息。因此,明確深海沉積物中黏土礦物的來源和搬運模式可為研究源區(qū)古環(huán)境演化和推測古大氣環(huán)流模式提供關鍵證據,已在黃海[24]、南海[25]、菲律賓海[15]以及日本海[26]的相關研究中得到了廣泛應用,取得了一系列重要成果。本文選取菲律賓海盆XT4孔沉積物開展了黏土礦物研究工作,并結合前人研究成果,在明確黏土礦物來源的基礎上,探討晚上新世以來亞洲風塵的演化歷史及其可能的影響機制。
2018年在西菲律賓海盆南部使用重力采樣器取得 XT4 孔巖芯(16°04.3′N、133°29.1′E)(圖 1),長4.28 m,水深5 372 m,黃褐色致密狀黏土,巖性均一,頂部含有少量鐵錳結核,按2 cm間隔進行取樣,并開展下一步測試分析工作。XT4孔位于太平洋碳酸鹽補償深度以下,樣品中鈣質生物基本都被溶解,難以用有孔蟲殼體氧同位素來確定年代,故采用古地磁年代學進行了年代標定[27]。通過XT4孔的磁極性序列與國際地磁年代標尺進行精細對比,初步建立了XT4孔年代框架,該孔54 cm處對應于中更新世(0.781 Ma)的開始,第四紀底界位于322 cm(2.581 Ma),外插得到底部年齡大致為3.723 Ma。
沉積物樣品前處理方法如下:稱取約5g沉積物全樣,置于離心管中,加入15%的H2O2水浴60 ℃加熱約1 h去除有機質,再加入30 mL HCl(1M)水浴60 ℃去除碳酸鹽,最終獲得碎屑組分,后續(xù)開展粒度分析(214個樣品,2 cm間隔)和黏土礦物分析(107個樣品,4 cm間隔)。粒度分析在青島海洋地質研究所海洋地質實驗檢測中心進行,所用設備為MS2000型激光粒度分析儀,測量范圍為0.5~2 000 μm,重復測量的相對誤差小于2%。黏土礦物分析測試在中國石油大學(華東)完成,所用分析儀器為荷蘭帕納科公司X’Pert PRO MPD,角度重現(xiàn)性:± 0.000 1°,角度精度:0.002 5°;測試精度:誤差小于10%。利用離心法從碎屑組分中提?。? μm的黏土組分,制成自然風干定向片(N片)和乙二醇飽和片(EG 片,60 ℃,12 h),部分樣品制成 490 ℃ 加熱片(4 h)。依據不同黏土礦物在3種測試片(自然定向片、乙二醇飽和片和高溫加熱片)中衍射峰發(fā)生的不同變化對黏土礦物進行識別。蒙脫石(001)衍射峰在自然定向片中的范圍是12~15?,而在乙二醇飽和片中其(001)衍射峰可移至17?左右,這是判斷是否存在蒙脫石并進一步區(qū)分蒙脫石和綠泥石的主要依據。伊利石的10?和5?衍射峰在自然定向片中比較明顯,經乙二醇飽和后10?和5?衍射峰的位置和強度變化很小。高嶺石和綠泥石在7?和3.5?附近都存在特征峰,若3.5?附近的特征峰表現(xiàn)為雙峰,證實高嶺石和綠泥石同時存在。經高溫加熱后,高嶺石礦物晶格被破壞,變?yōu)榉蔷з|物質,因而其衍射峰消失,綠泥石衍射峰也會變弱甚至消失。
根據Biscaye方法,利用Jade 6.5軟件在乙二醇曲線上蒙脫石(17?)、伊利石(10?)、綠泥石(7?)衍射峰峰面積各自乘以其強度因子1、4和2,開展黏土礦物相對含量計算。綠泥石和高嶺石兩者的含量比例則依據綠泥石(3.54?)和高嶺石(3.58?)的衍射峰面積比值求得,最后將4種黏土礦物的特征峰面積校正為含量100%。此外,伊利石結晶度可由乙二醇飽和曲線上10?衍射峰的半峰寬表示,其值越低表示伊利石礦物晶格有序度越高,指示源區(qū)水解作用較弱,氣候寒冷、干燥。伊利石化學指數的計算是在乙二醇飽和曲線上根據5?/10?峰面積比確定的,比值小于0.5為富Fe-Mg伊利石,為物理風化結果;比值大于0.5為富Al伊利石,代表強烈的水解作用。
圖1 研究區(qū)地理背景及XT4孔站位示意圖中國北部沙漠(NCDs)包括:GD-古爾班通古特沙漠、ODSL-渾善達克沙地、HBSL-渾倫布爾沙地、HSL-科爾沁沙地;中國中西部沙漠(WCCDs)包括:TKD-塔克拉瑪干沙漠、QD-柴達木沙漠、TD-騰格里沙漠、BJD-巴丹吉林沙漠;中國東部沙漠(ECDs)包括:HD-庫布齊沙漠和MUD-毛烏素沙漠。Fig.1 Geographical background of the study area and location of Core XT4The northern Chinese deserts (NCDs, include GD, Gurbantunggut Desert; ODSL, Onqin Daga Sandy Land; HBSL, Hunlun Buir Sandy Land; and HSL,Horqin Sandy Land); western and central China deserts (WCCDs, e.g., TKD, Taklimakan Desert; QD, Qaidam Desert; TD, Tenger Desert; and BJD,Badain Jaran Desert); and East China deserts (ECDs, e.g., HD, Hobq Desert; and MUD, Mu Us Desert).
XT4孔碎屑組分的粒度參數如圖2所示,主要為粉砂(50.17%~81.49%,平均為66.47%),其次為黏土(17.65%~49.83%,平均為33.10%),大部分層位不含砂,少數層位含砂(0.1%~3.52%)。XT4孔碎屑組分的中值粒徑變化范圍為3.92 ~14.53 μm,平均值為7.31 μm。3.7 Ma以來XT4孔粒度參數隨深度增加呈現(xiàn)出規(guī)律性變化,3.7~2.9 Ma期間中值粒徑較粗,黏土含量較少,粉砂含量較多,砂含量主要出現(xiàn)在這一時期;2.9 Ma以來則相反,中值粒徑逐步減小,黏土含量逐漸增加,粉砂含量逐漸減少,砂含量基本消失。
XT4孔的黏土礦物組成如圖3所示,主要由蒙脫石、伊利石、高嶺石和綠泥石組成,其中伊利石含量最高,為10%~58%,平均值為39%;蒙脫石次之,含量為11%~70%,平均值為28%;綠泥石和高嶺石含量相當,含量分別為7%~55%和0~31%,平均值分別為18%和15%。伊利石結晶度為0.183°~0.482°Δ2θ,平均值為 0.272°Δ2θ,絕大部分都小于 0.4°Δ2θ,說明 XT4 孔伊利石結晶度很好;伊利石化學指數變化范圍為0.15~0.68,平均值為0.35,為富Fe-Mg伊利石。蒙脫石含量從3.7 Ma開始逐步降低,直到1.5 Ma左右蒙脫石含量基本保持穩(wěn)定;與之相反,伊利石含量在3.7~2.7 Ma期間逐步增加,在2.7~1.5 Ma期間伊利石含量快速增加,1.5 Ma之后基本穩(wěn)定,僅伴隨小幅波動變化。高嶺石和綠泥石含量除少數幾個層位波動劇烈外,整體變化幅度較小,且變化趨勢基本一致。XT4孔底部的伊利石結晶度和化學指數波動較大,隨后逐步穩(wěn)定,且表現(xiàn)出長期減小的趨勢。
圖2 XT4孔的巖性和中值粒徑垂向變化Fig.2 Vertical variations of lithology and median grain size of Core XT4
圖3 XT4孔年代模型(a)和黏土礦物組成(b-e)及伊利石結晶度(f)、化學指數(g)垂向變化粗實線為局部加權回歸擬合。Fig.3 Age model (a), vertical variations of clay minerals assemblages (b-e), illite crystallinity (f) and chemical index (g) of Core XT4Solid line is local weighted regression fitting.
明確黏土礦物的來源及其搬運動力機制是進行古氣候、古環(huán)境研究的重要前提。前人利用黏土礦物、元素地球化學和Sr-Nd同位素等多種示蹤方法對菲律賓海盆鄰近海域(奄美三角盆地、四國海盆和帕里西維拉海盆等)沉積物來源開展了綜合研究工作,表明菲律賓海沉積物是亞洲大陸風塵和周圍火山島弧的雙端元混合產物[11,19,28-31]。黏土礦物組成的三角圖解顯示XT4孔黏土礦物來源與鄰近海域(如帕里西維拉海盆、四國海盆、西菲律賓海盆)類似,基本上符合亞洲大陸風塵與周邊火山島弧的二端元混合模型特征(圖4),與前人結果一致。
3.1.1 蒙脫石
海洋沉積物中的蒙脫石來源主要有兩種,一種是陸源碎屑,源巖在大陸溫暖至半干旱氣候條件下發(fā)生水解作用而成;另一種是海底基性火山物質經長時間海解作用而成。XT4孔蒙脫石含量平均為28%,最高可達70%,遠高于長江、黃河、黃海及東海的蒙脫石含量[24],且臺灣河流中幾乎不含蒙脫石[32],因此,大陸河流輸入物質(如長江、黃河、臺灣等)不可能是XT4孔蒙脫石的主要來源。呂宋島的蒙脫石來源于島弧基性火山物質的蝕變,含量高達60%以上[33],但是考慮呂宋島河流物質受到自東向西的北赤道流阻隔,很難向XT4孔提供大量的蒙脫石。已有研究表明菲律賓海海底基性火山物質可風化形成自生蒙脫石[34],前人研究利用掃描電鏡觀察也發(fā)現(xiàn)附近海域的蒙脫石形狀不規(guī)則且邊緣模糊,符合自生蒙脫石的特征[30]。綜上所述,我們認為XT4孔中蒙脫石是周邊火山島弧物質的風化和蝕變產物。此外,XT4孔中蒙脫石與陸源成因的伊利石存在顯著負相關(圖5a),這也說明蒙脫石并非來源于亞洲大陸,而是主要來源于周邊火山島弧物質。
3.1.2 伊利石
伊利石是陸源火成巖、變質巖或沉積巖風化蝕變產物,形成于典型的干冷氣候條件下。由于呂宋島河流沉積物中伊利石含量很少[33],因此,XT4孔中高含量的伊利石(平均為39%,最高為58%)不可能來自于包括呂宋島在內的菲律賓群島。XT4孔中伊利石化學指數變化范圍為0.15~0.68,平均值為0.35,指示了干冷氣候條件下的物理風化作用;伊利石結晶度變化范圍為 0.183°~0.482°Δ2θ,平均為0.272°Δ2θ,與中國內陸黃土和古土壤伊利石結晶度接近(分別為 0.22°~0.33°Δ2θ和 0.22°~0.42°Δ2θ)[35],說明研究區(qū)伊利石源區(qū)與中國內陸的黃土可能有關。另外,雖然伊利石含量在臺灣河流沉積物中較高(>65%)[32],但是其伊利石結晶度值一般都小于0.23°Δ2θ,而伊利石的化學指數平均值為 0.49[32],與XT4孔的結果存在顯著差異。因此,臺灣河流雖然每年向海輸入大量富伊利石的沉積物,卻不是XT4孔的伊利石主要源區(qū)。前人研究利用掃描電鏡觀察發(fā)現(xiàn)鄰近海域的伊利石大多為不規(guī)則片狀且磨圓度較好,進一步說明伊利石并不是自生成因[30]。綜上所述,我們認為XT4孔沉積物的伊利石主要來自于亞洲大陸,風力吹揚為其主要的輸運方式。
圖4 XT4孔與潛在物源區(qū)的蒙脫石-伊利石-綠泥石三角圖解[29]Fig.4 Ternary diagram of the major clay minerals smectite-illite-chlorite of Core XT4 and the potential source areas[29]
3.1.3 綠泥石
綠泥石多形成于高、中緯度區(qū)干冷的氣候環(huán)境中[36],深海沉積物中的綠泥石大多為陸源碎屑成因,但局部地區(qū)也有少量綠泥石是火山物質蝕變而成[37]。晚上新世以來XT4孔中綠泥石與蒙脫石變化相反(圖3),可見綠泥石與蒙脫石來源不同。前已述及,伊利石主要源于亞洲大陸,因此我們認為綠泥石也主要來源于亞洲大陸。
3.1.4 高嶺石
高嶺石是酸性巖石在潮濕溫暖氣候下被強烈淋濾形成的,如呂宋島、珠江、紅河等的高嶺石含量相對較豐富[25]。海洋的堿性、弱堿性條件不適合高嶺石生成,因此,大洋中的高嶺石一般都為陸源成因[38]。XT4孔沉積物中高嶺石平均含量為15%,與亞洲大陸黃土中高嶺石含量(6%~16%)相當,表明高嶺石主要來自亞洲大陸風塵。
圖5 XT4孔沉積物不同黏土礦物相關圖解Fig.5 Correlation diagrams between clay minerals in Core XT4
不同類型的黏土礦物的形成條件具有明顯差異,如中、基性火山物質在溫暖且干濕交替的環(huán)境下容易形成蒙脫石;而低緯度地區(qū)炎熱潮濕、化學風化較強的環(huán)境中易形成高嶺石;而伊利石和綠泥石往往是干旱寒冷條件下物理風化的產物[37,39]。由于黏土礦物的含量是一個相對值,單個黏土礦物的含量變化很難直接用來指示古環(huán)境變化,而不同黏土組合及其比值可以有效消除黏土礦物之間的稀釋效應,被廣泛用于指示古氣候變化[5,15]。伊利石結晶度和化學指數也是氣候變化的典型指標,當氣溫升高、降雨增加時,化學風化增強,伊利石的結晶度變差,化學指數增加,反之當氣候較為干燥寒冷時,伊利石結晶度較好,往往生成Fe-Mg伊利石[37]。
前文討論可知XT4孔中黏土礦物主要由伊利石和蒙脫石組成,其中伊利石主要來自亞洲大陸風塵,而蒙脫石主要由周圍海底火山灰蝕變后形成。因此,XT4孔的伊利石/蒙脫石比值代表了亞洲大陸風塵物質對于火山物質的相對變化,可用于指示菲律賓海盆亞洲風塵貢獻的演化歷史。晚上新世以來XT4孔的伊利石/蒙脫石比值表現(xiàn)出明顯的階段變化(圖 6a):3.7~2.7 Ma期間,伊利石/蒙脫石比值較低,且表現(xiàn)為逐步降低的趨勢;2.7~ 0.9 Ma期間,伊利石/蒙脫石比值先快速變大,隨后在高值大幅波動;0.9 Ma以來,伊利石/蒙脫石比值表現(xiàn)為逐步降低的趨勢。XT4孔伊利石/蒙脫石比值所反映的亞洲風塵貢獻變化歷史與北太平洋ODP 885/886孔風塵通量[40](圖6d)(受年代框架誤差的限制,存在一定的偏差)、日本海IODP 1422C孔沉積物鉀含量[41](圖6e)的變化趨勢大體一致,均表現(xiàn)為在約2.7 Ma以來風塵通量或貢獻逐步升高,與該時期北半球高緯度地區(qū)首次出現(xiàn)大規(guī)模冰蓋的時間節(jié)點一致(圖6g)。這些沉積記錄共同反映了北半球高緯度地區(qū)冰川擴張,在加劇亞洲中緯度地區(qū)干旱化的同時,也通過冰川剝蝕、寒凍風化、河谷深切等高山剝蝕過程促進了細顆粒物質的產生,隨后通過風塵釋放將這些信號進一步傳送到下風帶地區(qū)(如日本海、菲律賓海、北太平洋等)。
黃土高原的黃土-紅黏土風塵沉積序列是反映東亞季風系統(tǒng)形成演變的良好地質記錄,黃土粒度和磁化率被廣泛用于指示東亞冬季風和夏季風的演化特征[42-43]。甘肅靈臺剖面的黃土粒度記錄[44](圖6b)和黃土堆積通量記錄[45]均指示東亞冬季風強度在北半球永久性冰蓋出現(xiàn)后(~2.7 Ma)明顯增強,隨后保持高頻波動趨勢,與XT4孔伊利石/蒙脫石比值的變化趨勢存在一定的差異。有意思的是,XT4孔伊利石/蒙脫石比值在各階段內部(即3.7~2.7、2.7~0.9、0.9 Ma以來)的變化趨勢,與靈臺黃土磁化率[44]所指示的東亞夏季風變化表現(xiàn)為一定的反相關系(圖6c)。也就是說,靈臺黃土磁化率所記錄的東亞夏季風越強,XT4孔的伊利石/蒙脫石比值(代表亞洲風塵貢獻程度)越低,反之則相反。事實上,粉塵釋放是一個復雜的風沙物理過程,其是否發(fā)生及發(fā)生的強度由氣流狀況和下墊面狀況共同決定[12,46-47]。風場為顆粒的侵蝕、搬運提供了動力來源,又稱動力因子,而下墊面狀況決定了地表抵抗風力侵蝕的能力大小,稱為抗蝕因子。黃土高原及周邊沙漠處于干旱-半干旱地區(qū),年均降雨量200~400 mm,夏季降雨(7—9月)是主要水汽來源,可占全年降水的60%~80%。因此,東亞冬季風所攜帶風塵通量可能也受控于下墊面狀況,也就是說細粒級物質的供應量可能也是控制東亞冬季風影響區(qū)風塵釋放的重要環(huán)境因子之一[21]。據此,我們推斷晚上新世以來,除了全球變冷的大背景外,東亞夏季風可能通過降雨變化深刻影響著中國干旱-半干旱地區(qū)下墊面狀況,進而決定了沙塵源豐富度。
圖6 XT4孔伊利石/蒙脫石比值(a)與靈臺黃土東亞冬季風指標[44](b)、靈臺黃土東亞夏季風指標[44](c)、北太平洋ODP 885/886孔風塵通量[40](d)、日本海IODP 1422C孔沉積物鉀含量[41](e)、熱帶太平洋經向溫度梯度變化[48](f)和深海底棲有孔蟲氧同位素[49](g)對比粗實線為局部加權回歸擬合。Fig.6 Comparison of (a) illite/smectite ratio from Core XT4 in the Western Philippine Sea (this study), (b) the mean grain size of quartz particles (MGSQ) from Lingtai loess as a proxy for East Asia Winter Monsoon[44], (c) East Asia Summer Monsoon index based on magnetic susceptibility from Lingtai loess[44], (d) mass accumulation rate of eolian dust at Core ODP 885/886[40], (e) the K (wt.%) record at site IODP U1422 in Japan Sea[41], (f) Equatorial Pacific Ocean zonal SST gradient[48], and (g) the stacked global benthic δ18O record of LR04[49]solid line is local weighted regression fitting.
現(xiàn)代觀測資料和數值模擬結果均表明在拉尼娜和厄爾尼諾現(xiàn)象之間交替發(fā)生的厄爾尼諾-南方濤動循環(huán)(ENSO)主導著東亞降水的年際變化[50-52]。在拉尼娜(厄爾尼諾)期間,赤道太平洋Walker環(huán)流增強(減弱),西北太平洋副熱帶高壓向北(南)遷移,夏季風降雨鋒面北侵(南撤),中國干旱-半干旱地區(qū)的降雨量增加(減少)[53-54]。進一步研究則表明在更長時間尺度上(全新世、軌道尺度、構造尺度),類ENSO系統(tǒng)可能起到類似于熱帶氣候變化“放大器”的作用,將熱帶氣候系統(tǒng)較小的擾動放大,通過海洋和大氣環(huán)流的傳輸進而影響東亞地區(qū)降雨強弱和空間變化[15,55]。晚上新世以來太平洋經向溫度梯度(圖6f)逐步變大,表明太平洋類ENSO系統(tǒng)相位逐步趨向于拉尼娜相[48,56],通過控制熱帶輻合帶(ITCZ)的南北遷移,可能影響著中國干旱-半干旱地區(qū)的降雨強弱和空間分布。
菲律賓海盆XT4孔的黏土礦物以伊利石為主,平均含量為39%,蒙脫石含量次之,平均為28%,綠泥石平均含量為18%,高嶺石平均含量為15%。XT4孔的伊利石主要來自亞洲大陸風塵,而蒙脫石主要由海底火山灰蝕變后形成,因此該孔伊利石/蒙脫石比值可用于指示菲律賓海盆亞洲風塵的演化歷史。晚上新世以來XT4孔的伊利石/蒙脫石比值表現(xiàn)出的三階段變化,反映了北半球高緯度地區(qū)冰川的擴張導致全球持續(xù)變冷,亞洲中緯度地區(qū)干旱化加劇,通過風塵釋放將這些信號進一步傳送到下風帶地區(qū)。除了全球變冷的大背景外,細粒級物質供應量可能也是控制東亞冬季風影響區(qū)風塵釋放的重要環(huán)境因子之一。進一步分析表明,晚上新世以來赤道太平洋經向溫度梯度的變化,通過海洋和大氣環(huán)流的傳輸控制著東亞地區(qū)降雨的空間變化,進而影響著該地區(qū)的風塵釋放強弱。