北冰洋阿尔法脊晚第四纪沉积有机质的来源变化及其古环境意义

许冬 叶黎明 于晓果 葛倩 雷吉江

（国家海洋局第二海洋研究所，国家海洋局海底科学重点实验室，浙江杭州310012）

0 引言

生长在冰底的冰藻和水体中的浮游植物是北冰洋初级生产力的主要贡献者［1］。随着全球变暖，北冰洋夏季的海冰覆盖面积快速减少且海冰厚度变薄［2］。海冰的消融会显著影响北冰洋的初级生产力和有机碳的埋藏。受无冰区面积增加和无冰区季节延长的双重影响，北冰洋浮游植物初级产量在1998—2009年间增加了约20%［3］。除了海冰覆盖程度，环流和营养盐结构也能影响北冰洋沉积物中有机碳的构成。陈志华等［4］对北冰洋西部沉积有机质来源的研究表明，楚科奇海中西部海域受太平洋富营养盐海水的影响，海洋生产力高，表层沉积物中海源有机质含量超过60%；在阿拉斯加西北部近海，海水的营养盐含量低，海洋生产力低，表层沉积物中陆源有机质信号增强；在高纬海区和加拿大海盆，也具有较低的海洋生产力，加之受顺时针波弗特环流对陆源有机质输送的影响，沉积物中陆源有机质含量较高。

在历史时期，北冰洋沉积物中有机碳含量与海冰覆盖程度变化有一定联系。北冰洋中心区PS2174-5孔的记录表明，有机碳来源变化有一定的冰期-间冰期旋回性，一般而言在冰期有机碳含量较高，陆源有机质贡献大，在间冰期有机碳含量低，海洋源有机质贡献大［5］。门捷列夫脊HLY0503-08JPC孔的记录也显示冰期沉积含有更多的陆源有机质［6］。在之前的若干次冰期-间冰期旋回中，北冰洋环流曾发生过显著变化［7-10］，对有机质的来源和保存也必然产生影响，但迄今关于沉积有机质来源和埋藏与海冰覆盖、海流变化等之间的关系探讨不多［5-6，8，11］，而这些研究对于预测未来北冰洋营养盐结构、初级生产力、碳通量等的变化具有十分重要的意义。

本文分析了北冰洋阿尔法洋脊08B85-D孔沉积物的Mn和Ca含量、粒度组成、有机碳含量和有机碳δ13C组成，拟探讨有机碳来源和埋藏情况变化与海冰覆盖程度和环流等变化之间的关系。

1 材料和方法

08B85-D是2008年中国第三次北极科学考察期间由“雪龙”号在北冰洋阿尔法脊上（147.080°W，85.140°N，水深2 060 m，图1）用重力取样器采得，柱长2.5 m，沉积物组成以黏土和粉砂为主，砂含量不高，偶见砾石，具有明显的“褐色-灰色”颜色旋回，没有发现浊流等事件沉积形成的特殊构造。

图1 北冰洋地理概况及研究钻孔位置图.BG代表波弗特环流；TD代表穿极漂流；虚线箭头指示冰期表层流路径，引自文献［7］Fig.1.Geographicmap of Arctic Ocean and cores location.BG：Beaufort Gyre；TD：Transpolar Drift；Broken arrow represents the surface current path in glacial period，cited from［7］

XRF元素含量扫描分析：柱状样剖分以后，将其中一份切面整平，利用X射线荧光岩芯扫描仪（XRF）高分辨率地分析沉积物中Mn和Ca元素相对含量，分析方法参考Löwemark等［12］。X射线荧光扫描所用仪器型号为Itrax，Mo管，曝光时间5 s，扫描步长2 mm，X射线宽度4 mm，即单次扫描结果为2 mm×4 mm面积内元素的平均含量，含量以计数强度表示（cps），重复分析偏差＜3%。

粒度分析：根据样品颗粒粗细称取0.1—0.5 g样品，用30%的过量H2O2去除有机质，再加入1 mol·L－1过量Na2CO3并在85℃水浴锅中加热4 h去除生物硅，将样品用去离子水清洗至中性后，加入适量分散剂六偏磷酸钠，经超声振荡使样品分散，最后使用mastersizer 2000型激光粒度仪（测量范围为0.02—2 000μm）测试粒度组成，利用矩法计算样品的平均粒径。对同一样品平均粒径的重复性测试偏差≤2%。按2 cm间隔共分析124个样品。

有机碳含量和稳定碳同位素分析：将沉积物样品冷冻干燥后磨细，经2 N盐酸超声波反应30 min后除去其中碳酸盐，用去离子水洗至中性并低温烘干。使用Thermo NE1112型碳氮元素分析仪，经ConfloⅢ与Delta Plus AD同位素质谱分析仪连接，在线进行样品有机碳含量和稳定碳同位素分析。碳同位素以PDB国际标准为参考标准，测试精确度为±0.2‰。按2 cm间隔共分析124个样品。

08B85-D柱样的上部130 cm由叶黎明等［10］按1 cm间隔做了IRD（＞154μm）含量、有孔虫丰度等分析。

2 结果

2.1 颜色旋回、M n和Ca元素相对含量

和北冰洋众多钻孔类似，08B85-D孔岩性剖面也具有明显的颜色旋回，褐色层和灰色层交替出现，是沉积环境和沉积物组分阶段性变化的反映（图2）。柱样上半部颜色旋回要比下半部显著，其中0—4 cm、32—43 cm和65—85 cm是比较典型的褐色层，每个褐色层的颜色深浅不一。需要指出的是，各褐色层并非呈单一褐色，其中还夹杂了若干层灰色沉积物。比较特别的是，43—52 cm处和96 cm附近出现了浅黄色斑点状沉积物。

08B85-D孔沉积物中Mn元素相对含量在深度剖面上显示出了非常明显的阶段性变化，与颜色层具有很好的对应关系，表现为沉积物颜色越深，Mn元素含量越高（图2）。其中0—4 cm褐色层和32—43 cm褐色层具有相对最高的Mn含量。对于每一个褐色层而言，Mn元素含量变化普遍具有在底部快速增加、在顶部迅速降低的特点。在比较特殊的浅黄色斑点层，Mn元素含量处于低值区。

Ca元素与Mn元素的相对含量变化大不相同，Ca元素相对含量并没有出现明显的旋回性，表现为在大部分层位稳定在极低值，而在特定层位如0—3 cm、31—56 cm、85—97 cm、127—130 cm、174— 180 cm处突然出现峰值，浅黄色斑点层正对应于Ca的高含量层（图2）。据叶黎明等［10］研究，在08B85-D孔两处浅黄色斑点层，白云石含量非常高，分别达到了16.4%和15.6%。在柱状样31 cm和87cm处还发现了两颗典型的砾石，其成分均为白云石。

图2 08B85-D孔Ca和Mn含量变化及地层划分.B84A、PS51／38-4、HLY0503-14JPC和HLY0503-6孔数据分别引自文献［13-16］，AAR代表氨基酸定年结果Fig.2.The stratigraphy of core 08B85-D and the curves of Ca and Mn content.Data of B84A，PS51／38-4，HLY0503-14JPC and HLY0503-6 are from［13-16］，respectively.AAR：amino acid racemization dating results

2.2 粒度

08B85-D孔沉积物中砂（2 000—63μm）、粉砂（63—4μm）、黏土（＜4μm）含量分别在0.0%—38.3%、36.7%—54.4%、23.0%—51.4%间变化，砂、粉砂、黏土的平均含量分别为14.4%、48.1%和37.5%。沉积物的平均粒径（Mz）介于5.59—7.86Ф，平均值为6.95Ф（图3）。柱样65 cm之下沉积物粒度组成相对稳定，但在85—90 cm、129—132 cm、151—152 cm、177—182 cm出现明显的粒径变粗。柱样65 cm之上沉积物粒度组成波动较大，在5—30 cm层，粒径是全柱中最粗的，砂含量均值高达33.1%，平均粒径均值为5.83Ф。总体而言，灰色层的粒径要比褐色层粗，而且沉积物粒径变粗的层位也很好地对应了IRD（＞154μm）含量的高值区间。

2.3 有机碳含量

全柱的有机碳含量介于0.10%—0.35%，平均含量仅为0.15%。30 cm之下有机碳含量都很低，平均仅为0.14%，但在69—70 cm和83—84 cm出现有机碳含量的相对高值（图3），分别为0.33%和0.24%。在30 cm往上至柱样顶部，有机碳含量表现出递增趋势，平均为0.23%。总体上有机碳含量与沉积物颜色的变化间并无对应关系。

2.4 稳定碳同位素值

08B85-D孔沉积有机质的δ13C值介于－26.85‰—－22.34‰，均值为－23.62‰。δ13C的两处较为明显的低值出现在69—70 cm和83—84 cm，恰对应于有机碳含量的两处相对高值（图3）。65 cm之下δ13C值平均为－23.80‰，而65 cm之上δ13C值平均为－23.07‰。

图3 08B85-D孔粒级组成、TOC含量和有机碳同位素组成变化Fig.3.The grain-size，TOC content and carbon isotope constitute of core 08B85-D

表1 有机碳含量和有机碳来源的分期统计Table 1.The statistic results of content and source of TOC in differentMISs

3 讨论

3.1 年龄框架

在北冰洋中部海区，因为较厚的海冰覆盖，生物生产力较低，而且还存在钙质壳体的溶解作用［17］，沉积物中的有孔虫记录连续性较差，往往出现间断［14，17-19］。有孔虫记录的间断不仅限制了有孔虫氧同位素地层学的应用，也限制了AMS14C测年的应用［20］。不过，北冰洋有孔虫记录虽然连续性不佳，但有孔虫丰度变化曲线往往较直观地体现了冰期-间冰期的旋回性［14，16-18］，仍具有地层对比意义。

北冰洋沉积物中的颜色旋回通常是由沉积物中的Mn元素含量决定的，前人研究认为，间冰期时河流输入更多的Mn，且北冰洋底层水的流通性好，富氧环境下溶解态的Mn在“沉积物-水”界面处大量沉淀，随后被埋藏在沉积物中长久保存并使沉积物颜色较深；而冰期时环境则不利于Mn元素的向海输入和沉淀保存，沉积物颜色相对较浅［12，21-22］。沉积物颜色旋回和Mn含量变化在北冰洋沉积地层对比和年龄框架的建立中得到广泛应用［11，13，20，23］。

北冰洋一些岩芯中的粉白层（pink-white layers）也是较为直观的具有地层对比意义的标志层［23］，其特点是碎屑碳酸盐岩（主要是白云石）含量高，比较显著的粉白层的出现与劳伦泰冰盖在MIS8（／7）、MIS5d及MIS4／MIS3时解体所导致的富白云石冰筏碎屑供应增加有关［23］。北冰洋岩芯中Ca含量变化有时主要响应碎屑碳酸盐岩输入的变化［10，15］，在碎屑碳酸盐岩输入显著增加时（如在粉白层），往往出现Ca含量显著峰值。Ca含量变化曲线也已成为北冰洋沉积地层对比辅助工具［13，15-16］。

08B85-D孔Mn、Ca含量和有孔虫丰度变化曲线与邻近B84A孔有极高的相似度（图2），可以参考B84A孔上部的AMS14C测年数据（王汝建未发表资料）来确定08B85-D孔最上部地层的时代。08B84A孔上部0—10 cm深度测年数据（王汝建未发表资料）显示，0—2 cm的年龄为12 647 a，2—4 cm的年龄为34 515 a，说明MIS2存在沉积间断，而这可能是阿尔法脊地区的普遍现象［15，23］。08B84A孔4—10 cm的年龄都大于42 ka，对应于有孔虫丰度的高峰，应当属于MIS3（王汝建未发表资料）。对照B84A孔来看，08B85-D孔0—2 cm可能为MIS1，2—10 cm可能为MIS3，两者之间的MIS2存在沉积间断。

08B85-D孔MIS4／MIS5／MIS6／MIS7的界线主要依据浮游有孔虫丰度变化来确定。在MIS4和MIS6时，阿尔法脊海域覆盖的海冰可能大大限制了浮游有孔虫的生长，致使沉积物中的浮游有孔虫丰度极低，在大部分层位甚至近于零［14］，而在间冰期MIS5和MIS7时，海冰的减少利于浮游有孔虫的生长，沉积物中保存的浮游有孔虫壳体相对较多。类似的浮游有孔虫保存情况在门捷列夫脊上的HLY0503-8孔中也有体现［18］。除了浮游有孔虫丰度变化，岩性变化和Ca含量峰值的出现也有助于地层的划分。在08B85-D孔中，具有最显著Ca含量峰值的43—52 cm层位能对应于文献所述的PW2粉白层，出现时间可能为MIS5d［23］。

08B85-D孔MIS7以前的地层主要根据与楚科奇海台HLY0503-6孔和阿尔法脊HLY0503-14孔Ca含量变化对比来划分。08B85-D孔中Ca含量的次高峰位于96 cm附近，可能对应于PW1粉白层，出现于MIS7和MIS8界线附近［15］。另外一个标志层出现在128 cm附近，具有Ca含量的明显峰值，而其下Ca含量保持在极低水平，能对应于Polyak等［15］所述的“往下碎屑碳酸盐岩消失、Ca含量突然降到很低”的标志层，其出现时间约介于300—350 ka，可以通过与HLY0503-6孔对比大致确定MIS8／MIS9／MIS10界线位置（图2）。在08B85-D孔下部175—180 cm处还有一个比较显著的小Ca峰，而且伴随了砂含量的增加，可能对应于HLY0503-6孔最下部Ca含量增加和出现IRD峰值的层位，应该属于MIS16时沉积［16］。在Stein等［23］关于美亚海盆柱样的岩性地层对比研究中，MIS6、MIS10、MIS12、MIS16时均出现砂含量较高的沉积层，从08B85-D孔的粒度数据来看，具有相对高的砂含量的130—132 cm层和151—152 cm层可能分别属于MIS10和MIS12时沉积（图3）。

08B85-D孔MIS16之前的地层，由于数据和可用于对比的资料缺乏，尚难以进行界定。

参考Stein等［23］的研究和上述地层划分结果，我们对褐色层进行了编号。因为MIS2沉积可能间断，0—4 cm的褐色层可能涵盖文献中的B1和B2两个褐色层，32—43 cm则可能涵盖褐色层B4-B6。关于褐色层B3属于MIS4还是MIS5目前没有统一的认定［23］，在08B85-D孔中可能缺失。

3.2 有机碳来源变化的古环境意义

08B85-D孔整体有机碳含量很低，与极地中心区的低生物生产力和低有机碳含量［4，24］相一致，也与冰期时稳定的海冰覆盖有关［5］。前人研究表明，北冰洋西部陆源有机碳的δ13C值在－27‰左右，如马更些河沉积物中有机质的 δ13C值介于－27.7‰—－26.5‰［25］，科威尔河沉积物中有机质的δ13C值为－26.9‰（n＝1）［25］，育空河悬浮颗粒物的有机质δ13C值为（－26.22±0.70）‰［26］。在北冰洋西部，以硅藻为主的海洋生物对沉积物中有机质的贡献大［4］，海洋源有机碳的δ13C值在－21‰左右，如楚科奇海与波弗特海邻近海域浮游生物δ13C值为－22.4‰［27］，在加拿大的巴罗（Barrow）海峡与兰开斯特海峡（Lancaster Sound），颗粒有机质和冰藻的δ13C值分别为（－21.6±0.3）‰和（－20.7±0.9）‰［28］。如果以－27‰和－21‰分别作为阿尔法脊处有机碳陆源端元和海洋源端元的δ13C值，利用二元混合模型，可以计算08B85-D孔陆源和海洋源有机碳的各自贡献量。结果表明全孔有机碳海洋源的贡献略大，平均为56.4%，在不同的氧同位素期次，海洋源贡献有波动，并呈现一定的规律（表1）。

在MIS16，08B85-D孔砂含量和Ca含量均出现峰值，有机碳的陆源贡献略高于海洋源贡献。波弗特环流控制下的美亚海盆IRD组分以碎屑碳酸盐岩为特征［29-30］，主要来自班克斯岛、维多利亚岛和加拿大北部的麦肯齐地区［7，30-31］，08B85-D孔所在处远离陆地，海冰应当是陆源岩屑和有机质搬运的主要载体。这一时期的海冰可能主要是季节性的［16，19］，陆源有机质在阿尔法脊沉积中贡献高可能说明这一时期海冰活动性较好，对陆源有机质的搬运效率较高。

在MIS15—MIS10，总体上08B85-D孔有机碳海洋源贡献略高于陆源贡献，可能指示海冰的覆盖程度相较MIS16时要低。对门捷列夫脊HLY0503-06孔浮游有孔虫和介形虫研究显示MIS11时具有异常温暖的间冰期环境和较高的海表生产力［16］，海平面也高出现在许多［32］。08B85-D孔中132—148 cm出现的褐色层和增加的海洋源有机质贡献可能是这种气候和海洋环境下的产物。

08B85-D孔中，MIS9时沉积有机质的陆源和海洋源贡献大致相等，但MIS8时海洋源有机质贡献略高于陆源。从HLY0503-06孔介形虫丰度来看，MIS8具有和MIS9时大致相当的介形虫丰度［16］，可能指示MIS8时仍具有可观的海洋生产力。08B85-D孔MIS9时Ca和IRD含量波动指示这时海冰覆盖程度的波动较大，且海冰可能具有较强的活动性，能为阿尔法脊带来可观的陆源有机质，而在MIS8时，海冰活动性可能稍弱，输送到阿尔法脊的陆源有机质减少。

MIS7时阿尔法脊沉积物TOC含量和δ13C值出现过两次明显波动，指示陆源有机碳输入的两次飙升，陆源有机质贡献曾高过80%，这种变化发生在MIS7早期碎屑碳酸盐岩冰筏事件之后，出现在富Mn和低IRD含量层位。陆源有机碳输入的两次飙升应该与冰筏解体后海流对陆源有机质的直接搬运有关，陆源有机质可能由强盛的波弗特环流携带直接输向阿尔法脊，且能较好保存［6］，这种情况可能与短期气候波动有关。

MIS7之后，Ca含量峰值不再与IRD含量高值区间相对应，在MIS6和MIS4—MIS3时冰筏碎屑出现高含量但Ca含量非常低，这种情况的出现可能与IRD源区的转变有关。在MIS6和MIS4—MIS3海冰搬运作用增强的情况下，阿尔法脊B85-D孔缺失碎屑碳酸盐岩，而在罗蒙诺索夫脊上的GreenICE 10孔中碳酸盐岩组分却显著增加了，说明来自班克斯岛、维多利亚岛和麦肯齐地区的含碳酸盐岩碎屑［7，30-31］几乎没有在B85-D孔处沉积，而可能被海冰搬运进入欧亚海盆。B85-D孔处此时沉积的IRD可能来自以石英碎屑为特征的埃尔斯米尔等岛屿或拉普捷夫海和东西伯利亚海物源区［7，30-31］。物源的变化可能源于冰期时海流的变化，影响美亚海盆的波弗特环流可能消亡了，而原本主要影响欧亚海盆的穿极漂流则可能扩张影响到了阿尔法脊地区，改变了陆源碎屑的搬运轨迹［7，9］。发生变化的还有海冰覆盖情况，对北风脊有孔虫的研究揭示西北冰洋中晚更新世海冰覆盖程度似乎是不断发展的，MIS7之后的海冰覆盖最为发育［19］。B85-D孔沉积有机质来源也响应了这种变化，在MIS6和MIS4-MIS3，陆源有机质的贡献不仅没有增加，反而减弱了，说明海冰的浓度可能过大，限制了陆源有机质的搬运和沉积。海底地形探查发现，在晚更新世冰期有超过1 km厚的冰层直接覆盖在楚科奇海台和北风洋脊的沉积物之上，伴随了沉积间断［33］，在罗蒙诺索夫脊上也发现了底冰侵蚀的痕迹［33-34］，一系列证据表明MIS6时冰架覆盖范围很广［35-36］。和MIS6时不同，在MIS4—MIS3时很显著的特点是TOC含量增加很多，这时的有机碳含量变化与楚科奇海盆03M03孔和格陵兰附近GreenIce10孔的有机碳含量变化型式比较类似，都有峰-谷-峰-谷的转变［8，11］，但和03M03孔不同，08B85-D孔TOC含量的谷值处并未对应于IRD含量的增加，即未受“稀释作用”影响。为何在MIS4—MIS3时海洋生产力低下的情况下，08B85-D孔有机碳含量相比之前几个氧同位素期明显增加，有机质来源却仍以海洋源为主呢？我们认为，这可能与海冰对有机质的搬运过程有关，此时08B85-D孔海洋源有机质可能并非主要在阿尔法脊处生产并沉降，而是在相对高生产力海域生产，再由海冰侵蚀搬运至阿尔法脊处沉积［11，37-38］，这种异地搬运的有机质相比间冰期新鲜沉积有机质具有更高的保存潜力［6］。相对而言，MIS4—MIS3时的海冰活动性可能稍好于MIS6时，海冰的侵蚀搬运能力最强。

MIS5时并没有出现MIS7时陆源有机质输入脉冲式飙升的情况，海洋源有机碳比例平均高达66.5%，有孔虫丰度的大幅增加也指示MIS5时海洋生产力大幅提高。在MIS5，08B85-D孔IRD含量较低，Ca峰却最为显著，这可能指示随着劳伦泰冰盖解体，加拿大北极地区又成为IRD的重要源区［10］。Ca峰的出现对应了陆源有机碳贡献的略增（图3），说明海冰仍然在陆源有机质搬运中具有重要作用。总体上MIS5时海冰应当比MIS7后期多，因为没有出现MIS7后期时环流对陆源有机质直接输送导致的沉积物δ13C值的显著降低。

到MIS1时，08B85-D孔TOC相对高含量应该与气候回暖、原地海洋初级生产力增加有关。Ca峰的出现则表明海冰浓度可能类似于MIS5时，波弗特环流能将加拿大北极地区的碎屑碳酸盐岩搬运至阿尔法脊处。

08B85-D孔有机碳的来源大致具有4种不同的模式，即间冰期原地海洋生产为主（MIS5和MIS1）、间冰期海流搬运陆源为主（MIS7后期）、冰期原地海洋生产为主（MIS8）和冰期海冰侵蚀搬运海洋源为主（MIS6和MIS4—MIS3）。

4 结论

综合Mn含量、Ca含量、浮游有孔虫丰度与其他钻孔的对比，可以确定08B85-D孔上部180 cm为MIS16以来的沉积，有机碳含量和来源变化并不具备冰期-间冰期旋回性。

海冰覆盖程度和波弗特环流的强度共同决定了阿尔法脊处有机碳来源的构成。在MIS7若干时段时海冰覆盖极少，增强的波弗特环流可将陆源有机质直接输送至阿尔法脊处，使沉积有机质中陆地来源占主导。在MSI6—MIS1，08B85-D孔有机碳始终以海洋源贡献占主导，与海冰覆盖程度维持在较高水平，限制了陆源有机碳的输送，特别是在MIS6和MIS4—MIS3时，海冰很盛，波弗特环流有可能消亡。在MIS4—MIS3时，阿尔法脊地区沉积的有机质可能部分来自海冰侵蚀搬运的异地沉积有机质。

MIS7时出现的TOC和δ13C的异常信号，也许能成为阿尔法脊附近地区地层对比新的依据。

致谢感谢审稿专家的建设性意见；感谢参加“雪龙号”第三次北极科学考察的所有科学家和工作人员的辛苦付出；感谢姚旭莹老师为本文有机碳含量和稳定碳同位素分析提供技术支持。

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