近70年来南黄海中部泥质沉积物源的变化及其与东亚季风强度变化的响应关系❋

安郁辉， 陈 彬， 张 欣， 陈立雷， 盛 琛,6， 杨 磊， 董 超， 刘 健

(1. 山东科技大学 地球科学与工程学院， 山东 青岛 266590； 2. 中国地质调查局 青岛海洋地质研究所， 山东 青岛 266071； 3. 青岛海洋科学与技术试点国家实验室， 山东 青岛 266237； 4. 中国地质大学(武汉)地球科学学院， 湖北 武汉 430074； 5. 中国地质科学院， 北京 100032； 6. 中国地质大学(北京)海洋学院， 北京 100083； 7. 浙江省水文地质工程地质大队， 浙江 宁波 315012)

河流输送和大气搬运作为全球物质循环中的重要一环，是陆源物质进入海洋的主要途径[1-2]。河流输送在陆源物质进入大型河口湾及其毗邻陆架地区的过程中占据主导地位[3]。陆源碎屑物质通常在河口快速堆积，经波浪、潮汐的作用再悬浮，在水团的作用下，在陆架区进行长距离搬运，最终在河口或陆架地区沉降下来形成泥质区[4]。因此，大型河口湾及其毗邻陆架的碎屑沉积物除受控于大河的输入外，还受水团搬运的影响。

作为中国东部半封闭型边缘海，南黄海接收了大量的来自周边河流所输送的陆源物质，这些物质经长距离搬运最终在南黄海中部形成泥质区。大量的研究表明南黄海中部泥质区的陆源物质主要来自黄河和长江[5-8]，而进入到泥质区的长江陆源物质主要是依赖相应水团(如苏北沿岸流、长江冲淡水和黄海暖流等)的搬运[9-10]。这些水团的北向扩展明显受风场的影响[11-15]。此外在中国东部海域，风场的强度与季风的强度关系密切[16]。因此东亚季风在长江入海的细颗粒物质进入到南黄海中部泥质区起到重要作用。前人利用沉积物中的敏感粒级和地球化学指标对千年尺度上东亚季风强度变化进行了大量的反演工作，其结果表明沉积物中的地球化学特征与东亚季风强度的变化具有紧密的关系。例如，贾培蒙运用沉积物中敏感粒级组分的变化重建了7.5 ka BP以来东亚冬季风和夏季风的演化过程[17]；王琳淼对南黄海中部泥质区沉积物的地球化学元素分析后发现，化学蚀变指数(CIA)和Rb/Sr以及敏感粒级所揭示的东亚冬季风演化基本一致[18]。这些工作大都集中在长时间尺度上，在短时间尺度上探讨南黄海沉积物记录与东亚季风强度之间关系的研究工作开展较少。

近几十年来，东亚季风强度呈现明显的阶段性变化：夏季风在1960—1980年代期间偏弱，1980年代之后进一步明显变弱[19]；冬季风在1960—1970年代初期减弱，其后有所增强，1980年代初期以后又开始减弱[20]。这种阶段性的变化是否会对南黄海沉积物的粒度和地球化学特征产生影响？目前对这一问题的研究尚不充分。因此，我们选取位于南黄海中部泥质区西侧的F0306柱状样，测定其粒度、210Pb活度和沉积物的常量元素含量，研究其垂向分布特征，进而分析了近70年来沉积物在粒度组成和地球化学参数方面的变化，并深入探讨该变化与东亚夏季风强度变化之间存在的联系。这将有助于对该区域海气相互作用的理解。

1 区域背景

南黄海位于中国大陆与朝鲜半岛之间，胶东半岛成山角至朝鲜半岛长山串连线以南、长江口至济州岛连线以北。作为我国东部边缘海的一部分，南黄海每年都接收大量的黄河、长江颗粒物以及少量的来自朝鲜半岛泥沙，其中朝鲜半岛沉积物主要影响南黄海的东部，西部沉积物和中部细颗粒物质主要来源于黄河和长江[5-8]。长江入海泥沙主要是在苏北沿岸流、长江冲淡水和黄海暖流等水团的远距离搬运下进入南黄海中部泥质区[9-10]。

黄海暖流自济州岛西南侧海域呈舌状伸向黄海，具有高温、高盐的特点，通常沿黄海海槽西侧北上，在此过程中在35°N附近向西分出一个分支并与黄海沿岸流汇合南下[21]。黑潮是产生黄海暖流的根本动力，但作为一种补偿流，黄海暖流会受到局地风场的影响：冬季的强北风能够诱生较强的苏北沿岸流，黄海暖流随之增强；夏季由于苏北沿岸流受季风控制向北流动，使得黄海暖流很微弱甚至观测不到[13]。

苏北沿岸流大致沿海州湾40～50 m等深线向南流动，至33°N～32°N附近海域转向东南，其前锋可达30°N附近[21]。在夏季，江苏沿岸流向北流动，主要受季风控制[12-13]，其在30 m水深左右垂向平均流速约3.4 cm/s，北向最大流速8 cm/s,北向流的变化与南北风速的大小关系密切[11]。

长江冲淡水作为输运长江物质的重要的水团，具有明显的季节性变化特征。其流向在7～10月，有小部分长江冲淡水沿着江苏沿岸(盐度<30)向北流动[23]。与苏北沿岸流相似，在夏季向北流动的长江冲淡水同样会受到夏季风场的影响[14-15]。

2 材料及方法

F0306孔(34°59′N，122°30′E；水深65 m)位于南黄海中部泥质区西侧(见图1)，由中国海洋大学“东方红2号”科考船于2007年采得。柱状样全长37 cm，在室内以1 cm为间隔进行了连续分样。

(据文献[24]修改。Modified after [24].)图1 F0306孔取样站位及区域洋流体系图

2.1 210Pb测试

在南京地理与湖泊研究所沉积与环境国家重点实验室内对该柱状样品进行210Pb测定。采用美国EG&ORTEC公司生产的γ谱分析系统测定210Pb以及226Ra的比活度，测试方法依据文献[25]。将样品的总210Pb含量减去226Ra含量即为210Pbex，实验结果相对误差<10%。

2.2 粒度测试

在中国海洋大学海底科学与探测技术教育部重点实验室内，使用英国Mastersizer2000型激光粒度仪对沉积物粒度进行测试。样品加入0.1 mol/L的盐酸和10%的双氧水去除贝壳和有机质后，超声震荡约30 s，然后上机进行测试[26]。该仪器的测试范围为0.02～2 000 μm，粒级分辨率为0.01φ，数据采集间隔为1φ，重复测试相对误差<3%。

2.3 元素地球化学测试

在中国海洋大学海底科学与探测技术教育部重点实验室内，利用能量色散型台式偏振X荧光光谱仪(XRF)对沉积物中的常量元素进行测试，采用TurboQuant-Geo测试方法。样品在60℃温度下烘干24 h以上，研磨到200目以下，压制成片然后上机测试[27]。采用水系沉积物国家标准GSMS-2控制测试精度和准确度。测试过程中每测定10个样品后加一个标样，常量元素的测试误差小于5%。

2.4 判别函数DF的计算

判别函数(DF)可以形象的展示所研究的沉积物与其物源的接近程度，计算公式为：

DF=∣(E/Al)样品/(E/Al)端元-1∣。

其中：(E/Al)样品为所研究的样品中某种元素E与Al质量分数的比值；(E/Al)端元为物质端元沉积物中的某种元素E与Al的质量分数比值。当DF越接近与0时表明两种沉积物物源越接近[28]。

运用判别函数判定物源时，所选取的元素应具备地球化学性质较稳定，在风化、搬运、沉积等过程中几乎被等量地转移到碎屑沉积物中的特点，由此能更好地反映物源的信息[29]。

3 测试结果

3.1 沉积物测年

柱状样中的210Pbex比活度随深度的变化如图2。210Pbex比活度的对数值在4.0～5.4 Bq/kg之间，随深度的增加含量明显的线性关系(见图2(a))。此外，柱状样中细颗粒组分含量很高且变化较小(见图2(b))，这表明研究区域在近70的时间内水动力环境相对稳定。采用常量初始浓度(CIC)模式对柱状样的沉积速率进行计算，F0306柱状样的沉积速率为0.53 cm/a。

图2 F0306孔 (a) 210Pbex比活度垂直分布曲线;(b)粒径百分比的垂向变化

3.2 粒度特征

F0306孔中沉积物主要以粉砂质组分为主，黏土组分次之，砂质沉积组分最少，其平均含量分别为63.4%、31.8%和4.8%。根据砂、粉砂和黏土质组分的含量以及各粒度参数的变化情况，可将F0306孔沉积物自23 cm处将整个柱状样划分为2个部分(见图3)。下部分(35～23 cm)沉积物中各组分的变化程度相对较小，其中砂组分含量呈现小幅度的减小趋势；黏土组分含量、平均粒径和偏态有较小的升高趋势；粉砂质组分含量和分选系数呈现波动性变化；峰态先减小后升高。上部分(23～0 cm)中沉积物各组分含量开始出现较为明显的变化，其中砂质组分和粉砂质组分含量升高，黏土组分含量和平均粒径降低；分选系数、偏态和峰态在23～15 cm层位中数值较大且基本不变，而在15～0 cm层位中数值呈现显著增大。

图3 沉积物各组分含量及相关粒度参数垂向变化曲线

3.3 常量元素特征

F0306孔中常量元素含量如表1和图4所示。Mn元素仅在上部表层3 cm的层位中含量迅速增大，在其余层位中含量都很稳定。其它常量元素的波动程度较大，在柱状样的35～23 cm层位中Fe、K、Ti元素含量呈升高趋势，P和Mn元素含量稳定，Na、Si、Al元素含量均呈现减小的趋势。在25～3 cm层位中，P、Al元素呈现较大的波动，无明显变化趋势；其余各常量元素含量都呈升高趋势，且变化程度较大。在3～0 cm的层位中各元素的含量呈现快速升高趋势。

表1 F0306孔沉积物中常量元素含量

图4 柱状样沉积物常量元素含量垂向变化曲线

4 讨论

4.1 F0306孔中沉积物源变化

F0306孔沉积物中常量元素的含量分布在垂向上存有明显的变化。而中国东部近海海域中陆源碎屑沉积是控制沉积物化学成分的最主要因素[30]。因此，研究样品中常量元素的含量变化可能与陆源碎屑的输入有关。前人研究表明，南黄海中部泥质区沉积物主要受来自现代黄河、老黄河和长江物质的影响[5-8]。现代黄河和老黄河沉积物质主要来自于黄土，两者的常量元素组成基本相似[31]。而长江与黄河由于流域内地质、气候等方面的不同，沉积物在Fe、Mg、Ti等元素组成特征具有显著的差异[32](见图5)。此外，东海内陆架沉积物中的Fe、Mg、Ti元素的含量几乎不受沉积物类型的影响[33]。在本研究中，Fe/Mg和Ti/Al与沉积物平均粒径(Mz)的相关性较弱(见图6)，这同样证明两者在垂向上的变化几乎不受沉积物粒径的影响。因此，本研究中Fe/Mg和Ti/Al的变化可能更多的是与样品中长江和黄河物质的相对贡献量有关。

(长江、黄河以及老黄河数据来自文献[31]，上地壳数据来自文献[34]。The dates of Yangtze River, Yellow River and Old Yellow River are from[31] and the UCC dates are from [34].)

判别函数(DF)作为一种有效的判别沉积物源的方法，在中国东部海域沉积物的物源判别工作中已经有了大量的应用[28-29]。因而，本研究采用Ti元素和Fe/Mg相对于长江沉积物的判别函数来反映长江陆源碎屑对研究区沉积物的影响(见图7)。结果表明：在1964—2006年期间DF(Fe/Mg)和DF(Ti)总体表现为增大趋势，在1942—1964年中则表现为减小趋势。判别函数的增大体现了沉积物中的化学组成与对比的物质端元差异的增大。因此，F0306孔中沉积物中长江物质的含量在1964—2006年内持续降低，在1942—1964年内逐渐增加。

4.2 东亚夏季风变化对长江入海泥沙北上输运的影响

长江入海泥沙具有“夏储冬输”的特征。在夏季，长江物质主要被保存在长江口泥质区，少量的泥沙可以在长江冲淡水和苏北沿岸流的作用下进入到研究海域[9,35]。在冬季，由于台湾暖流的阻碍作用，直接由长江冲淡水输送的长江物质被约束在123°E以西的东海近岸陆架，基本不能被输送到124°E以东海域[36]。但冬季时苏北近岸的表层沉积物(包括该地区在夏季沉降的长江物质)会在苏北沿岸流和黄海沿岸流的作用下发生再悬浮并向东南方向输运，在黄海暖流的作用下进入到南黄海甚至北黄海地区[35]。由于冷涡和上升流的存在，这些细颗粒物质有利于汇聚到南黄海中部泥质区，而且，该区域弱潮流的动力环境，也有助于这些细颗粒物质沉降[37-40]。由于上升流的速率小于悬浮体沉降的速率(悬浮物净运移方向向下)[41]，因而上升流的变化对沉积物组分的影响较小。此外，南黄海中部的弱潮流并不利于沉积物组分的再次分选[37]，因此，该沉积环境有利于保存沉积物本身物源变迁和沉积物输运的信息。

如前文所述，冬季时进入到南黄海地区的长江物质主要为经过苏北沿岸流再悬浮、搬运的苏北近岸沉积物。长江细颗粒物质进入到南黄海主要受黄海暖流、苏北沿岸流和长江冲淡水的影响。在夏季，苏北沿岸流向北流动，主要受南风的驱动[11-13]。数值模拟结果证明夏季风在长江冲淡水的向北扩散过程中起到了重要的作用，经向风风速越大，长江冲淡水向北扩散的范围越大[14-15]。在冬季，苏北沿岸流向东南方向流动，会受到冬季风的影响[42]，冬季风增强可以导致沿岸流加强。黄海暖流同样会受到东亚冬季风的影响，冬季风增强时，黄海暖流随之增强并且流轴西移[43]。因此，夏季风和冬季风强弱的变化均会对长江入海泥沙的北向输送产生一定程度的影响，引起南黄海沉积物中长江组分含量发生变化，从而使它的物源组成特征发生一定程度的改变。另一方面，考虑到南黄海泥质区上部沉积物的黏土组分中长江物质占据优势地位[8]。因此，它可能会使沉积物中的黏土组分的含量也发生明显的变化。

图6 Fe/Mg和Ti/Al与Mz的相关性

(长江沉积物数据来自文献[32]。The datas of Yangtze Rivers are from[32].)

为了进一步深入探讨上述可能解释，本文将东亚季风的观测结果与沉积物来源的阶段性变化进行了对比。前人的观测结果表明最近40年来东亚季风的阶段性变化：东亚夏季风在1960—1980年代期间偏弱，1980年代之后进一步明显变弱[16,19,44]，东亚冬季风强度在1960—1970年代初期减弱，其后有所增强，1980年代初期以后又开始减弱[20](见图8)。为了探索东亚季风强度的变化对沉积物物源的影响，笔者将夏、冬季风强度指数与DF(Fe/Mg)、DF(Ti)和沉积物中的黏土组分含量的变化进行对比(见图8)，结果表明四者具有良好的对应关系。在1965—1975年期间，东亚冬季风和东亚夏季风都呈现由强变弱的变化，对应着南黄海沉积物中DF(Fe/Mg)和DF(Ti)普遍升高，黏土组分含量降低。在1975—1980年期间，东亚冬季风呈减弱趋势，东亚夏季风在该阶段总体较弱，对应着南黄海沉积物中DF(Fe/Mg)和DF(Ti)普遍升高， 黏土组分含量降低。结合前文所述，东亚季风强度的变化可能是导致本研究中沉积物的地球化学特征和粒度组成发生阶段性变化的重要原因。夏季，夏季风减弱导致苏北沿岸流和长江冲淡水向北的扩散能力减弱，致使进入到南黄海中部的长江的细颗粒物质减少。此外，夏季风的减弱还会导致在苏北近岸沉降的长江物质含量减少，使得冬季时黄海暖流所输运的物质中的长江物质所占比例降低。冬季，冬季风减弱导致苏北沿岸流和黄海暖流强度减弱，致使苏北近岸地区沉积物的再悬浮减弱、向北输运的长江物质含量减少，进入到南黄海中部地区的细颗粒长江物质降低。综上所述，东亚季风的减弱导致研究柱状样中的长江组分所占比例降低，这体现在沉积物中黏土组分含量减小、沉积物与长江沉积物相比在Fe/Mg比值和Ti元素含量方面的差异性增大。

(夏季风强度指数和冬季风强度指数分别根据文献[19]和[20]改绘。Summer Monsoon Index modified by [19], the East Asian Winter Monsoon Index modified by[20].)

5 结论

(1)F0306孔沉积物的粒度组分特征存在阶段性的变化。在35～23 cm层位中沉积物的砂质组分含量增加，粉砂质组分含量减小，黏土组分含量略有增大；在23～0 cm层位中沉积物中砂质组分和粉砂质组分含量升高，黏土质组分含量降低。

(2)1942年以来，F0306孔沉积物中的地球化学特征存在明显的变化。1964年以来，F0306孔沉积物与长江沉积物的判别函数DF(Ti)和DF(Fe/Mg)逐渐升高体现了1964年以来沉积物中长江组分逐渐降低。

(3)东亚季风的强弱变化可能是该沉积物的粒度组分和地球化学特征变化的重要原因。1964年以来，东亚夏、冬季风的强度逐渐减弱，进入到研究海域中的长江物质含量减少，致使沉积物中的黏土组分含量逐渐降低，地球化学特征与长江物质的差异逐渐增大。

致谢：感谢东方红2号科考船工作人员在采样过程中给予的大力支持，中国海洋大学刘明老师、中国海洋大学周扬老师在实验测试和论文撰写过程中提供的帮助。