全新世以来泰国湾古气候演化历史——来自地球化学和矿物学证据

袁 帅张 辉曹 鹏李小艳石学法范德江Somkiat KhokiattiwongNarumol Kornkanitnan刘升发*

(1.中国海洋大学 海洋地球科学学院,山东 青岛 266100;2.自然资源部 第一海洋研究所,山东 青岛 266061;3.自然资源部 海洋地质与成矿作用重点实验室,山东 青岛 266061;4.青岛海洋科学与技术试点国家实验室 海洋地质过程与环境功能实验室,山东 青岛 266061;5.泰国海洋与海岸带资源研发中心 海洋与海岸带资源室,泰国 曼谷10210)

全新世气候演化及其驱动机制是近年来古气候变化研究的热点内容之一,越来越受到国内外学者的关注[1-2]。已有研究表明全新世的气候并不稳定[3-4],全球范围内发生了数次降温事件[5-7]。Bond等在北大西洋两个全新世沉积序列中发现了一系列冰筏碎屑(IRD)冷事件[5],后来的研究也表明这种千年尺度的气候突变具有全球性特征;Wang等在贵州董哥洞石笋δ18O 记录的降水过程中发现了8次干旱事件,对应于较弱的夏季风时期,其中有6次与北大西洋冷事件一致[8];近期印度洋-太平洋交汇区古气候重建结果则表明大西洋经向翻转流是联系北大西洋和热带印度洋气候事件的桥梁,并揭示了全新世不同纬度带气候变化的遥相关特征[9]。在全球变化的大背景下,未来气候变化是地球科学关注的焦点问题,而对未来气候变化的预测离不开对古环境和古气候演化规律和控制机制的了解,因此为了提高我们对全新世气候演化规律及其区域性和全球性响应机制的认识,尚需更多的区域证据来丰富理论研究体系[10]。

泰国湾位于南海西南部,是中南半岛和马来半岛之间的一个半封闭性海湾。海湾从越南金瓯角至马来西亚哥巴鲁,与南海水域相连,面积约25万km2,平均水深约45 m。20世纪以来,陆续有学者对该区域开展了海洋地质研究,并取得了一定的成果[11-17]。泰国湾沉积物以陆源碎屑沉积为主[11],主要来自入海河流携带物质[18]。泰国湾周边有多条较大的入海河流(表1),泰国湾北部以及西北部的陆源物质主要来源于湄南河[12],而南部陆源物质则主要来源于马来半岛的吉兰丹河和彭亨河[13-14],不同来源物质在季节性流系格局控制下形成了多元化的沉积物模式[15]。由于泰国湾潜在物源区气候变化主要受控于海平面变化和亚洲季风系统,因此湾内柱状沉积物是过去历史时期气候和环境变化的良好载体[16-17]。尽管近年来已有学者对泰国湾进行了沉积学方面的研究,但大多工作集中于河口区沉积物物源[19]、污染物分析[20-21]和海岸带侵蚀[22]研究,研究成果主要聚焦于人类活动的控制作用,缺乏对泰国湾古气候演化及其对全球变化的响应机制方面的研究,而以沉积学、矿物学、地球化学指标来重建全新世以来古气候演化历史更是十分少见。

表1 泰国湾周边入海河流基本信息[23]Table 1 Basic information of rivers inflow into the Gulf of Thailand[23]

因此,本文以泰国湾西南部T155柱状沉积物为研究对象,开展系统的地球化学和矿物学研究,定性判别全新世以来沉积物来源,在此基础上,重建泰国湾全新世以来的古气候演化过程,为进一步理解全新世以来全球气候不稳定性变化的区域性响应特征提供理论支撑。

1 材料与方法

T155号柱状沉积物样品由泰国Seafdec号调查船于2012年执行中泰海洋地质联合调查航次获取,采自泰国湾西南部区域(101°12′00″E,7°45′36″N)(图1),样品长301 cm,水深44 m。样品剖开后,进行了详细的岩性描述,并按照2 cm 间隔切割,选取其中的30个样品进行地球化学和矿物学分析。

图1 T155号柱状沉积物位置[17]Fig.1 Location of core T155 in the Gulf of Thailand[17]

1)粒度测试:首先称取适量的沉积物样品,加入约15 m L的30% H2O2静置24 h以上除去有机质,之后加入3 mol/L的稀HCl约5 m L静置24 h以上除去碳酸盐岩,待反应完全后,洗盐直至中性。处理好的样品利用Mastersizer 2000激光粒度仪进行粒度测定。粒级标准统一使用尤登-温德华氏等比制值Ф 粒级标准,粒度参数采用矩法公式进行计算,粒度测试在自然资源部第一海洋研究所完成。

2)元素地球化学测试:将样品烘干、研磨,制成200目的粉末后,称取(0.050 0±0.000 5)g样品于坩埚中。加入3 m L 1∶1的高纯HNO3和HF,密闭放置于190 ℃烘箱中保持48 h,待样品冷却后再用电热板150 ℃蒸干赶尽HF后加入3 m L 50%的HNO3,密闭置于温度150 ℃的烘箱中提取8 h以上,冷却后再用聚乙烯比色管定容,使用电感耦合等离子质谱(ICP-MS)测定稀土元素含量,用等离子体发射光谱法(ICPOES)测定常量元素含量。测试过程中,随机选取10%平行样进行测试,并采用GSD-9标准样进行监控,相对误差小于0.5%,元素地球化学测试在自然资源部第一海洋研究所完成。

3)黏土矿物测试:样品用30%的H2O2除去有机质,用0.5%稀盐酸除去碳酸盐后,用去离子水反复清洗,直到具有抗絮凝作用发生。根据Stokes沉降原理所确定的沉淀时间,将小于2μm 的颗粒吸出,离心。采用刮片方法制成样品定向薄片,使用X 射线衍射方法测试黏土矿物含量,黏土矿物测试在自然资源部第一海洋研究所完成。

4)年代测试:根据T155号柱状沉积物岩性特征,共选择6个层位样品进行年代测试,其中上部4个层位测年材料为底栖有孔虫,下部2个层位测年材料为泥炭。测年结果利用Calib 8.2程序进行了日历年龄校正[24],区域碳库校正值为(-19±70)a,年代测试在美国伍兹霍尔海洋研究所完成。

2 结果

2.1 年代框架与沉积速率

T155号柱状沉积物的6 个样品AMS14C测年结果见表2,通过线性内插和外推法,可获取每个样品的年代数据,最底部年龄为11 508 a BP。依据日历年龄计算可得:沉积速率介于11.40～94.30 cm/ka,平均值为23.40 cm/ka,表现出明显的阶段性变化特征(图2)。

表2 泰国湾T155号柱状沉积物AMS 14 C年代结果Table 2 AMS 14 C age dating results of core T155 in the Gulf of Thailand

图2 T155号柱状沉积物年代框架及沉积速率Fig.2 Age model of core T155 and sedimentation rates

2.2 粒度特征

T155柱状沉积物的粒度组成垂向上变化明显,可以分为3段(图3)。①80～0 cm,沉积物逐渐变粗,砂质量分数约为1%、粉砂质量分数增加至81%、黏土质量分数减少至小于20%,平均粒径约6.6Φ。②260～80 cm,沉积物主要为粉砂和黏土,粒度组成和参数比较稳定,砂质量分数低于1.5%、粉砂质量分数约为68%,平均粒径7.2Φ,分选差。③从底部到260 cm,沉积物类型变化较大,平均粒径为5.2Φ～8.3Φ,分选差,主要成分为粉砂和黏土,粉砂质量分数为46.2%～75.6%,黏土质量分数为6.9%～58.3%,砂质量分数低于1%。其中在271～283 cm,砂质量分数突然急剧增加至15%,粉砂质量分数增加至70%,黏土质量分数降低至8%。

图3 T155柱状沉积物粒度参数垂向变化Fig.3 Vertical variations of grain size parameters in the sediment of core T155

2.3 常量元素特征

T155号柱状沉积物常量元素含量变化特征如图4所示,其垂向上大致可划分3层:80～0 cm,所测常量元素垂向分布变化明显,SiO2和P2O5质量分数呈小幅升高,Al2O3、TFe2O3(全铁)、K2O、Mg O 和MnO 等质量分数则呈小幅降低;260～80 cm,SiO2、TFe2O3和Na2O 等质量分数垂向变化较小,K2O、Mg O 和P2O5等质量分数自下向上逐渐增大,CaO 和Mn O 等质量分数则表现为先稳定后逐渐增大的趋势;301～260 cm,SiO2、Al2O3、TFe2O3、K2O、Mg O、Mn O、Na2O 和TiO2等质量分数变化明显,达到各自的最大值或最小值。

图4 T155柱状沉积物常量元素质量分数垂向变化Fig.4 Vertical variations of major elements in the sediment of core T155

2.4 稀土元素特征及配分模式

T155号柱状沉积物的稀土元素含量及主要稀土指标如图5所示,稀土元素垂向分布大致可以分为3层:80 cm 以上层位,稀土总量、轻稀土、重稀土含量自下向上逐渐降低,至上部50 cm 稀土总量约为180 μg/g,(La/Sm)UCC(La质量分数与Sm 质量分数比值)和(Gd/Yb)UCC(Gd质量分数与Rb质量分数比值)也呈明显的下降趋势;260～80 cm 层位,稀土总量、轻稀土、重稀土含量及轻重稀土比值、δCe(铈异常)、δEu(铕异常)等参数均变化较小,而(La/Sm)UCC由下至上波动较为明显,但整体呈波动升高的趋势,相对于(La/Sm)UCC来说,(Gd/Yb)UCC波动较小,但整体上来说也呈现升高的趋势,指示了早全新世较为稳定的物质来源或沉积环境;260 cm 以下层位,各个参数垂向分布规律性不显著。

图5 T155柱状沉积物稀土元素质量分数垂向变化Fig.5 Vertical distribution of rare earth elements in the sediment of core T155

用上陆壳(the Upper Continental Crast,UCC)作为标准对T155柱状沉积物稀土元素标准化,从配分模式图(图6)可以看出:相比上陆壳数据,T155柱状沉积物重稀土相对富集,轻稀土相对亏损,不存在明显的Ce异常,存在Eu的负异常,与湄南河和彭亨河以及湄干河的配分模式较为相似,均呈明显左倾,不同之处是彭亨河左倾程度更加明显,其余三者则较为平缓。

图6 T155柱状沉积物及周边区域沉积物稀土元素配分模式Fig.6 UCC-normalized pattern of the rare earth element composition of the core T155 and adjacent area

2.5 黏土矿物分布特征

T155号柱状沉积物的黏土矿物质量分数见图7,黏土粒级组分含量在80 cm 以上层位呈逐渐降低的趋势,而在80 cm 以下波动较小,约为35%。4类黏土矿物垂向分层明显:190 cm 以上部分,蒙皂石波动明显,可分为3次高低旋回,伊利石含量则基本呈连续增加的趋势,高岭石大致表现出与伊利石相反的趋势,含量自下向上持续降低,绿泥石在这一层位变化不大,其质量分数为13%～14%;190 cm 以下部分,蒙皂石和绿泥石垂向分布规律性不明显,高岭石自下向上呈逐渐增加的趋势,伊利石质量分数变化不大,介于30%～40%。

图7 T155柱状沉积物黏土矿物质量分数垂向变化Fig.7 Vertical variations of clay minerals in the sediment of core T155

3 讨论

3.1 沉积物来源判别

随着现代分析技术的发展,沉积物物源分析方法日趋增多,并不断地相互补充和完善。由于元素在理化性质上的差异,不同来源的沉积物在搬运和沉积过程中会出现不同的地球化学响应特征,这就为利用地球化学方法实现物源的精准分析奠定了理论基础[28]。作为高场强元素,稀土元素在岩石的风化过程中很保守,容易被碎屑颗粒吸附或结合,能随碎屑颗粒进行长距离搬运和沉积,被视为判断源岩类型及物源区构造背景的有效工具[29]。Liu等认为δEu、(La/Sm)UCC、(Gd/Yb)UCC等稀土元素比值往往与源岩岩性有关,有着良好的物源指示意义,已广泛用于亚洲大陆边缘物质的“源-汇”研究中[30]。本文采用(La/Sm)UCC和(Gd/Yb)UCC作为物源判别参数,但在使用这些参数之前,需要排除主要的干扰因素。首先,由前文分析可知,T155柱状粒级组分以粉砂为主(粉砂组分平均质量分数为70%),砂组分含量很少(平均质量分数仅为1%),且黏土粒级组分含量变化不大,所以可排除矿物组成对所用稀土元素指标的影响。另外,为了排除粒度和化学风化强度的影响,我们将所用指标与化学蚀变指数(Chemical Index of Alteration,CIA)[31]和平均粒径(Mz)进行了相关性分析(图8),从分析结果可知这几者之间并不具备明显的相关性(R2＜0.12),所以可确定在泰国湾使用(La/Sm)UCC-(Gd/Yb)UCC图判别物源是可行的。

图8 稀土元素指标与M z和CIA 的相关性判别Fig.8 Correlation between rare earth element proxies and M z,CIA

泰国湾主要以陆源碎屑沉积为主,海洋自生等其他沉积作用基本可以忽略不计[16,33]。陆源碎屑物质主要来自入海河流携带物质[34],所以我们选取泰国湾周边几条主要河流作为物源端元,分别是马来半岛的吉兰丹河[23]、彭亨河[23],北部曼谷湾主要入海河流湄南河①石学法,刘升发,王昆山,等.南海SCS-CJ03区块底质调查与研究技术总结报告,2013:164-175.和湄干河以及南海西部主要入海河流湄公河[25],将物源端元数据和T155柱状沉积物数据投点到(La/Sm)UCC-(Gd/Yb)UCC图(图9),结果显示T155柱状沉积物大部分点较为集中,基本落在彭亨河与吉兰丹河所在端元内,而与泰国湾北部入海河流端元区分明显。考虑到湄公河远离研究区,陆源物质难以运移至泰国湾西南近岸,这就表明全新世以来泰国湾西南部沉积物主要来自马来半岛,主要驱动力为东亚夏季风控制下的沿岸流。现代泰国湾物质来源揭示了周边不同入海河流的控制范围[33],T155柱状沉积物同样位于马来半岛物质控制区,陆源入海物质主要受到沿岸流的影响,沉积物运移方向为SE—NW。另外,巽他陆架沉积物输运模式研究结果表明,吉兰丹河入海物质主要沿岸向北输运,可到达泰国湾中部近岸区域,为泰国湾西南部主要的沉积物源区[15],而碎屑矿物组成同样指示了泰国湾西部与马来半岛一致的原岩背景[13]。

图9 (La/Sm)UCC-(Gd/Yb)UCC物源判别图Fig.9 (La/Sm)UCC-(Gd/Yb)UCC diagram for discriminating sediment provenances

3.2 古气候演化历史重建

过去气候和环境演化历史可在连续性海洋沉积物中得到很好的记录,选取可靠的替代性指标可反演特定时期海洋环境特征[35-36]。海洋沉积物中黏土矿物含量主要受到源区气候的影响[37],对相应源区的古气候有着很好的指示作用[38],其结果与有孔虫、孢粉等微体古生物组合反映的气候特征曲线极为相似[39-40]。不同类型黏土矿物对气候和环境的响应关系差别很大,高岭石多发育于热带土壤中,指示暖湿气候条件下强烈的水解作用,高岭石含量越高,表明当时的气候越温暖湿润;而伊利石和绿泥石则相反,它们形成于干冷的气候环境中,伊利石和绿泥石含量越高,说明当时的气候比较寒冷干燥[12,41-42]。前文分析表明T155号柱状沉积物中黏土矿物含量垂向分布具有明显的阶段划分,且物源较为单一,表明黏土矿物指标对泰国湾全新世以来的气候波动具有较好的指示意义。考虑到黏土矿物之间的稀释效应,一般不采用单个黏土矿物含量指示古气候变化,而使用几种矿物含量的比值[42]。因此,本文采用高岭石与伊利石和绿泥石质量分数比值(ωk/(ωt+ωc))作为源区古气候的矿物学标志,此值的高低反映了夏季风的强弱。

沉积物中元素地球化学组成对气候和环境的变迁反应敏感,是气候地质事件内在成因和环境信息外在因素的综合体现和良好标志[43-45]。由于T155号柱状沉积物的物源区属于东亚季风控制区,气候的冷暖波动必然会对沉积物中元素的含量及其组合特征产生同步影响,而沉积物的化学风化程度可以比较直观地反映出元素含量对气候变化的响应。K 随化学风化强度的增强易于从沉积物中淋滤出来,而Al则在化学风化过程中相对保守,易于在风化产物中富集[32],因此ωK/ωAl可用于指示源区的风化强度。Nesbitt等提出以CIA 判别源区化学风化的强度,CIA 值与风化强度成正比,CIA 值越大,风化强度越大[31],因此CIA 也可用于指示源区风化强度的变化,并广泛应用于边缘海沉积过程研究[30]。

本文利用ωk/(ωc+ωl)、CIA 和ωK/ωAl与格陵兰冰芯[46]、董哥洞氧同位素记录[47]和巽他陆架MD01-2390孔MD01-2390孔有孔虫壳体氧同位素记录氧同位素记录[48]进行对比,从而探讨全新世以来泰国湾古气候演化过程(图10)。全新世以来泰国湾古气候演化历史可分为2个阶段:

图10 全新世以来泰国湾古气候演化历史Fig.10 Paleoclimate evolution in the Gulf of Thailand since the Holocene

1)阶段I,早中全新世(12 000～6 500 cal a BP)

该段时期ωk/(ωc+ωl)和CIA 均呈一个明显高值,ωK/ωAl值则处于明显波动期,较高的ωk/(ωc+ωl)反映了较为强盛的季风降雨,而较高的CIA 与对应较低的ωK/ωAl则反映出源区风化强度较强,这都表明这段时期的东亚夏季风比较强盛,气候较为温暖湿润。然而,这段时期内气候状态并不稳定,矿物学和地球化学指标均波动较为明显,在10 500～11 200 cal a BP期间ωk/(ωc+ωl)和CIA 出现了一个明显低值区,而ωK/ωAl值则呈现一个明显的高值区,这种气候突变事件与巽他陆架MD01-2390孔的氧同位素记录较一致,指示了一次明显的冷事件,这次冷事件是全新世最强烈的一次变冷事件,气温的最大降幅可达8～10 ℃[49],极端的气候条件在泰国湾得到了很好的记录。在7 500～8 500 cal a BP期间ωk/(ωc+ωl)和CIA 又出现一个低值期,ωK/ωAl值则对应呈现一个明显的高值,这个异常值的出现也指示了全新世早期南海南部的气候突变,此次变冷事件与北半球普遍发生的8 200 cal a BP(8.2 ka冷事件)降温事件时间较为接近,8.2 ka冷事件早在1983年由Beget提出[50],随后在北半球各地相继发现了这次气候突变事件,如在格陵兰冰芯[46]、贵州董哥洞石笋[8]、北大西洋浮冰碎屑[5]、北欧孢粉[51]、青藏高原红原泥碳纤维[52]等中均能找到相应记录,反映了全球气候变化的区域性响应特征。这两次千年尺度气候事件时期,地球化学和黏土矿物指标的变化规律也很好地说明了在全球气候寒冷期,东亚夏季风会出现较为明显的减弱,从而影响源区物质的风化、侵蚀和搬运强度,这进一步揭示了气候条件对热带区域陆海相互作用过程的控制。

2)阶段Ⅱ,中全新世(6 500 cal a BP)以来

该段时期ωk/(ωc+ωl)值和CIA指示的源区风化强度均呈明显降低的趋势,这与周边地区石笋和海洋沉积物氧同位素记录变化趋势一致[47-48],反映了逐渐减弱的东亚夏季风趋势,但3个指标的波动并不明显,可能受控于这一阶段的T155孔沉积速率降低,导致这3个指标的时间分辨率降低。整体上来说,这一阶段的季风强度呈降低趋势,这与前人关于全新世以来东亚季风的研究结果吻合,即早全新世时季风较为强盛,中全新世后季风逐渐减弱[6,8,53-54]。这一时期内,ωk/(ωc+ωl)和CIA 在3 200～1 800 cal a BP时期呈现明显低值,对应于ωK/ωAl的高值期,这可能也同样指示了一次冷事件的发生。此次冷事件与在全球发现的全新世晚期距今4～2 cal ka BP的变冷事件(斜氏普林虫低值事件)一致[55],该变冷事件与中国大陆湖泊、石笋、海洋沉积物记录的这一时期东亚夏季风减弱相对应[44,56-57]。印度洋-太平洋交汇区的微体古生物同样记录了发生在4.5～3.0 cal ka BP时期的“斜氏普林虫低值事件”[58]。由此可见,全新世高海平面以来东北印度洋和南海南部气候变化具有很好的一致性,反映了热带海域气候态对全球变化的响应关系。

4 结论

本文以泰国湾西南部T155号柱状沉积物为研究对象,综合分析了矿物学和地球化学规律,定性判别了沉积物来源,并恢复了全新世以来泰国湾古气候演化过程,其主要结论如下:

1)全新世以来泰国湾西南部沉积物来源较为单一,主要来自于马来半岛输入的陆源物质,主要驱动力为东亚夏季风控制下的沿岸流。

2)早中全新世东亚夏季风较为强盛,波动较为剧烈,ωk/(ωc+ωl)和CIA 出现两个低值区(10 500～11 200 cal a BP和7 500～8 500 cal a BP),对应于ωK/ωAl出现的两个高值区,指示了两次千年尺度的冷事件的发生,推断是新仙女木事件和8.2 ka冷事件在泰国湾的响应。

3)中全新世以来东亚季风强度逐渐减弱,ωk/(ωc+ωl)和CIA 呈明显下降趋势,而ωK/ωAl则呈现上升趋势,在3 200～1 800 cal a BP时呈现一个明显的冷事件,指示了热带海域“斜氏普林虫低值事件”的发生。