东北印度洋大气粉尘现代沉积过程分析

杜恕环，牛东风，黄锦萍，潘子锐，黄日辉，陈碧珊

（1. 岭南师范学院地理科学学院，广东 湛江 524048；2. 中国科学院南海海洋研究所，中国 科学院边缘海与大洋地质重点实验室，广州 510301；3. 广州大学地理科学与遥感学院，广州 510006；4. 中国科学院大学，北京 100049）

早在1846年，达尔文环球旅行时，观测到大西洋的粉尘沉积，首次提出海底由风尘辅成的观点。自20 世纪60 年代开始，Delany 等（1967）在大西洋西非沿岸开启了现代海洋粉尘研究的序幕，对收集到的海洋粉尘进行粒度和矿物学分析，发现海洋现代粉尘平均粒级＜20 μm，空气中粉尘的平均含量约为5×10-12cm3；Skonieczny 等（2011；2013）对西非塞内加尔海域粉尘进行连续收集，通过对粉尘通量、粒度和黏土矿物分析，发现大气粉尘呈明显的季节性变化；并利用HYSPLIT 模型对大气粉尘搬运过程进行后推轨迹模拟，结合Sr-Nd 同位素对粉尘源区进行追踪，得出该海区全新世沉积主要来自陆源风成沉积物的结论；Rea（1990；1994）和Janecek（1985）对西北太平洋以及太平洋中部的钻孔沉积物石英颗粒进行粒度分析和电镜扫描，获取沉积物中粉尘输送距离以及风速等信息；Inmaculada等（2014）对西班牙现代大气粉尘和沉积物样品进行电镜扫描，发现二者石英砂表面结构上都具有明显的风成环境特征；Goldberg等（1970）对北印度洋大气粉尘、表层沉积物及河流物质进行了黏土矿物和石英分析，发现不同区域风成物质的贡献量存在差异；Aston 等（1973）意识到风力传输机制在海洋陆源物质中的重要性，对包含北印度洋在内的现代海洋粉尘进行沉积通量，季节性及地理位置的研究，发现不同海域的粉尘通量差异明显，主要受源区和季节性影响；Leon等（2003）利用1年的气象卫星观测数据监测北印度洋周围干旱和半干旱地区的沙尘活动，从而追踪北印度洋大气粉尘的来源；Banerjee 等（2016）研究发现，西北印度洋ENSO的年际变化受粉尘气溶胶的调节。由此可见，在世界各大洋和海区，针对海洋粉尘沉积的研究多有进展，然而在南亚季风的发源地——东北印度洋的研究热度还未开启。

印度洋东北部位于世界屋脊青藏高原的南翼，是南亚季风的发源地和流经地，其海底沉积物中保留了南亚季风演化的古海洋环境信息，是高分辨率研究全球气候变化的理想场所（Duplessy, 1982）。东北印度洋的风尘物质源自陆地，在沉积物中的出现有效记录了源区侵蚀搬运程度及大气环流系统的改变，可作为南亚冬季风演化的直接证据，而在构造时间尺度上对青藏高原的隆升所引起的气候环境效应起监视器的作用（方 念 乔 等， 2001； 张 振 国 等，2007）。然而，迄今为止，鲜见基于东北印度洋风成沉积研究古气候变化的报道，其根本原因在于东北印度洋现代粉尘沉积过程特征和规律研究的缺乏。因此，开展印度洋东北部现代粉尘沉积过程研究，对今古印度洋风尘沉积与环境的探索显得尤为关键。

鉴于此，本研究基于东北印度洋走航收集到的大气粉尘，通过统计粉尘沉积通量，模拟空气粒子运动轨迹，结合大气气溶胶数据，分析东北印度洋粉尘传播与大气环流系统之间的关系，探讨东北印度洋大气粉尘沉积的现代过程。另外，通过扫描电镜和能谱分析，获取现代粉尘颗粒沉积特征，为在沉积物中识别和提取风尘组分奠定基础，以期为东北印度洋古海洋环境演化、海陆耦合关系及海洋碳汇提供理论支撑。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

东北印度洋属于典型的季风气候，冬季干冷，夏季湿热。夏季（5-10 月）强劲的西南风从海洋吹向大陆，海洋上空蒸发的大量水汽随季风移至相邻大陆上，形成严重的季风降雨；冬季（10-4月）北风和东北风从亚洲大陆吹向海洋，通过风力作用把大陆粉尘搬运并沉积到研究区域（图1）。季风影响下的印度洋东北部形成特殊的北印度洋季风环流，夏季在西南季风的影响下形成顺时针大洋环流圈；冬季在东北季风的影响下形成逆时针大洋环流圈。东北印度洋大气粉尘的分布和传播与海、气动力条件息息相关。

1.2 样品采集

本研究依托印度洋科考航次对东北印度洋大气粉尘进行走航收集。为了模拟接近海面的实际接收情况，大气粉尘样品在自然条件下采集，未区分干湿沉降。大气粉尘样品通过放置在科考船顶层甲板的大流量粉尘收集器（TSP空气收集器）进行采集，利用1.05 m3/min流速的大流量粉尘收集器抽取大气中的粉尘，附着在250 mm×200 mm 的玻璃纤维滤膜上，每个样品收集3 d，过气量约4 530 m3。现有大气粉尘样品共计15个（见图1），在2020年9-11月采集。样品经度跨度从80°E至113°E，纬度跨度北至12°N 南到10°S，基本涵盖了印度洋东北部海域。

1.3 大气粉尘样品沉积通量

大气粉尘样品通过大流量空气收集器收集在玻璃纤维滤膜上，而在进行样品收集之前，先对每张膜进行称重，标记并独立装袋，等粉尘样品收集后，进行称重；再根据样品干重、样品收集时间间隔以及收集器的截面积计算大气粉尘样品的沉积通量（Eguchi et al.,1999），计算公式：沉积通量=干重（g）÷截面积（m2）÷时间（d）。

1.4 粉尘样品分离

将取样的玻璃纤维滤膜移至加有适量蒸馏水（20 mL左右）的玻璃器皿中（带有粉尘的滤膜面朝向水面），将玻璃器皿放入超声波中振荡分离（约15 min），然后将器皿中的悬浮液移至干净的烧杯中，重复上述过程，用超声波反复清洗滤膜2～3次，可将粉尘颗粒从滤膜上分离。分离出来的粉尘颗粒样品根据斯托克斯原理（Stokes,1851），采取静置1～2 d 的办法，使粉尘粒子充分沉淀下来，然后将烧杯放入烘箱内，在60°C将水分蒸发掉，使粉尘粒子浓缩富集，供实验室分析使用。

1.5 粉尘石英颗粒提取

对获取的样品进行石英颗粒扫描电镜分析，需要对样品进行石英颗粒提取。先添加硫酸氢钾去除黏土矿物，清洗后再加氟硅酸去除硅酸盐矿物，最后得到石英颗粒。

对两组孕产妇进行常规产前检查,其中实验组孕产妇由专业按摩护士进行乳房按摩,每天对孕产妇进行两次按摩,每次按摩时间持续一小时左右。若按摩时孕产妇出现腹痛现象,则应停止对孕产妇的按摩[4]。

1.6 扫描电镜及能谱分析

对已提取石英颗粒的粉尘样品，利用日本日立S3400 扫描电子显微镜进行扫描拍照，再结合能谱仪分析颗粒物质成分，确保统计结果的可信度。每个沉积物样品统计石英颗粒为400颗，利用粉尘石英颗粒表面结构特征，识别粉尘颗粒沉积特征。

1.7 数据模拟

利用空气粒子传输轨迹模型（HYSPLIT-4）对印度洋大气粉尘样品进行后推轨迹模拟，结合NASA-QuikSCAT 卫星观测到的海面风场数据，了解不同高度空气粒子的搬运途径和传播方向，重现现代粉尘的传播、沉积过程。气象数据及模型运行来源于ARL-NOAA服务器①http://gus.arlhq.noaa.gov/ready/cmet.html。

2 结果分析

2.1 粉尘通量

2020年9-11月东北印度洋大气粉尘的沉积通量范围在221～1 221 mg/cm2/d 之间，平均值为674 mg/cm2/d，具体沉积通量如表1 所示。其中，粉尘日沉积通量最高值出现在11月中旬，而最低值则在9月下旬，前者沉积通量值约是后者的6倍。航次期间3个月份的平均值分别为703、684和644 mg/cm2/d，可见大气粉尘日沉积通量的变化比月平均值明显，鉴于大气粉尘样品通过走航进行收集，不同航段距离陆地（粉尘源区）差别较大，粉尘通量的变化有一定的地域性。

表1 2020年东北印度洋大气粉尘样品信息及其沉积通量Table 1 Atmospheric dust sample information and deposition fluxes in the Northeast Indian Ocean in 2020

2.2 空气粒子模拟

为查明东北印度洋大气粉尘的传播途径，利用NOAA 的空气粒子传输轨迹模型（HYSPLIT-4 模型②http://www.arl.noaa.gov/hysplit/）对2020年印度洋科考航次收集到的大气粉尘样品，在500、1 000 和3 000 m 高度对空气粒子进行后推3 d 轨迹模拟。从东北印度洋部分粉尘样品的模拟结果（图2）可以看到，同一个样品，其空气粒子在500、1 000 和3 000 m 高度的传播途径和方向相对统一，而不同时期样品，空气粒子受盛行风方向和季节性影响显著。

2.3 粉尘颗粒沉积特征

对东北印度洋大气粉尘样品进行扫描电镜及能谱分析，未分离的空气粉尘样品能谱结果中，硅（Si）质量分数占38.8%，而氧（O）质量分数占38.5%（图3-a）。对粉尘样品进行石英颗粒的提取，并进行扫描电镜和能谱分析，其结果显示石英颗粒表面结构具有明显的风成环境沉积特征，磨圆度较好，具备蛇曲脊及“U”型坑等（图3-b）。

3 讨论

3.1 印度洋粉尘沉积特征

来自陆源的粉尘，通过大气环流进行搬运和沉积（Tsoar et al., 1987），其物质成分主要为石英、长石、云母和黏土类矿物，组成取决于源区物质性质（Rea,1994）。对东北印度洋大气粉尘（未分离样品）进行扫描电镜和能谱分析，结果显示粉尘颗粒主要成分为Si和O（见图3-a），结合扫描电镜推测其为石英颗粒。对大气粉尘样品进行分离，提取石英颗粒再进行扫描电镜和能谱分析（见图3-b），扫描电镜显示粉尘石英颗粒具有风成环境下石英颗粒表面结构特征，颗粒的磨圆度较好，石英颗粒出现蛇曲脊或“U”型坑，可作为粉尘石英颗粒的沉积特征（Du et al.,2020）。

粉尘石英颗粒表面结构所具备的风成环境沉积特征，明显有别于水成环境下石英颗粒表面结构的磨圆度差，贝壳状断口及“V”型坑等特征，可作为沉积物区分不同搬运动力组分的依据（Du et al.,2020）。利用石英颗粒表面结构的不同，对东北印度洋沉积物中的陆源石英颗粒进行扫描电镜分析（图4）。其中，图4-a 的石英颗粒磨圆度差，呈棱形状，且贝壳状断口发育，具备水成环境石英颗粒明显特征；图4-b 的石英磨圆度好，具备风成环境下的特征，但又在石英边缘出现“V”形坑，推测该颗粒在输送过程中经历了不同的沉积环境，在前期风成环境下叠加了后期的河流输入，故将此颗粒纳入水成动力组分。图4-c 左侧石英磨圆度好，具有蛇曲脊，为风成组分，而右侧石英则呈棱状，“V”形坑，为水成组分。图4-d左侧石英颗粒磨圆度差（棱状），“V”形坑，右侧石英出现风成环境下的“U”形坑和蝶形坑，为风尘沉积组分。由此可见，陆源沉积物石英颗粒扫描电镜，可有效区分不同沉积动力组分，为在东北印度洋沉积物中确定风成组分提供可靠依据。

3.2 东北印度洋空气粉尘传播机制

东北印度洋空气粉尘颗粒粒径大多＜20 μm（见图3），与现代海洋大气粉尘颗粒平均粒级一般＜20 μm（Delany et al., 1967）相符，但也出现粒径约30 μm 的石英颗粒。现代空气粉尘出现颗粒粒径较粗的报道在其他海域海洋粉尘研究（Betzer et al.,1988; Du et al.,2020; Inmaculada et al.,2014）中也有出现。南海现代粉尘在极端天气条件下也捕获过粒径约60 μm的粉尘样品，与当时台风天气下搬运风力强度增加有关（Du et al., 2020）。Betzer 等（1988）对影响到北太平洋海区的东亚沙尘进行了粒度和扫描电镜分析，发现了一些粒级“巨大”的粉尘颗粒（＞75 μm），电镜扫描结果显示其主要为石英颗粒。而Inmaculada等（2014）收集到大西洋海域LaGraciosa 岛（西班牙）现代大气粉尘样品扫描电镜结果中，空气粉尘石英颗粒粒径可达160 μm，与研究区处于撒拉哈沙漠下方向以及羽状风沙流有关。印度洋夏季风在850 hPa 流场40 年的平均数据显示，在低空1 500 m 高度的风速可达10～14 m/s（徐忠峰 等，2006）。因此，现代大气粉尘中出现较大粒径的颗粒，与大气环流强度关系密切。

东北印度洋空气粒子后推3 d 轨迹模拟结果显示，研究区大气粉尘样品受印度洋大气环流系统控制；由于东北印度洋属于印度季风影响区，不同季节主导风向有明显的变化，采样期间恰逢季风转换期，从空气粒子模拟图（见图2）中可看到不同时期粉尘传播途径的变化。20EIO-3 样品采集纬度位置为10.06°S（见图2-a），该海域主要受东南信风控制，空气粒子显示的传播方向也为东南风；且后退轨迹经过陆地，从而获取了较多的粉尘颗粒，粉尘沉积通量可达1 173 mg/cm2/d。10月16日收集到的20EIO-8 样品（见图2-b），空气粒子显示东北印度洋处于印度夏季风的影响下，西南风依旧是其主导风。到了10月下旬，研究区开始进入冬季，盛行风转为东北风，样品20EIO-10显示的空气粒子运动轨迹受陆地地形影响，呈现明显平行于陆地的传播路径，同时也输送了较多的粉尘颗粒，沉积通量达902 mg/cm2/d（见图2-c）。同样经冬季风进行输送的样品20EIO-12，粉尘沉积通量只有278 mg/cm2/d（见图2-d）；从空气粉尘模拟结果可以看到，样品收集地远离陆地。然而有趣的是，样品20EIO-8位于印度洋广阔海面，粉尘通量却几乎是20EIO-12的2 倍（510 mg/cm2/d），空气粒子模拟结果表明该样品粉尘颗粒主要通过西南风进行输送，而查戈斯群岛正好位于西南风的路径上，从而捕获了相对较多的粉尘颗粒，引起该海域粉尘沉积通量的增加。此外，同一个样品空气粒子在500、1 000 和3 000 m高度的传播途径和方向基本不变，表明在东北印度洋的不同区域和时期，底层和高空的风向相对统一。

3.3 大气粉尘现代过程研究的意义

对东北印度洋现代大气粉尘沉积过程进行模拟，发现印度洋风尘物质的分布和传播受大气环流影响明显，研究区2020年9-11月大气粉尘样品的粒子模拟结果显示，粉尘粒子传播途径受控于盛行风的季节性和区域性。在印度洋10°S 以北的季风区，夏季盛行的西南风以及冬季的北风到东北风，分别是夏季和冬季粉尘粒子进行传播的途径，而10°S以南海域在信风带的影响下，粉尘粒子由东南信风进行输送。然而，不管大气环流方向如何，粉尘沉积通量的多寡，主要和粉尘源区有关，远离陆地的广阔大洋表面，通过盛行风所携带的颗粒物质就较少，而经过陆地（岛屿）的盛行风，可输送和沉积更多粉尘物质（见图2）。为了对研究区粉尘物质来源及沉积通量有整体认识，参考NASA Earth Observatory网站③https://neo.sci.gsfc.nasa.gov/MODIS卫星观测到全球气溶胶厚度数据。其中，2020年研究区冬半年粉尘物质明显比夏半年多，而在样品采集期内（9-11月），11月研究区离气溶胶富集区更近，并在冬季风的作用下，东北印度洋接受更多来自亚洲大陆的风尘物质。这些携带着大量陆源元素（例如铁）进入海洋的粉尘物质，会显著地促进海洋初级生产力浮游植物的繁殖，一般在大量粉尘输入3～5 d 后，会出现浮游植物勃发的现象（Du et al.,2021），从而消耗大气中的CO2，提高海洋碳汇能力。此外，大气粉尘石英颗粒表面结构有明显的风成环境特征，可作为风尘物质的沉积特征，有效区别于陆源沉积物中的河流输入组分，为在沉积物中识别和提取风尘物质提供可能性，从而可作为印度冬季风的气候代用指标重建研究区的印度古季风演化。

印度季风作为亚洲季风的重要组成部分，其影响力不仅体现在南亚地区，其强弱对中国夏季的降水也有一定的影响（罗绍华等，1985；郭其蕴等，1988）。东北印度洋作为印度季风的发源地，学者对印度季风关注较多的是印度夏季风降水，关于冬季风特别是古冬季风研究的报道较为少见，最主要的原因是缺乏合理有效的冬季风直接证据。而在沉积物中对风尘物质进行提取和应用，获取现代风尘沉积的特征和规律，成为重建印度冬季风的“金钥匙”。

4 结论

通过对东北印度洋大气粉尘现代沉积过程进行分析，得到以下主要结论：

1）东北印度洋大气粉尘沉积通量主要受粉尘源区距离的影响，粉尘粒径大小和风力强度相关。研究期内粉尘日沉积通量变化在221～1 221 mg/cm2/d之间。

2）大气粉尘传播过程主要受研究区大气环流系统的季节性和区域性影响，而在东北印度洋主要受控于印度季风。研究区海域在冬季风的作用下接受更多来自亚洲大陆的风尘物质，可引起海洋初级生产力的增加，从而提高海洋碳汇能力。

3）现代空气粉尘石英颗粒表面结果具有明显的风成环境沉积特征，石英磨圆度较好，具有蛇曲脊或“U”型坑，明显区别于水成环境下的石英颗粒，有望在东北印度洋建立冬季风替代性指标，从而重建地质时期印度季风的演化。

查明东北印度洋大气粉尘传播途径与沉积通量的决定因素，是理解研究区沉积物中风尘物质来源及变化的关键，对研究印度洋海气相互作用，大气环流系统及源区风化侵蚀程度的改变，特别是在构造尺度上对解读青藏高原隆升所引起的气候环境效应，具有重要的科学意义。而大气粉尘石英颗粒沉积特征的获取，为研究印度冬季风演化提供理想指标，进而可为重建印度古季风历史演化乃至动力机制探讨提供重要信息。