北极克罗斯峡湾冰川活动的沉积记录

张鑫悦, 邓 兵,2, 杜金洲

（1. 华东师范大学 河口海岸学国家重点实验室, 上海 200241;2. 南方海洋科学与工程广东省实验室, 广东 珠海 519000）

0 引言

随着全球变暖的加剧, 过去几十年内北极的气候环境正在加速演变[1-2]. 北极地区对气候变化极为敏感, 据估计, 北极变暖幅度至少是全球平均水平的两倍, 被称为“极地放大”现象[3]. 北冰洋的海冰范围和冰盖年龄仍在持续减少, 因此, 2000年以来的变化幅度尤为明显[4]. 海洋表面温度的升高和海冰范围的缩小预计将导致全球海洋生态系统发生变化.

海洋沉积物构成了世界上最重要的长期碳汇, 其中北极沉积物的作用不可忽视[5]. 已有研究表明,高纬度冰川前沿峡湾地区沉积物中有机碳的年埋藏通量相当于全球海洋有机碳年埋藏通量的11%[5].随着高纬度地区气温的快速升高和冰川、海冰的快速融化, 高纬度峡湾沉积物中有机碳和无机碳的沉积速率显著增加[5-6], 其对海洋碳循环乃至全球变化的反馈效应值得关注.

峡湾及冰川边缘地带是高纬度地区陆地和海洋的重要界面, 接受了来自冰川搬运的大量沉积物.生源要素吸附在沉积物表面搬运到沿海海洋, 是海洋浮游植物所需营养物质的重要来源[7-8]. 其次, 沉积物的埋藏是生源要素循环的重要环节. 沉积物的通量及沉积物颗粒组成等特征蕴含了有关物质来源、物质搬运的信息[9], 是环境及气候变化的有效载体. 已有北极地区的沉积学研究表明, 冰川是海洋沉积物的重要来源[10], 然而北极地区的长期监测数据尤其稀少且缺乏连续性, 因而在建立对生态环境长期、连续变化的认识上具有一定的局限性. 而沉积物岩芯则包含着相对连续的历史记录, 可应用于环境变化评估领域. 本研究选取北极克罗斯峡湾沉积物岩芯重建高分辨率沉积物记录, 以探索全球变暖背景下, 高纬度冰川前沿峡湾地区近几十年来发生的环境变化.

1 研究区概况

斯瓦尔巴群岛 (Svalbard) 位于北大西洋与北冰洋之间(图1(b)), 是北极陆生植被最为茂盛的地区之一. 其具有独特的峡湾系统, 是大洋与潮汐冰川相互作用的重要区域. 克罗斯峡湾 (Krossfjorden)位于斯瓦尔巴群岛西北部, 方向为南北向, 长度约为30 km, 宽度为3 ～ 6 km, 最大深度为374 m, 总容积估计约为25 km3(图1(a))[11]. 峡湾的内部由利勒胡克峡湾和莫勒峡湾两部分组成, 克罗斯峡湾的头部由利勒胡克潮汐冰川和东海岸其他5个正在解体的冰川连接[12]. 活跃冰川的淡水径流强烈影响地表水, 从而影响淡水与海水的混合过程. 研究区与格陵兰海直接相连, 受到沿西斯匹次卑尔根大陆架流动的温暖大西洋水的影响, 被称为西斯匹次卑尔根海流(West Spitsbergen Current, WSC)[13]. 较弱的东斯匹次卑尔根海流(East Spitsbergen Current, ESC)以沿岸流的形式进入峡湾, 将寒冷和相对新鲜的北极水输送到斯瓦尔巴岛西海岸[11]. 气候变化可能会从两个方向影响峡湾, 邻近的大西洋和北极水域的变化将通过交换过程引起峡湾水体温度和盐度的变化, 而峡湾附近融化的冰川将使进入峡湾的淡水流量发生改变[11].

图1 克罗斯峡湾沉积物岩芯取样站位图及区域流场图Fig. 1 Sampling site for the sediment core and basic information about Krossfjorden

2 材料与方法

2.1 样品采集

2017年7月, 使用重力式柱状采泥器于克罗斯峡湾采集沉积物岩芯B5 (柱长19 cm) , 采样点坐标为 79.26° N, 12.11° E (图1), 采样水深81 m. 沉积物样品在 –20℃条件下冷冻保存. 稍微解冻后,将岩芯按1 cm间距采样, 分装在两个洁净自封袋中. 一部分原始样品用于粒度组成分析, 另一部分冷冻干燥后用玛瑙研钵和杵研磨并过200目筛后, 用于沉积物年代学分析.

2.2 年代测定

已有研究表明, 在短时间内(几十年到150年),210Pbex定年法是一种成熟的方法[14]. 使用210Pb和137Cs放射性定年技术, 测定每一层段沉积物样品中210Pb、137Cs、226Ra 等放射性同位素活度. 将研磨处理后的每个样品置于洁净的样品管中压实, 使其与标准物质高度相同, 密封放置1个月后上机测试.每个样品的测量时间大约为24 h, 样品中的过剩210Pb (210Pbex)活度由总210Pb活度减去226Ra活度计算.根据210Pbex的活度估算研究区的沉积速率, 并建立年代序列. 同位素活度测试在华东师范大学河口海岸学国家重点实验室完成, 使用的测试仪器为高压锗γ能谱仪 (GCW3522S, 35%相对效率).

2.3 粒度分析

研究区沉积物样品不含有砾石和较粗的砂, 因而使用激光粒度测试进行沉积物粒度组成分析. 样品预处理操作步骤如下: 取适量混合均匀的原始湿沉积物样品于烧杯中, 分别加入过量的H2O2(10%)和HCl (1 mol/L), 以去除有机质和碳酸盐. 充分反应后, 用蒸馏水依次洗涤4 ～ 5次直至上清液呈中性, 加入5%的偏磷酸钠溶液, 超声分散20 min后上机测试. 粒度测试在华东师范大学河口海岸学国家重点实验室进行, 使用的测试仪器为激光粒度分析仪(LS13320, Beckman Instruments Inc,USA), 仪器的测量范围为0.02 ～ 2000 µm, 测量误差<3%.

3 结果

3.1 年代测定结果

210Pbex(半衰期为(22.23±0.12) a) 活度在整个岩芯中呈现随深度递减的趋势, 范围为 (6.16±6.36) ～(72.62±9.01) Bq·kg–1(图2 (b)).

图2 沉积物岩芯的年代测定Fig. 2 Sediment dating of the sediment core

为了减小沉积物粒度效应的影响, 用黏土含量矫正了210Pbex的活度, 校正公式如式 (1) 所示[15].

在沉积剖面中观察到校准的210Pbex活度与深度近似的对数分布(图2 (c)), 因此, 采用恒定初始浓度模型(CIC)计算沉积速率, 将ln(210Pbex活度)与深度进行拟合, 具体如公式 (2) 所示.

式 (2) 中:Ci为某一时刻210Pbex活度,C0为初始210Pbex活度,λ为210Pb的衰变常数 (0.03114 a–1)[16].

沉积物岩芯中210Pbex对数剖面在10 cm处表现出明显的分段线性行为, 根据两段拟合曲线的斜率得到两个不同的沉积速率(图2 (c)). 将沉积物岩芯的最上层1 cm确定为采样年份 (2017年), 根据所得沉积速率依次估算各层位对应的年代, 以此建立沉积物岩芯的年代序列. 由此可知, 分段线性行为发生在20世纪90年代前后. 20世纪90年代以前, 岩芯下部的平均沉积速率为0.16 cm/a, 沉积速率相对较低; 20世纪90年代以后平均沉积速率大幅增加, 为0.35 cm/a. 根据沉积速率建立年代序列, 沉积物岩芯最深的一层可以追溯到20世纪30年代左右.

137Cs活度从0到 (7.50±0.86) Bq·kg–1(图2 (a)). 沉积物样品中检测到137Cs活性存在两个明显峰值(图2 (a)), 中间最明显的峰值与1986年的切尔诺贝利核反应堆事故有关[17]. 1986年在210Pb和137Cs之间的测年具有广泛的一致性, 这个峰值对应的时间支持了基于CIC模型得出的年代序列. 更深层次的峰值可能与1963年《部分禁止核试验条约》签署前核武器试验有关[18]. 然而, 基于210Pb得出的年代序列与137Cs的1963年峰略有偏移, 但总体上137Cs峰值仍在1960 ～ 1965年, 这很可能是由于137Cs沉积后出现分子扩散再迁移的结果[19], 也可能是由于沉积物岩芯底部的误差较大, 导致估算的结果不够准确 (图2 (c)) . 总体来说, 根据210Pb建立的年代序列具有一定的可信度.

3.2 粒度分析结果

3.2.1 沉积物类型分布及其组分分布

根据Folk[20]碎屑沉积物分类原则及沉积物岩芯中各粒径组分的含量分布可知, 沉积物岩芯类型以泥和砂质泥为主. 克罗斯峡湾沉积物岩芯粒径组分划分如图3所示. 根据粒度组分特征, 结合年代序列, 可大致将B5剖面划分为两个阶段.

图3 沉积物岩芯粒径组分百分含量的垂直分布特征Fig. 3 Vertical distribution of grain size fractions in the sediment core

阶段一: 20世纪30年代—20世纪90年代. 这一阶段沉积物以粉砂 (2 ～ 63 µm) 为主, 变化范围为66.52% ～ 76.55%, 平均值为70.19%. 黏土 (<2 µm) 与砂 (>63 µm) 的含量范围分别为18.38% ～21.44%、2.00% ～ 15.40%, 平均值分别为19.43%、10.38%. 将粉砂与砂细分为5个部分, 如图3所示. 2 ～16 µm的粒径组分百分含量的垂直分布范围在49.43% ～ 58.65%, 平均值为53.31%; 16 ～ 32 µm的范围在11.31% ～ 13.65%, 平均值为12.63%; 32 ～ 63 µm的较稳定, 范围在3.78% ～ 4.78%, 平均值为4.25%; 63 ～ 125 µm的范围在1.37% ～ 4.35%, 平均值为3.26%; >125 µm的范围在0.64% ～ 11.05%,平均值为7.13% (图3).

阶段二: 20世纪90年代—2017年. 这一阶段沉积物中粉砂 (2 ～ 63 µm) 的含量变化范围为56.33% ～ 77.7%, 平均值为65.66%, 较阶段一变化范围增大. 黏土 (<2 µm) 与砂 (>63 µm) 含量范围分别为16.20% ～ 20.89%、1.41% ～ 27.47%, 平均值分别为18.42%、15.91%. 2 ～ 16 µm的粒径组分百分含量的垂直分布范围在42.21% ～ 57.70%, 平均值为49.04%; 16 ～ 32 µm的范围在10.27% ～15.00%, 平均值为12.12%; 32 ～ 63 µm的范围在3.85% ～ 5.00%, 平均值为4.50%; 63 ～ 125 µm的范围在0.86% ～ 4.26%, 平均值为3.32%; >125 µm的范围在0.55% ～ 24.45%, 平均值为12.60% (图3).

3.2.2 粒度参数变化

根据McManus[21]公式计算出克罗斯峡湾沉积物岩芯的粒度参数, 分布特征如图4所示. 同样结合年代序列, 根据沉积物粒度参数变化, 将B5剖面划分为两个阶段.

图4 沉积物岩芯粒度参数剖面Fig. 4 Profiles of grain size parameters in the sediment core

阶段一: 20世纪30年代—20世纪90年代. 平均粒径的变化范围为5.54 ～ 9.05 µm, 平均值为7.65 µm (图4 (a)). 中值粒径的变化范围为5.80 ～ 7.75 µm, 平均值为6.90 µm (图4 (b)). 平均粒径和中值粒径的大小显示出轻微的变化, 且平均粒径的变化范围相对于中值粒径略大. 沉积物的分选程度可以用分选系数来表示, 分选系数的范围为1.77 ～ 2.38, 平均值为2.18 (图4 (c)). 偏度系数是表示沉积物粗细分布对称程度的一个定量描述指标[22], B5站位的沉积物岩芯偏度系数在阶段一的变化范围为0.53 ～ 0.91, 平均值为0.79 (图4 (d)). 峰态能够度量粒度分布的中部和尾部展开度之比, 是观察到双峰曲线不可或缺的重要线索[22]. 峰态系数范围为2.29 ～ 3.06, 平均值为2.83 (图4 (e)).

阶段二: 20世纪90年代—2017年. 平均粒径的变化范围为5.86 ～ 14.67 µm, 平均值为10.58 µm(图4 (a)). 中值粒径的变化范围为6.42 ～ 10.76 µm, 平均值为8.44 µm (图4 (b)). 分选系数的范围为1.73 ～ 3.00, 平均值为2.43 (图4 (c)). 偏度系数的变化范围为0.65 ～ 1.07, 平均值为0.91 (图4 (d)).峰态系数的变化范围为2.19 ～ 3.57, 平均值为3.03 (图4 (e)).

沉积物岩芯B5的分选系数范围为1.73 ～ 3.00, 平均值为2.30 (图4 (c)), 根据矩值法粒度参数的定性描述术语[23], 该沉积物岩芯属于分选性较差或分选性差. 整个岩芯偏度系数的变化范围为0.53 ～1.07, 平均值0.85 (图4 (d)), 根据矩值法粒度参数的定性描述术语[23], 该岩芯偏度系数为正偏, 表示该沉积物岩芯为粗偏. 峰态系数范围为2.19 ～ 3.57, 平均值为2.92 (图4 (e)), 同样根据矩值法粒度参数的定性描述术语[23], 该岩芯的峰形宽或很宽.

3.2.3 沉积物粒度频率分布曲线的变化

结合对克罗斯峡湾B5站位的粒度组成和粒度参数分析, 将沉积物岩芯每一层位按上述阶段绘制频率分布曲线, 如图5. 每一层位的频率分布曲线都呈现双峰状态, 分选性差. 1 ～ 9 cm的粒度频率分布曲线差别很大(图5 (a)), 而10 ～ 19 cm峰型较为相似(图5 (b)), 这表明1 ～ 9 cm的分选性较10 ～19 cm下降, 沉积物粒径组分发生了改变.

图5 频率分布曲线图Fig. 5 Frequency distribution graph

4 讨论

本研究根据沉积速率和相应的年代学, 重建了克罗斯峡湾沉积环境变化的记录. 结合210Pb与137Cs的测年结果可知, 20世纪90年代前后沉积速率发生了变化. 20世纪90年代以前平均沉积速率为0.16 cm/a, 20世纪90年代以后平均沉积速率大约增长为20世纪90年代之前的两倍 (图2(c)). 沉积速率的增加表明, 20世纪90年代前后沉积物的供应明显增加.

结合前人的研究 (表1), 克罗斯峡湾的沉积速率与其他高纬度地区以冰川作用主导沉积过程的沉积速率相近(0.1 ～ 0.41 cm/a), 又明显低于以河流作用主导沉积过程的北极地区的沉积速率. 例如,鄂毕河河口和叶尼塞河河口的沉积速率大约是克罗斯峡湾的3倍 (表1). 此外, 沉积物主要以粉砂为主,粒径较粗且分选性差. 分选差是冰川沉积物的典型特征, 与河流输送的沉积物存在较大差异. 因此,克罗斯峡湾沉积物的沉积速率和粒度组成揭示了以冰川为主导的沉积环境, 沉积物供应增加很可能是过去几十年冰川变化的记录.

表1 高纬度陆架边缘以河流和冰川主导沉积物来源的沉积速率对比Tab. 1 Comparison of sedimentation rates for river-dominated and glacier-dominated areas at high latitude continental shelf margins

由粒径组分百分含量的垂直分布特征可知, 20世纪90年代前后, 粒径组分百分含量发生了变化.20世纪90年代以后, 图3中各组分百分含量的范围均呈现出增大的趋势, 这表示粒度组分出现更为剧烈的震荡. 同时, 细颗粒组分百分含量的平均值变小而粗颗粒组分的平均值变大, 这表示沉积物岩芯中粗颗粒组分增加. 不仅如此, >125 µm的粒径组分在20世纪90年代以后出现了24.45%的高值百分含量, 是20世纪90年代之前最高值的2倍. 黏土与粉砂含量的平均值在20世纪90年代之后显著减少, 而砂百分含量的平均值显著增加.

根据各粒度参数的分析可知, 平均粒径与中值粒径展示出相同的垂直变化趋势(图4 (a—b)).20世纪90年代之前, 平均粒径和中值粒径展现出较为稳定的垂直分布特征, 20世纪90年代以后的平均粒径和中值粒径的平均值较20世纪90年代之前增大, 这表明20世纪90年代以后的沉积物颗粒显著变粗. 由图4可知, 20世纪90年代之后分选系数和偏度系数变大, 从而也支持了沉积物粗化的结论. 分选系数与偏度系数和峰态值拥有很好的对应关系 (图4), 在分选最差的层位, 沉积物粒径偏态系数较大, 峰形也很宽.

粒径组分的百分含量与粒度参数的变化表明, 沉积物粒度呈分段式分布, 发生变化的时间与沉积速率发生变化的时间一致. 20世纪90年代以前, 沉积物粒度较细, 沉积速率较低. 同时, 该阶段的粒度组成相对稳定, 分选系数、偏态系数、峰态波动均较小, 这一阶段的泥沙供应相对稳定. 20世纪90年代之后的沉积物样品粗颗粒组分含量显著增加,平均粒径、中值粒径变大,分选变差,偏度向正偏变化, 峰态波动增大(图4), 所代表的水动力条件更强. 由此可见, 20世纪90年代以后, 沉积物的供给不仅增加, 沉积物粒度也表现出粗化现象.

从20世纪80年代开始, 北极地区地表气温明显上升[27]. 相应地, 由克罗斯峡湾所在岛屿斯匹次卑尔根群岛的平均年地表气温(surface annual temperature, SAT)异常值可知 (图6), 斯匹次卑尔根群岛的平均年地表气温自20世纪90年代以来也明显上升. 温度的上升导致了海冰范围的缩小, 北极九月海冰范围的异常值也在20世纪80年代出现下降趋势且20世纪90年代开始下降的速度加快 (图6).斯瓦尔巴群岛主要峡湾覆盖的海冰面积在不断减少, 甚至出现了某些冬季没有海冰的现象[27]. 不仅海冰的面积在减少, 稳定的陆地冰形成和首次结冰日期也越来越晚[28]. 冰的融化出现在20世纪80年代初, 到20世纪90年代, 北极的海冰面积和冰川的总量在10年的时间尺度上表现出高强度的加速退缩行为[29]. 克罗斯峡湾沉积物的沉积速率和粒度组成的变化时期与冰川快速消融的时期相吻合 (图6).因此, 冰川沉积物供应的增加可能与冰川的快速消退有关, 粗颗粒沉积物的增加表明冰川活动的加剧.这一阶段沉积物分选系数较高, 可能是由于冰川快速融化导致沉积物的分选性不佳[30].

图6 沉积物岩芯B5平均粒径与北极观测指标Fig. 6 Median grain size of B5 and Arctic climate observational indicator records

值得注意的是, 生物硅会对沉积物粒度的测定结果产生影响, 使粒度测量结果比实际矿物颗粒粒径偏粗[32]. 然而, 不同大小的硅藻会影响不同粒度的组分[33], 较高的生物硅含量可能导致粒度数据的偏差较大[33]. 当生物硅含量较少时 (<10%), 对沉积物粒度分析结果、物源判别、水动力条件恢复及沉积环境分析等无明显影响[32,34]. 克罗斯峡湾沉积物中生物硅含量较低, 约在2.74% ～ 4.19%[35], 此时生物硅对粒度的影响很小, 而沉积物岩芯B5粒度的组成变化范围较大. 此外, 随着极地温度的升高, 硅藻生产力相应增加可能会导致沉积物粒度出现增大的情况. Huang等[33]研究表明, 生物硅与大于35 µm的组分表现出强相关性, 那么生物硅引起的粒度变化会是趋势性的, 而冰川导致的沉积物物源变化是震荡式的. 综上所述, 研究区沉积物岩芯出现的粒度组成和粒度参数的变化主要是受冰川消融的影响.

北极峡湾冰川快速消退不仅增加了沉积物的通量, 也大大增加了高纬度海洋中的营养物质和碳埋藏[7-8]. 由于气温上升而导致的冰川退缩可能是向沿海海洋输送更多陆地物质的原因[6]. 随着冰川系统融水通量的增加, 冰川输出的营养物质 (包括溶解的有机碳、氮和磷的有机形式、氮和磷的无机形式、硅和铁等微量元素) 作为一系列生命必需元素的直接来源, 对海洋生态环境具有潜在的影响[7-8].但融水中的氮和磷含量较低, 更多来自海洋终端冰川边缘浮力冰川下的融水上涌, 将富含氮和磷的深层海水输送的上层水体[36]. 除此之外, 沉积物的埋藏也是生源要素循环的重要环节. 陆架沉积物中营养物质的埋藏是生物地球化学循环的重要汇, 北极峡湾由于冰川消退而增加的沉积物排放增加了极地碳埋藏, 这可能对全球生物地球化学循环做出贡献[5].

冰川消融引起的泥沙输移增加尽管还鲜有报道, 但是这种情况在冰川影响地区是存在的[5-6]. 冰层覆盖的减少、多年冻土的融化及北极河流流量的长期增加, 都能显著增加北冰洋沉积物的输入[37]. 因此, 我们估计, 气候变暖导致的北极地区一系列变化已经对北极地区的环境产生影响, 克罗斯峡湾高分辨率的沉积物记录在一定程度上是对北极变暖的响应.

5 结论

本文通过对北极克罗斯峡湾沉积物岩芯进行了沉积组分分析, 结合放射性年代测定, 对近几十年来高纬度地区的沉积环境进行研究, 得出如下认识.

(1) 20世纪90年代以后, 克罗斯峡湾沉积物的沉积速率增大, 约为20世纪90年代之前的两倍,沉积物的供应增加.

(2) 克罗斯峡湾沉积物主要由粉砂组成, 20世纪90年代以后平均粒径、中值粒径增大, 出现了显著的沉积物粗化现象. 分选性下降, 偏度向正偏变化, 峰态波动增大, 粒度组成发生了显著变化, 可能与近期气候变化, 特别是高纬度地区的变暖有关. 气候变化造成了冰川的快速融化, 进而增加了沉积物的供应.

(3) 克罗斯峡湾沉积物的沉积速率和粒度组成揭示了冰川过程主导的沉积物累积. 克罗斯峡湾高分辨率的沉积记录可能是过去几十年冰川变化的记录.

致谢感谢国家海洋局极地考察办公室对本研究的支持. 非常感谢朱卓毅老师在样品采集、分割及野外保存等工作中给予的帮助, 同时感谢徐超然在整个研究过程中给予的鼓励及绘图方面的帮助.