沉積物粒度分析在高分辨率古環(huán)境研究中的應(yīng)用

沉積物粒度分析在高分辨率古環(huán)境研究中的應(yīng)用

預(yù)測(cè)未來(lái)生活環(huán)境的變化時(shí)，人們通常需要尋求古代環(huán)境研究的類比和發(fā)現(xiàn)規(guī)律。古代氣候?qū)W和古代環(huán)境研究的必要條件是尋求高分辨率的古代環(huán)境記錄。近年來(lái),隨著激光粒度儀的出現(xiàn),粒度測(cè)量結(jié)果的重復(fù)性和準(zhǔn)確性得到了很大提高,樣品測(cè)量速度明顯加快,致使利用沉積物粒度分析進(jìn)行氣候古環(huán)境演化的研究也得到了很好的發(fā)展,取得了一系列的研究成果(1樣品處理與粒度分析本研究所用樣品系中國(guó)海洋大學(xué)“東方紅2號(hào)”考察船執(zhí)行“2003年?yáng)|海陸架水交換調(diào)查航次”時(shí)所取的振動(dòng)柱狀樣.B2孔(125°45′E,31°45′N)位于東海陸架濟(jì)州島西南泥質(zhì)區(qū)內(nèi)(圖1),水深64m,柱長(zhǎng)4.03m,整個(gè)巖心以青灰色粉砂質(zhì)粘土為主,在3.27～3.47m處為一明顯的砂質(zhì)粉砂層.本文主要對(duì)B2孔3.27m以上的樣品進(jìn)行分析(下文B2孔特指該段),該段樣品為均一的青灰色粉砂質(zhì)粘土,代表了一個(gè)連續(xù)的泥質(zhì)區(qū)沉積序列,是高分辨率古氣候環(huán)境的良好材料.樣品按2cm的間距進(jìn)行了分割,共獲取樣品163個(gè).由于不同時(shí)期的沉積物往往都是多種物源和沉積動(dòng)力過(guò)程的混合產(chǎn)物,因此在粒度分析時(shí)通常要進(jìn)行樣品前處理,以求達(dá)到不同的研究目的(粒度分析在中國(guó)海洋大學(xué)海洋地球科學(xué)學(xué)院用英國(guó)Malvern2000型激光粒度儀進(jìn)行測(cè)試,儀器測(cè)量范圍為0.02～2000μm,粒級(jí)分辨率為0.01?,重復(fù)測(cè)量的相對(duì)誤差<3%.對(duì)所有163個(gè)樣品進(jìn)行了粒度分析,部分樣品還進(jìn)行了重復(fù)測(cè)試,顯示了良好的可重復(fù)性.從4個(gè)樣品層位分別挑選出底棲有孔蟲混合種在美國(guó)BetaAnalyses公司進(jìn)行了AMS2b2b孔粒度變化的古環(huán)境意義在運(yùn)用沉積物粒度數(shù)據(jù)進(jìn)行沉積序列中的古環(huán)境分析時(shí),通常需要把序列中不同物質(zhì)來(lái)源或不同動(dòng)力條件下的粒度組分分離,再詳細(xì)研究不同組分所代表的地質(zhì)環(huán)境意義,進(jìn)而根據(jù)其在沉積序列中的變化推斷氣候環(huán)境的演化歷史.目前從沉積物粒度中進(jìn)行粒度組分分離的方法主要有3種:(1)從B2孔的粒度頻率分布曲線(圖2a)可以看出,其形態(tài)和分布范圍大體一致,主要表現(xiàn)為一明顯的單峰,指示了整個(gè)B2孔的沉積環(huán)境相對(duì)穩(wěn)定控制因素為較單一的物源或水動(dòng)力條件.因此,這樣的沉積物是反映高分辨率氣候環(huán)境變化的良好材料.圖2b顯示了利用粒級(jí)-標(biāo)準(zhǔn)偏差變化得出的B2孔的4個(gè)粒度組分,圖中較高標(biāo)準(zhǔn)偏差值所對(duì)應(yīng)的粒級(jí)代表不同粒度組分的綜合峰值,分別出現(xiàn)在0.8,5.1,21.9和522μm.根據(jù)峰值和曲線變化,可將四大粒度組分范圍分別劃為>65.6μm(4),65.6～10.5μm(1),10.5～1.3μm(2)和<1.3μm(3).其中>65.6μm組分為粗組分,標(biāo)準(zhǔn)偏差值相對(duì)較低.根據(jù)有孔蟲沖樣分析得知>65.6μm主要為生源底棲有孔蟲,平均含量約0.3%,與粒度分析結(jié)果非常一致,表明了該組分所代表的生源組分在泥質(zhì)區(qū)含量極低.由于<65.6μm的粒度含量在整個(gè)B2孔中含量非常高,平均99.7%,因此,我們主要考慮<65.6μm以下3個(gè)粒度組分反映的環(huán)境變化.組分1和組分2的標(biāo)準(zhǔn)偏差值相對(duì)較高,組分3的標(biāo)準(zhǔn)偏差值相對(duì)較低(圖2b),根據(jù)各組分的分布范圍可分別計(jì)算出各組分的粒度含量和平均粒徑,如圖3所示,但是這些粒度組分的古環(huán)境意義是什么呢?對(duì)濟(jì)州島西南泥質(zhì)區(qū)的研究表明,該區(qū)是東海細(xì)顆粒物質(zhì)的“匯”(因此,B2孔沉積物的粒度變化反映的主要是黃海沿岸流輸送的陸源懸浮體的粒度變化,與冬季風(fēng)暴和黃海沿岸流的強(qiáng)弱密切相關(guān).強(qiáng)烈的冬季風(fēng)暴可以引起蘇北老黃河口水下三角洲懸浮體含量增高、粒度變粗(既然B2孔的物源和動(dòng)力條件相對(duì)單一,為何從粒級(jí)和標(biāo)準(zhǔn)偏差變化曲線上卻表現(xiàn)為3個(gè)明顯的陸源粒級(jí)組分呢?究竟哪一種陸源組分對(duì)東亞冬季風(fēng)變化最為敏感呢?從圖3可以看出,沉積物中的粒度變化主要受組分1介于65.6～10.5μm粒級(jí)含量的變化控制,這些粗粒陸源物質(zhì)可能是反映冬季風(fēng)強(qiáng)弱變化最重要的指標(biāo).組分3位于粘土粒級(jí)范圍,其平均粒徑和平均含量都大致保持在一穩(wěn)定的水平,表明該組分受東亞冬季風(fēng)的強(qiáng)弱變化影響不大.這可能與粘土粒級(jí)的起動(dòng)力較弱有關(guān),無(wú)論冬季風(fēng)強(qiáng)弱如何變化,該組分在陸源物質(zhì)中的輸運(yùn)量基本保持一致.組分2和組分1的粒度含量都呈現(xiàn)出明顯的波動(dòng)變化(圖3),他們的標(biāo)準(zhǔn)偏差值也最高,表明這兩者對(duì)東亞冬季風(fēng)變化都很敏感.然而從平均粒徑的變化上看,組分2在整個(gè)B2孔中無(wú)明顯的變化,而組分1的平均粒徑和粒度含量不僅表現(xiàn)出明顯的波動(dòng),并且變化趨勢(shì)非常相似,這表明了組分2的粒度含量主要是由組分1的粒度含量所引起的被動(dòng)變化,所以兩者在粒度含量上的變化成反相關(guān).因此,B2孔中粒度變化主要受組分1的粒度變化控制,組分1含量增加,粒度就變粗,同時(shí)組分2的含量就相對(duì)減少,反之亦然.所以,組分1是反映東亞冬季風(fēng)強(qiáng)弱波動(dòng)的敏感粒度組分.它的粒度含量和平均粒徑則可以作為表征東亞冬季風(fēng)強(qiáng)弱變化的2個(gè)替代指標(biāo).東亞冬季風(fēng)增強(qiáng)時(shí),組分1的粒度含量增加、平均粒徑變粗.圖4a,4b標(biāo)出了B2孔冬季風(fēng)2個(gè)代用指標(biāo)的大致變化情況,組分1粒度含量的波動(dòng)范圍為21.2%～30.0%,平均含量25.0%,平均粒徑的波動(dòng)范圍為15.6～17.8μm,平均16.6μm(圖4),反映了近2000年以來(lái)東亞冬季風(fēng)有明顯的波動(dòng)變化.3東亞冬季風(fēng)趨勢(shì)在陸地黃土的研究中,粒度是反映東亞冬季風(fēng)變化的一個(gè)非常有用的指標(biāo)(根據(jù)現(xiàn)代氣象資料,從圖4可以看出,B2孔記錄的近2ka來(lái)東亞冬季風(fēng)變化有明顯的波動(dòng),總體上呈弱-較強(qiáng)盛-弱-強(qiáng)盛的變化趨勢(shì),與4沉積環(huán)境變化陸架泥質(zhì)區(qū)匯集的細(xì)顆粒陸源物質(zhì)是分析高分辨率的海洋氣候環(huán)境變化記錄的良好材料.本文利用激光粒度儀測(cè)量準(zhǔn)確、迅速、重復(fù)性高的優(yōu)點(diǎn),分析了濟(jì)州島西南泥質(zhì)區(qū)沉積物近2000年來(lái)的粒度變化,從中提取出對(duì)沉積環(huán)境變化敏感的粒度組分,建立了反映東亞冬季風(fēng)變化的替代指標(biāo).結(jié)果表明65.6～10.5μm粒度組分是該泥質(zhì)區(qū)反映冬季風(fēng)演化最敏感的組分,較好的記錄了210～560AD、780～920AD和1320～1910AD三冷期冬季風(fēng)增強(qiáng)的氣候變化歷史,反映了粒度分析在提取陸架泥質(zhì)區(qū)高分辨率環(huán)境指標(biāo)上有很好的應(yīng)