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)測未來生活環(huán)境的變化時，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,隨著激光粒度儀的出現(xiàn),粒度測量結(jié)果的重復(fù)性和準確性得到了很大提高,樣品測量速度明顯加快,致使利用沉積物粒度分析進行氣候古環(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海洋大學“東方紅2號”考察船執(zhí)行“2003年東海陸架水交換調(diào)查航次”時所取的振動柱狀樣.B2孔(125°45′E,31°45′N)位于東海陸架濟州島西南泥質(zhì)區(qū)內(nèi)(圖1),水深64m,柱長4.03m,整個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B2孔3.27m以上的樣品進行分析(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的間距進行了分割,共獲取樣品163個.由于不同時期的沉積物往往都是多種物源和沉積動力過程的混合產(chǎn)物,因此在粒度分析時通常要進行樣品前處理,以求達到不同的研究目的(粒度分析在中國海洋大學海洋地球科學學院用英國Malvern2000型激光粒度儀進行測試,儀器測量范圍為0.02～2000μm,粒級分辨率為0.01?,重復(fù)測量的相對誤差<3%.對所有163個樣品進行了粒度分析,部分樣品還進行了重復(fù)測試,顯示了良好的可重復(fù)性.從4個樣品層位分別挑選出底棲有孔蟲混合種在美國BetaAnalyses公司進行了AMS2b2b孔粒度變化的古環(huán)境意義在運用沉積物粒度數(shù)據(jù)進行沉積序列中的古環(huán)境分析時,通常需要把序列中不同物質(zhì)來源或不同動力條件下的粒度組分分離,再詳細研究不同組分所代表的地質(zhì)環(huán)境意義,進而根據(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B2孔的沉積環(huán)境相對穩(wěn)定控制因素為較單一的物源或水動力條件.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-標準偏差變化得出的B2孔的4個粒度組分,圖中較高標準偏差值所對應(yīng)的粒級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,標準偏差值相對較低.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個粒度組分反映的環(huán)境變化.組分1和組分2的標準偏差值相對較高,組分3的標準偏差值相對較低(圖2b),根據(jù)各組分的分布范圍可分別計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?對濟州島西南泥質(zhì)區(qū)的研究表明,該區(qū)是東海細顆粒物質(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,與冬季風暴和黃海沿岸流的強弱密切相關(guān).強烈的冬季風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孔的物源和動力條件相對單一,為何從粒級和標準偏差變化曲線上卻表現(xiàn)為3個明顯的陸源粒級組分呢?究竟哪一種陸源組分對東亞冬季風變化最為敏感呢?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粒級含量的變化控制,這些粗粒陸源物質(zhì)可能是反映冬季風強弱變化最重要的指標.組分3位于粘土粒級范圍,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的強弱變化影響不大.這可能與粘土粒級的起動力較弱有關(guān),無論冬季風強弱如何變化,該組分在陸源物質(zhì)中的輸運量基本保持一致.組分2和組分1的粒度含量都呈現(xiàn)出明顯的波動變化(圖3),他們的標準偏差值也最高,表明這兩者對東亞冬季風變化都很敏感.然而從平均粒徑的變化上看,組分2在整個B2孔中無明顯的變化,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,并且變化趨勢非常相似,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,同時組分2的含量就相對減少,反之亦然.所以,組分1是反映東亞冬季風強弱波動的敏感粒度組分.它的粒度含量和平均粒徑則可以作為表征東亞冬季風強弱變化的2個替代指標.東亞冬季風增強時,組分1的粒度含量增加、平均粒徑變粗.圖4a,4b標出了B2孔冬季風2個代用指標的大致變化情況,組分1粒度含量的波動范圍為21.2%～30.0%,平均含量25.0%,平均粒徑的波動范圍為15.6～17.8μm,平均16.6μm(圖4),反映了近2000年以來東亞冬季風有明顯的波動變化.3東亞冬季風趨勢在陸地黃土的研究中,粒度是反映東亞冬季風變化的一個非常有用的指標(根據(jù)現(xiàn)代氣象資料,從圖4可以看出,B2孔記錄的近2ka來東亞冬季風變化有明顯的波動,總體上呈弱-較強盛-弱-強盛的變化趨勢,與4沉積環(huán)境變化陸架泥質(zhì)區(qū)匯集的細顆粒陸源物質(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量準確、迅速、重復(fù)性高的優(yōu)點,分析了濟州島西南泥質(zhì)區(qū)沉積物近2000年來的粒度變化,從中提取出對沉積環(huán)境變化敏感的粒度組分,建立了反映東亞冬季風變化的替代指標.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三冷期冬季風增強的氣候變化歷史,反映了粒度分析在提取陸架泥質(zhì)區(qū)高分辨率環(huán)境指標上有很好的應(yīng)