東海陸架泥質(zhì)區(qū)高分辨率古氣候研究進(jìn)展

東海陸架泥質(zhì)區(qū)高分辨率古氣候研究進(jìn)展

黃東海平原位于東亞季風(fēng)氣候地區(qū)。循環(huán)系統(tǒng)發(fā)育，接受黃河、長(zhǎng)江和韓國(guó)河流的物質(zhì)運(yùn)輸，豐富的古代氣候變化信息。已成為研究沉積物和環(huán)境反應(yīng)的熱點(diǎn)。全球海平面變化過(guò)程中,黃、東海陸架海區(qū)形成了多個(gè)泥質(zhì)沉積體,自北而南分別是北黃海泥質(zhì)區(qū)、山東半島沿岸泥質(zhì)區(qū)、南黃海中部泥質(zhì)區(qū)、南黃海東部泥質(zhì)區(qū)、老黃河口泥質(zhì)區(qū)、濟(jì)州島西南泥質(zhì)區(qū)、長(zhǎng)江口泥質(zhì)區(qū)和浙閩沿岸泥質(zhì)區(qū)(圖1)。普遍認(rèn)為,浙閩沿岸泥質(zhì)區(qū)主要是高水位期以來(lái)長(zhǎng)江的物質(zhì)在沿岸流作用下向南輸運(yùn)沉積而成,浙閩沿岸小河流沉積物來(lái)源不可忽視,在南部,臺(tái)灣物質(zhì)信號(hào)明顯;黃海近岸的細(xì)粒沉積主要來(lái)自鄰近的河流,北部來(lái)自黃河,西部來(lái)自黃河與長(zhǎng)江,位于山東半島和朝鮮半島之間的北黃海泥質(zhì)區(qū)還可能接受來(lái)自韓國(guó)河流的物源;除去河流物質(zhì)外,黃海海床侵蝕的細(xì)粒物質(zhì)、生物源和成巖化作用都可能對(duì)該區(qū)物源做貢獻(xiàn)。最近幾十年,科學(xué)家在高分辨率古環(huán)境研究方面取得了大量的成果,研究載體包括黃土、深海沉積物、冰心、珊瑚、石筍等。陸架區(qū)沉積物冬季風(fēng)以及夏季風(fēng)信息提取逐漸增多,說(shuō)明陸架區(qū)沉積物蘊(yùn)含著豐富的古氣候演化信息。近兩千年是全球變化研究IGBPS計(jì)劃和全球氣候研究(WCRP)核心計(jì)劃“氣候變化及其預(yù)測(cè)”(CLIVAR)的一個(gè)共同的重要研究時(shí)段。這些研究計(jì)劃的主要目標(biāo)之一是通過(guò)獲取高分辨率的地質(zhì)記錄,重建過(guò)去氣候、環(huán)境和生態(tài)變化的重要事件,并努力查明它們的起因,以此提高對(duì)未來(lái)氣候環(huán)境變化的可預(yù)報(bào)性。中國(guó)東部海域高分辨率地質(zhì)記錄和氣候環(huán)境變化代用指標(biāo)的獲取已經(jīng)成為最近十幾年來(lái)的研究特色。替代指標(biāo)尋找是古氣候研究中最為關(guān)鍵的一環(huán),目前陸架泥質(zhì)區(qū)古氣候研究中,敏感粒度指標(biāo)使用最為廣泛,對(duì)此不同的學(xué)者有不同的認(rèn)識(shí)。近期沉積記錄中古生態(tài)系統(tǒng)信息的提取,比如沉積物底棲生物群落變化、浮游植物結(jié)構(gòu)變化、TEX86指標(biāo)的使用,為古海洋環(huán)境演化的研究提供了新的參考,近代世界工業(yè)化進(jìn)程與中國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時(shí),給環(huán)境帶來(lái)不同程度的污染,陸架沉積物的環(huán)境記錄受到自然與人類的雙重影響,在黃、東海泥質(zhì)區(qū)引起廣泛關(guān)注。本文擬對(duì)黃、東海陸架不同泥質(zhì)區(qū)的古氣候和古海洋環(huán)境研究現(xiàn)狀進(jìn)行總結(jié),指出目前古氣候研究中逐漸凸顯的科學(xué)問(wèn)題,提出海洋古生態(tài)演化研究為古海洋研究提供了新的思路和參考依據(jù),同時(shí)回顧工業(yè)革命以來(lái)人類活動(dòng)在陸架沉積區(qū)的沉積響應(yīng)。1記錄舊氣候的反應(yīng)1.1區(qū)域熱價(jià)變化對(duì)區(qū)域東亞冬季風(fēng)的影響目前陸架沉積區(qū)的高分辨率古氣候記錄研究主要集中在浙閩泥質(zhì)區(qū)、濟(jì)州島西南泥質(zhì)區(qū),南黃海沉積體有所涉及但資料較少。向榮等在濟(jì)州島西南泥質(zhì)區(qū)利用沉積物敏感粒度作為東亞冬季風(fēng)指標(biāo)重建了2.3ka古氣候`的高分辨率演化歷史,提供了219~2278aBP平均分辨率達(dá)13a的高分辨率的海洋沉積記錄。Xiao等用同樣的方法在浙閩泥質(zhì)區(qū)重建了8ka來(lái)分辨率高達(dá)16a的東亞冬季風(fēng)的演化歷史,揭示出東亞冬季風(fēng)與太陽(yáng)黑子變化之間存在千年、百年和十年尺度的周期對(duì)應(yīng)關(guān)系。為了在短時(shí)間尺度上探索亞洲季風(fēng)系統(tǒng)變化與全球氣候事件關(guān)系,有研究者利用東海內(nèi)陸架泥質(zhì)沉積巖心快速泥質(zhì)沉積段做了700a的高分辨率敏感粒度組分和年代數(shù)據(jù),對(duì)應(yīng)分辨率為1~1.5a,指出中全新世以來(lái)浙閩泥質(zhì)區(qū)的敏感粒度所指示的東亞冬季風(fēng)與62、11a太陽(yáng)活動(dòng)周期和現(xiàn)代ENSO周期大致吻合。筆者把浙閩泥質(zhì)區(qū)鉆孔的1.8a高分辨率敏感粒度變化與60年來(lái)實(shí)測(cè)1a分辨率的東亞冬季風(fēng)強(qiáng)度的變化對(duì)比,發(fā)現(xiàn)二者對(duì)應(yīng)良好(待刊)。在南黃海中部泥質(zhì)區(qū),胡邦琦等利用沉積物粒度主因子重建了該區(qū)7.2ka東亞冬季風(fēng)記錄,發(fā)現(xiàn)中全新世以來(lái),東亞冬季風(fēng)變化趨勢(shì)在千年尺度上與已報(bào)道的東亞夏季風(fēng)強(qiáng)度變化趨勢(shì)基本一致,主要受控于軌道驅(qū)動(dòng)的太陽(yáng)輻射量冬、夏季季節(jié)性變化差異,并指出在百年尺度上東亞冬季風(fēng)增強(qiáng)事件則與夏季風(fēng)減弱事件相對(duì)應(yīng),呈現(xiàn)反相關(guān)系,推測(cè)可能是對(duì)太陽(yáng)活動(dòng)減弱的敏感響應(yīng)。另外,沉積物端元模型、礦物比值與化學(xué)蝕變常數(shù)研究、來(lái)自濟(jì)州島西南泥質(zhì)區(qū)的敏感粒度分析等研究也紛紛印證了上述沉積物冬季風(fēng)代用指標(biāo)的可靠性。與此不同,王可等對(duì)浙閩泥質(zhì)區(qū)鉆孔研究發(fā)現(xiàn),該區(qū)沉積物粒度與東亞冬季風(fēng)變化之間并無(wú)直接對(duì)應(yīng)關(guān)系,而沉積物沉積速率與代表東亞夏季風(fēng)信息的董哥洞石筍生長(zhǎng)速率有著一致的變化趨勢(shì)。Zheng等對(duì)同一鉆孔的磁學(xué)研究也證實(shí)了沉積物中蘊(yùn)含著夏季風(fēng)演化信息。來(lái)自長(zhǎng)江口泥質(zhì)區(qū)的研究指出,夏季風(fēng)通過(guò)影響長(zhǎng)江入海輸沙而對(duì)沉積物粒度起著重要影響。最近對(duì)北黃海泥質(zhì)區(qū)的研究發(fā)現(xiàn)沉積物粒度、磁化率和元素比率與實(shí)測(cè)60年來(lái)黃河盆地年平均降雨之間對(duì)應(yīng)良好,因此可以作為降雨和夏季風(fēng)指標(biāo)。筆者對(duì)南黃海中部泥區(qū)鉆孔的研究也發(fā)現(xiàn),該區(qū)環(huán)境敏感粒度組分的平均粒徑變化與東亞夏季風(fēng)變化之間存在良好對(duì)應(yīng)關(guān)系,而與東亞冬季風(fēng)之間并沒(méi)有明顯對(duì)應(yīng)關(guān)系(待刊)。越來(lái)越多的研究表明,黃、東海地區(qū)沿岸流、暖流體系交匯,沉積過(guò)程不僅受到環(huán)流系統(tǒng)的影響,還與夏季風(fēng)影響下河流入海物質(zhì)有關(guān)。不同泥質(zhì)區(qū)或者同一泥質(zhì)區(qū)不同位置,動(dòng)力條件不同,對(duì)全球氣候變化的響應(yīng)機(jī)制可能有所不同,這將是中國(guó)東部陸架海沉積記錄與全球古氣候變化研究的新熱點(diǎn)。1.2劉春有對(duì)古海水和底層冷前人從冰后期海平面變化出發(fā),依據(jù)沉積物中有孔蟲組合變化規(guī)律和AMS14C年代學(xué),對(duì)南黃海全新世環(huán)境進(jìn)行了恢復(fù),通過(guò)對(duì)黃海中部沉積物巖心中底棲有孔蟲定量分析及其氧碳同位素分析,認(rèn)為8.47~6.63cal.kaBP期間黃海的海洋環(huán)境逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)楦娱_(kāi)放和高鹽;Kong等探討了黃海古海洋環(huán)境變化,劃分了海侵、河口灣和現(xiàn)代等幾個(gè)變化時(shí)段;Xiang等對(duì)南黃海鉆孔研究也得到了相似的關(guān)于8000年來(lái)海洋環(huán)境演化3個(gè)階段的結(jié)論:8.4~6.9cal.kaBP低鹽河口環(huán)境、6.9~6cal.kaBP低鹽淺海環(huán)境;6~0cal.kaBP現(xiàn)代陸架海。長(zhǎng)鏈烯酮不飽和比值(U37K′)與海水表層溫度(SST)有很好的線性關(guān)系,并且不隨沉積物中有機(jī)物質(zhì)的溶解作用和成巖作用而改變,其古溫度信息能經(jīng)受長(zhǎng)期的生物和化學(xué)作用的破壞,較完整地保存在海洋沉積物中。利用UK37在黃、東海陸架泥質(zhì)區(qū)進(jìn)行古環(huán)境重建,有良好的效果。濟(jì)州島西南海域存在一個(gè)中尺度冷渦,由黃海暖流、黃海沿岸流和黑潮北上余流三股流相互作用形成,它們相互位置的變化、強(qiáng)度的變化和底層冷水的強(qiáng)弱都會(huì)對(duì)渦旋的動(dòng)力特征和古海洋環(huán)境產(chǎn)生影響。Li等在濟(jì)州島西南泥質(zhì)區(qū)利用U37K′方法獲得了表層海水古溫度變化,最高分辨率達(dá)8.7a,把3.6cal.kaBP以來(lái)的環(huán)境演化劃分為5個(gè)階段:Ⅰ期降溫階段,0.85cal.kaBP至今,冬季風(fēng)較強(qiáng),存在“小冰期”;Ⅱ期波動(dòng)升溫階段,1.9~0.85cal.kaBP,存在隋唐溫暖期,響應(yīng)的時(shí)間在0.85~1.35cal.kaBP,1.4cal.kaBP的降溫事件比較明顯;Ⅲ期降溫階段,2.55~1.9cal.kaBP,處于南極冰心記錄曲線上一個(gè)緩慢降溫到快速升溫的完整周期,降溫幅度達(dá)0.9℃;Ⅳ期相對(duì)平穩(wěn)略有升溫階段,3.2~2.55cal.kaBP,處于南極冰心記錄氣溫波動(dòng)升溫期;Ⅴ期相對(duì)平穩(wěn)略有降溫階段,3.6~3.2cal.kaBP,對(duì)應(yīng)南極冰心記錄的波動(dòng)降溫階段。5個(gè)周期性階段與南極冰心記錄的氣候周期比較吻合,全球降溫一般比較緩慢,該區(qū)陸架海SST基本上能夠同步調(diào)整。最近有學(xué)者利用U37K′和TEX86方法恢復(fù)表層海水和中層海水古溫度變化,對(duì)濟(jì)州島西南泥質(zhì)區(qū)古環(huán)境進(jìn)行重建,研究發(fā)現(xiàn):早全新世(11.6~6.2ka)古海水溫度變化與全球氣候變化有同步特征,主要受太陽(yáng)輻射變化的影響;6.2~2.5ka,表層與中層海水古溫度差的變化與黑潮強(qiáng)度變化趨勢(shì)接近,說(shuō)明黑潮在此階段對(duì)該區(qū)有主要影響;2.5~1.45ka,表層海水溫度突然降低,認(rèn)為可能與底層冷水團(tuán)的增強(qiáng)以及東亞冬季風(fēng)作用有關(guān)。南黃海中部泥質(zhì)區(qū)處于黃海暖流的控制性影響之下,其海水古溫度變化的影響因素與濟(jì)州島西南泥質(zhì)區(qū)可能有所不同。南黃海6.2cal.kaBP以來(lái)的表層海水古溫度記錄與黑潮強(qiáng)弱的變化相似,分辨率可達(dá)18a,對(duì)全球氣候變冷事件有良好響應(yīng)。SST變化分為3個(gè)階段:2.3cal.kaBP以來(lái)較高且較穩(wěn)定;5.9~2.3cal.kaBP較低且波動(dòng)大;6.2~5.9cal.kaBP較高。SST的波動(dòng)具有1482a的周期,該周期在黑潮波動(dòng)中以及格陵蘭冰心、北大西洋和阿拉伯海沉積物中同樣存在,顯示了南黃海中部SST變化與黑潮的對(duì)應(yīng)性及中國(guó)東部陸架海洋環(huán)境對(duì)全球海洋環(huán)境變化的響應(yīng)。近期黃、東海海洋古生態(tài)系統(tǒng)變化的重建,同樣有助于了解古氣候和古海洋環(huán)境變化。研究認(rèn)為濟(jì)州島附近地區(qū)晚全新世以來(lái)環(huán)境變化和生態(tài)系統(tǒng)變化主要受東亞冬季風(fēng)、黃海暖流和黑潮變化的控制,另外在SST增強(qiáng)和古生產(chǎn)力提高期間,浮游植物群結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)向以硅藻為主導(dǎo)。Al主要在黏土礦物中富集,可以作為沉積學(xué)特征的代用指標(biāo),Zhou等利用X射線熒光巖心掃描的方法進(jìn)行沉積物柱狀樣的元素測(cè)試,發(fā)現(xiàn)黃海沉積物中Al含量與海洋自生有機(jī)碳含量相關(guān)性很好,說(shuō)明在泥質(zhì)區(qū)海洋有機(jī)碳受沉積環(huán)境的影響,因此Al含量變化可以作為海洋生產(chǎn)力的替代指標(biāo)使用。海洋底棲生物群受鹽度和黃海暖流影響較大,也可以用來(lái)重建古海洋環(huán)境變化:早全新世11.2~10.1cal.kaBP,低海面時(shí)期的近岸環(huán)境;7.7~6.2cal.kaBP,對(duì)應(yīng)于高海平面的形成;大約4cal.kaBP存在沉積間斷,可能與東亞季風(fēng)引起的海洋動(dòng)力改變有關(guān)。3cal.kaBP左右,該區(qū)明顯存在東亞冬季風(fēng)增強(qiáng)引起的生產(chǎn)力的提高。這些研究豐富了人們對(duì)陸架區(qū)古海洋環(huán)境變化的認(rèn)識(shí),也為后續(xù)工作提供了新的研究思路。2積紋層的沉積和沉積我國(guó)陸架海所處的地理位置決定了其沉積環(huán)境受到氣候變化和人類經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的雙重影響。為科學(xué)區(qū)分氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)環(huán)境變化的影響,重建工業(yè)革命以來(lái)高分辨率的沉積記錄顯得日益重要。在東亞冬季風(fēng)作用的地區(qū),河流水流量、輸沙量、海洋水動(dòng)力和初級(jí)生產(chǎn)力隨季節(jié)有顯著變化,可能導(dǎo)致沉積紋層形成。與人類活動(dòng)息息相關(guān)的長(zhǎng)江口,其河口水下泥質(zhì)區(qū)具有強(qiáng)烈的季節(jié)性沉積效應(yīng),冬季沉積作用弱,夏季沉積作用強(qiáng),沉積紋層可以為古環(huán)境記錄提供精確到季的高分辨率證據(jù),從而有利于我們理解和區(qū)分自然過(guò)程與人類活動(dòng)對(duì)河口地區(qū)的影響。Fan等最近建立了近十年來(lái)高分辨率的沉積序列來(lái)區(qū)分長(zhǎng)江三角洲的沉積年紋層,發(fā)現(xiàn)生物硅、粒徑和敏感粒度組分可以用作沉積年際變化的指標(biāo)。近年來(lái)郭志剛等在中國(guó)東海不同地區(qū)建立了百年尺度多環(huán)芳烴和鉛沉積通量的高分辨沉積記錄曲線(圖2、3、4),為人類活動(dòng)對(duì)東海環(huán)境的影響提供了定量數(shù)據(jù)。圖2所示,2-3環(huán)多環(huán)芳烴來(lái)源于低溫燃燒(家庭和小作坊),5-6環(huán)多環(huán)芳烴來(lái)源于高溫?zé)峤?大型鍋爐和油氣燃燒。濟(jì)州島西南泥質(zhì)區(qū)多環(huán)芳烴反映從低溫燃燒到高溫燃燒的轉(zhuǎn)變(圖3),記錄了我國(guó)20世紀(jì)20年代開(kāi)始從農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)到工業(yè)經(jīng)濟(jì)的轉(zhuǎn)變過(guò)程。1937—1945年抗日戰(zhàn)爭(zhēng),1946—1949年內(nèi)戰(zhàn),民不聊生,多環(huán)芳烴濃度降低記錄清晰。上述曲線與歐美發(fā)達(dá)國(guó)家顯著不同。圖4中,百年尺度鉛沉積通量在鄰近長(zhǎng)江口東海內(nèi)陸架的高分辨沉積記錄結(jié)果顯示鉛通量和鉛同位素組成變異與我國(guó)改革開(kāi)放以后的經(jīng)濟(jì)發(fā)展、含鉛汽油的大量使用有關(guān),2000年含鉛汽油禁用有良好的響應(yīng)和效果。而與歐美發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)比可以發(fā)現(xiàn),中國(guó)的含鉛汽油禁用比發(fā)達(dá)國(guó)家晚20年左右。Dong等最近在長(zhǎng)江口泥質(zhì)區(qū)發(fā)現(xiàn)1990年后Pb含量增多。歐美國(guó)家不同沉積記錄中Pb、Zn、Cu和Ni也在1980s和1990s存在峰值。3陸架區(qū)古氣候研究的展望黃、東海陸架同時(shí)受到海洋過(guò)程和人類活動(dòng)的雙重影響,幾十年來(lái)研究成果揭示,其沉積記錄蘊(yùn)含著豐富的古氣候和古海洋環(huán)境演化信息,對(duì)近代人類活動(dòng)帶來(lái)的污染也有敏感的響應(yīng)。(1)敏感粒度的平均粒徑是目前中國(guó)陸架泥質(zhì)區(qū)進(jìn)行古氣候研究的主要替代指標(biāo)。東海陸架泥質(zhì)區(qū)的古氣候研究率先開(kāi)始,有一大批成果通過(guò)提取敏感粒度指標(biāo)進(jìn)行東亞冬季風(fēng)重建,并討論了其與全球氣候變化之間的驅(qū)動(dòng)和響應(yīng)關(guān)系。但隨著不斷有研究者指出,陸架沉積物的粒度指標(biāo)更多地代表東亞夏季風(fēng)信息,這就提醒我們,陸架區(qū)古氣候研究目前并不系統(tǒng),例如黃海泥質(zhì)區(qū)的古季風(fēng)演化文獻(xiàn)十分有限,而該區(qū)的環(huán)流體系與東海陸架環(huán)流體系截然不同,二者沉積記錄對(duì)全球氣候變化的響