南海夏季陆源区环境因子对东亚夏季风演化的制约

南海夏季陆源区环境因子对东亚夏季风演化的制约

在全球变化研究中，构造上升和冰期之间的冰期一体化影响是人类变化的重要组成部分。其中，青藏高原的高度在形成和发展欧亚季风气候中发挥了重要作用，因此引起了全球变化的研究。尤其是第四纪青藏高原的全球、周期性快速上升[4.9]与东亚气候的不稳定性关系的研究是全球变化的焦点。中国黄土记录了冰期末的冰期交替变化1.2和0.4ma的结构气候变化，以及季节性东亚季风气候的发展与青藏高原的全球、渐进快速上升之间的对应关系。另一方面，以南海odp184号为研究对象的东亚季风气候的发育研究更注重冰期和冰期之间的冰期关系，而东亚季风气候的长期间发展与青藏高原的高度无关。特别是，关于季度以来洛杉矶高原快速上升的气候影响研究很少。在这项工作中，我们使用r子分析方法提取了来自南海北部odp1146孔顶部185mcd（相当于1.81ma）沉积物中的常量元素分析数据，并采用了r-y型离子分析法。通过比较陆源因子的阶段变化与中国黄土磁化率记录的全球气候变化之间的对应关系，研究了8月份南海沉积物数据集的东亚夏季风的发展对第四纪青藏高原的整体和快速上升做出了回应。1数据分析和材料研究样品取自ODP184航次1146站(19°27.40′N,116°16.37′E,水深2092m,如图1).根据浮游有孔虫氧同位素变化曲线,按合成深度(meterscompositedepth,mcd)在0~185m区段内分别在1146站3个钻孔(A,B和C)取样,平均取样间隔为1.1m,共取得167件沉积物样品.提取小于4uf06dm的细粒沉积物用于化学分析.在化学分析前,细粒沉积物样品先用0.25mol/L的过量盐酸浸泡1h,然后用蒸馏水清洗3次,离心烘干,以除去生物碳酸盐.烘干后的无碳酸盐沉积物样品研磨至200目以下,用于常量元素测试.常量元素分析采用等离子体光谱(ICP-OES)在中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所完成.分析过程采用3个国家一级标准样监控,各元素的标准值与测量值的相对偏差(相对误差)介于1%~5%之间.利用STSS13.0软件进行R型因子分析计算,根据元素组合提取陆源因子,并计算出陆源因子得分.0~185mcd的年龄框架和底栖有孔虫氧同位素数据源自Clemens等人.2fpse和cao在累积方差贡献达80%的条件下,167件样品9个常量元素的R型因子分析得到了代表不同元素组合的3个因子(F1,F2和F3).各因子代表的元素组合分别为:F1因子代表元素组合主要为P,Ti,TFe2O3,MgO,K2O,其次为Al2O3和CaO;F2因子代表的元素组合为Na2O和Al2O3;F3因子是Mn元素(表1).3个因子的得分如图2所示.由于每个因子代表了一套元素组合,因此因子得分的变化实际上反映了其代表的元素组合的变化.从图2可以看出,F1因子代表的元素组合(P,Ti,TFe2O3,MgO,K2O,Al2O3和CaO)变化(图2(a))与F2因子代表的元素组合(Na2O和Al2O)变化和F3(Mn)明显不同,表现出阶段式变化与旋回式变化的叠加:在~1.3,~0.9,~0.6Ma处,F1因子得分呈现出递减趋势,而自0.6Ma以来,旋回式变化更加明显.F2和F3因子的变化趋势大体相同(图2(b)和(c)),在~0.6Ma以前,变化平缓,而自0.6Ma以来,呈现出增大且剧烈变化趋势.3讨论3.1fpss-al分析本研究中细粒沉积物样品除去了生物成因的碳酸盐,因此,剩余的无碳酸盐碎屑相可认为是由硅酸盐和少量的自生铁锰氧氧化物及生物成因硅组成,而细粒硅酸盐碎屑则主要由河流输运的陆源物质和火山碎屑组成.据此,依据常量元素的地球化学性质和元素组合的成因专属性把R型因子分析确定的各因子赋予物质来源意义.Ti是典型的陆源保守元素,K,Fe,Mg和Al与陆源组分密切相关[18~20],因此F1因子代表的元素组合实际代表了陆源元素组合,是陆源因子;F2因子以元素Al和Na为代表,一方面表明元素Al和Na密切相关,另一方面也可能说明了ODP1146站上部无碳酸盐碎屑沉积物中除陆源Al外还存在其他成因的“过剩铝”.ODP1146站上部无碳酸盐细粒沉积物的Al/Ti比值(最大值达46.8)明显高于珠江沉积物的Al/Ti的平均值(19.85),表明ODP1146站上部无碳酸盐细粒沉积物中确实存在“过剩铝”.Pattan等人把深海沉积物中的“过剩铝”归因于生物成因Si和火山碎屑的存在.但是,利用Clemens等人发表的ODP1146站沉积物生源Si数据与本文的Al数据计算出二者的相关系数仅为0.3,表明二者相关性并不显著,进而说明“过剩铝”不是生物成因;而南海北部陆坡火山玻璃的Al/Ti高达226,且富含Na2O,由此表明ODP1146站上部无碳酸盐沉积物的“过剩铝”很可能是火山碎屑成因,以Al和Na为组合的F2因子代表了火山源因子.Mn元素是海底沉积物早期成因作用的代表元素,因此F3因子是早期成岩作用因子.3.2海底沉积物fpse比较季风演化的效应之一是影响了海底沉积物陆源区的化学风化作用,进而制约了海底沉积物中陆源物质的比例:夏季风增强(或减弱),陆源区化学侵蚀强度增大(或减小),海底沉积物中由河流输运的陆源物质比例增加(或减少).因此,海底沉积物中陆源因子的变化不仅可以反映源区化学侵蚀的强弱,而且能够进一步揭示夏季风演化:海底沉积物中河流输运的陆源物质比例增加(或减少),则反映了陆源区化学侵蚀强度的增大(或减小)和夏季风的增强(或减弱).对于ODP1146站钻孔上部细粒无碳酸盐沉积物而言,由于陆源元素(或氧化物)P,Ti,TFe2O3,MgO,K2O,Al2O3和CaO在F1因子中都是正载荷,因此F1因子得分的增大(或减小)则意味着由河流输运的陆源物质的增加(或减少)和陆源区化学侵蚀强度的增大(或减小),进而指示东亚夏季风的增强(或减弱).3.3细粒无盐水沉积相与冰期-间冰期分布关系对比陆源因子得分与底栖有孔虫氧同位素变化特征不难发现,自1.8Ma以来,特别是~0.6Ma以来,ODP1146站钻孔细粒无碳酸盐沉积物陆源因子的旋回式变化与冰期-间冰期旋回有很好的对应关系(图3(a)和(b)),表现为在间冰期,河流输运的陆源物质比例增大;在冰期,河流输运的陆源物质比例减少.进而说明,在间冰期,陆源区化学侵蚀强度增大,东亚夏季风增强;在冰期,陆源区化学侵蚀强度减小,东亚夏季风减弱.体现了冰期-间冰期旋回对东亚季风演化的制约.3.4区域构造环境除周期性变化外,ODP1146站钻孔上部细粒无碳酸盐沉积物陆源因子呈现出明显的阶段式变化:在1.81~1.3Ma期间,陆源因子得分表现出增大的趋势,而此后,分别在~1.3,~0.9和~0.6Ma时期,陆源因子呈现出阶段式减小特征.上述变化表明,在1.81~1.3Ma期间,陆源区化学侵蚀强度逐渐增大,东亚夏季风增强,而在~1.3,~0.9和~0.6Ma时期,陆源区经历了3次化学侵蚀强度依次减小和东亚夏季风依次减弱.东亚夏季风这一阶段式减弱特征与中国黄土磁化率记录的构造气候旋回具有较好的一致性(图3(b)和(c)):在1.81~1.3,1.3~0.9,0.9~0.6Ma期间和0.6Ma至今,季风阶段式演化大致对应于构造气候旋回TC4,TC3,TC2和TC1[8~11].这表明中国南海沉积物同样记录了第四纪以来东亚季风演化与青藏高原整体、阶段式、快速隆升的关系.自1.8Ma以来,以发生强隆升事件为标志,青藏高原进入了整体、阶段性、快速隆升时期[5~8].在隆升事件中,尤以发生于1.2~1.3,0.8~0.9和0.5~0.6Ma的隆升最为强烈,使之成为阻隔南亚暖湿气流的屏障,控制了东亚季风环流.ODP1146孔上部细粒沉积物陆源因子得分的变化也体现了青藏高原的整体、阶段式快速隆升对东亚季风演化的制约.1.81~1.3Ma是青藏高原面形成向整体隆升的过渡期.在此期间,青藏高原边缘山岭上升和内部均衡调整平行发展,加积面平均高程不仅没有增高,反而从2900m降低为2400m.与此相应,东亚夏季风很可能增强,从而导致陆源区化学侵蚀强度增大,由河流输运至南海的陆源物质比例增加,在ODP1146孔细粒沉积物中体现出陆源因子得分值增大特征.自1.3Ma开始,青藏高原发生了转态性质的构造运动,从高原面形成、内部调整转变为整体、阶段性、快速隆升.高原面从1.3Ma时的2400m分别上升到0.9Ma时的2900m和0.6Ma时的3600m左右.高原构造运动的转态导致了东亚季风环流也发生了重大调整,由1.3Ma前的夏季风盛行转变到冬季风强盛.当高原高度达到2900m时,青藏高原大部分地面处于极大降水高度范围内,使青藏高原大范围进入冰冻圈,增强了高原的冷源作用,使东季风强度增大,夏季风强度进一步减弱.东亚季风环流的改变及夏季风强度的减弱导致了陆源区化学侵蚀强度减小,由河流输运至南海的陆源物质比例减少,因此在ODP1146孔细粒硅酸盐碎屑中陆源因子得分值减小.自0.6Ma以来,当高原高度超过3600m,隆升到4200m时,超出了极大降水高度范围,呈现出高原的冷源作用和热源作用相互制约态势,东亚冬、夏季风的对抗性也开始增强,气候走向两级分化:冰期气候极端干冷,间冰期气候非常湿暖.与此相应,陆源区的化学侵蚀效应对冰期-间冰期的响应更加明显,在ODP1146孔细粒硅酸盐碎屑中表现出陆源因子得分值的高振幅振荡.4气候变化的区域差异ODP1146站上部无碳酸盐细粒沉积物的常量元素组合(P,Ti,TFe2O3,MgO,K2O,CaO和Al2O3)代表了陆源因子.陆源因子得分的变化反映了沉积物中河流输运的陆源比例的变化,进而能够揭示陆源区化学侵蚀强度变化和东亚夏季风演化.陆源因子得分分别在~1.3,~0.9和~0.6Ma时呈现阶段式减小,而自~0.6Ma以来周期性的振荡变化更加明显.陆源因子得分的阶段式变化与黄土磁化率揭示的构造气候构造旋回的一致性表明了ODP1146站上部无碳酸盐细粒沉积物常量元素组合记录的东亚夏季风演化与第四纪青藏高原整体、阶段式、快速隆升密切相关;自~0.6Ma以来,陆源因子得分变化与底栖有孔虫氧同位素变化的同步性表明此后的东亚季风演化主要受冰期-间冰期旋回制约.与中国黄土一样,中国南海沉积物记录的长时序东亚季风演化也体现了青藏高原隆升和