东海陆架泥质区高分辨率古气候研究进展

东海陆架泥质区高分辨率古气候研究进展

黄东海平原位于东亚季风气候地区。循环系统发育，接受黄河、长江和韩国河流的物质运输，丰富的古代气候变化信息。已成为研究沉积物和环境反应的热点。全球海平面变化过程中,黄、东海陆架海区形成了多个泥质沉积体,自北而南分别是北黄海泥质区、山东半岛沿岸泥质区、南黄海中部泥质区、南黄海东部泥质区、老黄河口泥质区、济州岛西南泥质区、长江口泥质区和浙闽沿岸泥质区(图1)。普遍认为,浙闽沿岸泥质区主要是高水位期以来长江的物质在沿岸流作用下向南输运沉积而成,浙闽沿岸小河流沉积物来源不可忽视,在南部,台湾物质信号明显;黄海近岸的细粒沉积主要来自邻近的河流,北部来自黄河,西部来自黄河与长江,位于山东半岛和朝鲜半岛之间的北黄海泥质区还可能接受来自韩国河流的物源;除去河流物质外,黄海海床侵蚀的细粒物质、生物源和成岩化作用都可能对该区物源做贡献。最近几十年,科学家在高分辨率古环境研究方面取得了大量的成果,研究载体包括黄土、深海沉积物、冰心、珊瑚、石笋等。陆架区沉积物冬季风以及夏季风信息提取逐渐增多,说明陆架区沉积物蕴含着丰富的古气候演化信息。近两千年是全球变化研究IGBPS计划和全球气候研究(WCRP)核心计划“气候变化及其预测”(CLIVAR)的一个共同的重要研究时段。这些研究计划的主要目标之一是通过获取高分辨率的地质记录,重建过去气候、环境和生态变化的重要事件,并努力查明它们的起因,以此提高对未来气候环境变化的可预报性。中国东部海域高分辨率地质记录和气候环境变化代用指标的获取已经成为最近十几年来的研究特色。替代指标寻找是古气候研究中最为关键的一环,目前陆架泥质区古气候研究中,敏感粒度指标使用最为广泛,对此不同的学者有不同的认识。近期沉积记录中古生态系统信息的提取,比如沉积物底栖生物群落变化、浮游植物结构变化、TEX86指标的使用,为古海洋环境演化的研究提供了新的参考,近代世界工业化进程与中国经济发展的同时,给环境带来不同程度的污染,陆架沉积物的环境记录受到自然与人类的双重影响,在黄、东海泥质区引起广泛关注。本文拟对黄、东海陆架不同泥质区的古气候和古海洋环境研究现状进行总结,指出目前古气候研究中逐渐凸显的科学问题,提出海洋古生态演化研究为古海洋研究提供了新的思路和参考依据,同时回顾工业革命以来人类活动在陆架沉积区的沉积响应。1记录旧气候的反应1.1区域热价变化对区域东亚冬季风的影响目前陆架沉积区的高分辨率古气候记录研究主要集中在浙闽泥质区、济州岛西南泥质区,南黄海沉积体有所涉及但资料较少。向荣等在济州岛西南泥质区利用沉积物敏感粒度作为东亚冬季风指标重建了2.3ka古气候`的高分辨率演化历史,提供了219~2278aBP平均分辨率达13a的高分辨率的海洋沉积记录。Xiao等用同样的方法在浙闽泥质区重建了8ka来分辨率高达16a的东亚冬季风的演化历史,揭示出东亚冬季风与太阳黑子变化之间存在千年、百年和十年尺度的周期对应关系。为了在短时间尺度上探索亚洲季风系统变化与全球气候事件关系,有研究者利用东海内陆架泥质沉积岩心快速泥质沉积段做了700a的高分辨率敏感粒度组分和年代数据,对应分辨率为1~1.5a,指出中全新世以来浙闽泥质区的敏感粒度所指示的东亚冬季风与62、11a太阳活动周期和现代ENSO周期大致吻合。笔者把浙闽泥质区钻孔的1.8a高分辨率敏感粒度变化与60年来实测1a分辨率的东亚冬季风强度的变化对比,发现二者对应良好(待刊)。在南黄海中部泥质区,胡邦琦等利用沉积物粒度主因子重建了该区7.2ka东亚冬季风记录,发现中全新世以来,东亚冬季风变化趋势在千年尺度上与已报道的东亚夏季风强度变化趋势基本一致,主要受控于轨道驱动的太阳辐射量冬、夏季季节性变化差异,并指出在百年尺度上东亚冬季风增强事件则与夏季风减弱事件相对应,呈现反相关系,推测可能是对太阳活动减弱的敏感响应。另外,沉积物端元模型、矿物比值与化学蚀变常数研究、来自济州岛西南泥质区的敏感粒度分析等研究也纷纷印证了上述沉积物冬季风代用指标的可靠性。与此不同,王可等对浙闽泥质区钻孔研究发现,该区沉积物粒度与东亚冬季风变化之间并无直接对应关系,而沉积物沉积速率与代表东亚夏季风信息的董哥洞石笋生长速率有着一致的变化趋势。Zheng等对同一钻孔的磁学研究也证实了沉积物中蕴含着夏季风演化信息。来自长江口泥质区的研究指出,夏季风通过影响长江入海输沙而对沉积物粒度起着重要影响。最近对北黄海泥质区的研究发现沉积物粒度、磁化率和元素比率与实测60年来黄河盆地年平均降雨之间对应良好,因此可以作为降雨和夏季风指标。笔者对南黄海中部泥区钻孔的研究也发现,该区环境敏感粒度组分的平均粒径变化与东亚夏季风变化之间存在良好对应关系,而与东亚冬季风之间并没有明显对应关系(待刊)。越来越多的研究表明,黄、东海地区沿岸流、暖流体系交汇,沉积过程不仅受到环流系统的影响,还与夏季风影响下河流入海物质有关。不同泥质区或者同一泥质区不同位置,动力条件不同,对全球气候变化的响应机制可能有所不同,这将是中国东部陆架海沉积记录与全球古气候变化研究的新热点。1.2刘春有对古海水和底层冷前人从冰后期海平面变化出发,依据沉积物中有孔虫组合变化规律和AMS14C年代学,对南黄海全新世环境进行了恢复,通过对黄海中部沉积物岩心中底栖有孔虫定量分析及其氧碳同位素分析,认为8.47~6.63cal.kaBP期间黄海的海洋环境逐渐转变为更加开放和高盐;Kong等探讨了黄海古海洋环境变化,划分了海侵、河口湾和现代等几个变化时段;Xiang等对南黄海钻孔研究也得到了相似的关于8000年来海洋环境演化3个阶段的结论:8.4~6.9cal.kaBP低盐河口环境、6.9~6cal.kaBP低盐浅海环境;6~0cal.kaBP现代陆架海。长链烯酮不饱和比值(U37K′)与海水表层温度(SST)有很好的线性关系,并且不随沉积物中有机物质的溶解作用和成岩作用而改变,其古温度信息能经受长期的生物和化学作用的破坏,较完整地保存在海洋沉积物中。利用UK37在黄、东海陆架泥质区进行古环境重建,有良好的效果。济州岛西南海域存在一个中尺度冷涡,由黄海暖流、黄海沿岸流和黑潮北上余流三股流相互作用形成,它们相互位置的变化、强度的变化和底层冷水的强弱都会对涡旋的动力特征和古海洋环境产生影响。Li等在济州岛西南泥质区利用U37K′方法获得了表层海水古温度变化,最高分辨率达8.7a,把3.6cal.kaBP以来的环境演化划分为5个阶段:Ⅰ期降温阶段,0.85cal.kaBP至今,冬季风较强,存在“小冰期”;Ⅱ期波动升温阶段,1.9~0.85cal.kaBP,存在隋唐温暖期,响应的时间在0.85~1.35cal.kaBP,1.4cal.kaBP的降温事件比较明显;Ⅲ期降温阶段,2.55~1.9cal.kaBP,处于南极冰心记录曲线上一个缓慢降温到快速升温的完整周期,降温幅度达0.9℃;Ⅳ期相对平稳略有升温阶段,3.2~2.55cal.kaBP,处于南极冰心记录气温波动升温期;Ⅴ期相对平稳略有降温阶段,3.6~3.2cal.kaBP,对应南极冰心记录的波动降温阶段。5个周期性阶段与南极冰心记录的气候周期比较吻合,全球降温一般比较缓慢,该区陆架海SST基本上能够同步调整。最近有学者利用U37K′和TEX86方法恢复表层海水和中层海水古温度变化,对济州岛西南泥质区古环境进行重建,研究发现:早全新世(11.6~6.2ka)古海水温度变化与全球气候变化有同步特征,主要受太阳辐射变化的影响;6.2~2.5ka,表层与中层海水古温度差的变化与黑潮强度变化趋势接近,说明黑潮在此阶段对该区有主要影响;2.5~1.45ka,表层海水温度突然降低,认为可能与底层冷水团的增强以及东亚冬季风作用有关。南黄海中部泥质区处于黄海暖流的控制性影响之下,其海水古温度变化的影响因素与济州岛西南泥质区可能有所不同。南黄海6.2cal.kaBP以来的表层海水古温度记录与黑潮强弱的变化相似,分辨率可达18a,对全球气候变冷事件有良好响应。SST变化分为3个阶段:2.3cal.kaBP以来较高且较稳定;5.9~2.3cal.kaBP较低且波动大;6.2~5.9cal.kaBP较高。SST的波动具有1482a的周期,该周期在黑潮波动中以及格陵兰冰心、北大西洋和阿拉伯海沉积物中同样存在,显示了南黄海中部SST变化与黑潮的对应性及中国东部陆架海洋环境对全球海洋环境变化的响应。近期黄、东海海洋古生态系统变化的重建,同样有助于了解古气候和古海洋环境变化。研究认为济州岛附近地区晚全新世以来环境变化和生态系统变化主要受东亚冬季风、黄海暖流和黑潮变化的控制,另外在SST增强和古生产力提高期间,浮游植物群结构转向以硅藻为主导。Al主要在黏土矿物中富集,可以作为沉积学特征的代用指标,Zhou等利用X射线荧光岩心扫描的方法进行沉积物柱状样的元素测试,发现黄海沉积物中Al含量与海洋自生有机碳含量相关性很好,说明在泥质区海洋有机碳受沉积环境的影响,因此Al含量变化可以作为海洋生产力的替代指标使用。海洋底栖生物群受盐度和黄海暖流影响较大,也可以用来重建古海洋环境变化:早全新世11.2~10.1cal.kaBP,低海面时期的近岸环境;7.7~6.2cal.kaBP,对应于高海平面的形成;大约4cal.kaBP存在沉积间断,可能与东亚季风引起的海洋动力改变有关。3cal.kaBP左右,该区明显存在东亚冬季风增强引起的生产力的提高。这些研究丰富了人们对陆架区古海洋环境变化的认识,也为后续工作提供了新的研究思路。2积纹层的沉积和沉积我国陆架海所处的地理位置决定了其沉积环境受到气候变化和人类经济活动的双重影响。为科学区分气候变化和人类活动对环境变化的影响,重建工业革命以来高分辨率的沉积记录显得日益重要。在东亚冬季风作用的地区,河流水流量、输沙量、海洋水动力和初级生产力随季节有显著变化,可能导致沉积纹层形成。与人类活动息息相关的长江口,其河口水下泥质区具有强烈的季节性沉积效应,冬季沉积作用弱,夏季沉积作用强,沉积纹层可以为古环境记录提供精确到季的高分辨率证据,从而有利于我们理解和区分自然过程与人类活动对河口地区的影响。Fan等最近建立了近十年来高分辨率的沉积序列来区分长江三角洲的沉积年纹层,发现生物硅、粒径和敏感粒度组分可以用作沉积年际变化的指标。近年来郭志刚等在中国东海不同地区建立了百年尺度多环芳烃和铅沉积通量的高分辨沉积记录曲线(图2、3、4),为人类活动对东海环境的影响提供了定量数据。图2所示,2-3环多环芳烃来源于低温燃烧(家庭和小作坊),5-6环多环芳烃来源于高温热解(大型锅炉和油气燃烧。济州岛西南泥质区多环芳烃反映从低温燃烧到高温燃烧的转变(图3),记录了我国20世纪20年代开始从农业经济到工业经济的转变过程。1937—1945年抗日战争,1946—1949年内战,民不聊生,多环芳烃浓度降低记录清晰。上述曲线与欧美发达国家显著不同。图4中,百年尺度铅沉积通量在邻近长江口东海内陆架的高分辨沉积记录结果显示铅通量和铅同位素组成变异与我国改革开放以后的经济发展、含铅汽油的大量使用有关,2000年含铅汽油禁用有良好的响应和效果。而与欧美发达国家对比可以发现,中国的含铅汽油禁用比发达国家晚20年左右。Dong等最近在长江口泥质区发现1990年后Pb含量增多。欧美国家不同沉积记录中Pb、Zn、Cu和Ni也在1980s和1990s存在峰值。3陆架区古气候研究的展望黄、东海陆架同时受到海洋过程和人类活动的双重影响,几十年来研究成果揭示,其沉积记录蕴含着丰富的古气候和古海洋环境演化信息,对近代人类活动带来的污染也有敏感的响应。(1)敏感粒度的平均粒径是目前中国陆架泥质区进行古气候研究的主要替代指标。东海陆架泥质区的古气候研究率先开始,有一大批成果通过提取敏感粒度指标进行东亚冬季风重建,并讨论了其与全球气候变化之间的驱动和响应关系。但随着不断有研究者指出,陆架沉积物的粒度指标更多地代表东亚夏季风信息,这就提醒我们,陆架区古气候研究目前并不系统,例如黄海泥质区的古季风演化文献十分有限,而该区的环流体系与东海陆架环流体系截然不同,二者沉积记录对全球气候变化的响