随着土地荒漠化、水资源紧缺和全球变暖等一系列极端环境事件的影响, 气候变化已经成为全球最紧迫和最复杂的环境问题之一。为了准确预测未来气候环境变化趋势, 就必须对过去的气候变化内在规律和机制进行深入了解。具有连续沉积剖面、后期干扰影响较少、包含丰富气候信息的深海沉积物是较为理想的研究对象, 被愈来愈广泛地应用于古海洋和古气候研究之中。

由于海洋— 大气层— 冰冻圈系统容易受到淡水注入深水源区的影响发生模式跳跃, 并引发全球性的大规模和大尺度气候变化, 所以作为全世界海洋双层循环最为活跃的北大西洋地区具有很高的研究价值, 它也是全球公认的气候变化敏感区(Expedition 306 Scientists, 2006)。早在1988年, Heinrich就通过北大西洋深海沉积物中的陆源浮冰碎屑层发现末次冰期内存在着数次气候恶化事件(Heinrich, 1988)。20世纪90年代初期, 研究者通过对格陵兰冰芯 δ ¹⁸O 分析发现末次冰期存在着数次亚米兰科维奇尺度的冷暖交替事件(D/O旋回), 揭示出末次冰期气候的不稳定性, 并且这种D/O旋回在北大西洋深海沉积物中也有记录(Bond et al.1993; Dansgaard et al., 1993; GRIP Members, 1993)。Bond等指出Heinrich事件与D/O旋回之间的关系十分明显, 并根据北大西洋沉积中冰岛玻璃及染赤铁矿颗粒峰值的变化特征, 发现全新世北大西洋气候存在着千年尺度的周期变化(Bond and Lotti, 1995; Bond et al., 1997, 1999)。但是, 北大西洋作为全球气候变化的驱动源区之一, 它所反映的这种周期性气候波动的最初发生时间, 以及造成这种现象的原因和内在驱动机制至今尚无定论。

作者通过对北大西洋地区深海沉积物粒度进行分析, 结合年代模型和钙质超微化石、有孔虫等生物化石资料, 探讨了陆源组分粒度组成信息指示的环境意义, 综合周边地区的相关研究成果, 讨论了北大西洋早更新世近百万年的气候变化历史, 为揭示气候变化特征和演变规律、推断气候变化的原因及驱动机制增添了资料。

本项目分析样品采用国际综合大洋钻探计划(IODP)北大西洋IRD区域(即Site U1313)的岩心沉积物。U1313站位位于亚速尔以西240 n mile处、中大西洋南部的冰携岩屑带(IRD belt)上, 是对DSDP 607站位的重现(图 1)。

图1

Fig.1

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	图1 U1313站位位置示意图Fig.1 Sketch showing location of Site U1313

该站位是监视更新世北大西洋高纬度地区北大西洋深水(NADW)循环所仅存的站位(Ruddiman et al., 1986; Raymo et al., 1989; Raymo et al., 2004)。本项目样品来自U1313站位第2个完整的拼接地层, 由U1313 A和U1313 D钻孔组成(表 1)。文中所涉及的拼接地层的顺序是U1313D7H→ U1313A8H→ U1313D8H→ U1313A9H→ U1313D9H→ U1313A10H→ U1313D10H→ U1313A11H→ U1313D11H, 共9个大部分, 每部分又进一步分为若干小段。深度约在61.52~104.46, mbsf(meters below seafloor), 合成深度在69.93~115.18, mcd(meters composite depth)。

表1

Table1

表1(Table1)

表1 U1313站位钻孔描述 Table1 Description about Site U1313 钻孔 经度 纬度 水深 /m 心数 取心长 度/mbsf 取心 率/% 1313A 32° 57.4386'W 41° 0.0679'N 3412.3 33 308.6 104 1313D 32° 57.4214'W 41° 0.0667'N 3411.9 16 152.0 105

表1 U1313站位钻孔描述 Table1 Description about Site U1313

通过对比船载设备测得的沉积物颜色反射率(L^* )曲线变化和全球深海底栖有孔虫氧同位素曲线变化, 匹配冰期和间冰期终止时的L^* 的急剧波动建立拼接地层的年代标尺(图 2)(Lisiecki and Raymo, 2005; Stein et al., 2006)。本项目研究样品合成深度为69.93~115.18, mcd, 运用插值法获得样品的代表年龄, 底部为2415.6 ka BP, 顶部年龄约为1471.53 ka BP。沉积速率介于3~7.5 cm/ka之间, 平均为4.8 cm/ka。

图2

Fig.2

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	图2 U1313站位年代/深度模型(据Stein 等, 2006)Fig.2 Age/Depth model of Site U1313(After Stein et al., 2006)

本研究对拼接剖面上部的D7H、A8H和D8H段连续取样, 对剖面下部的A9H、D9H、A10H、D10H、A11H和D11H段间隔2, cm取样, 样品长均为2, cm, 共得到样品1491块, 剔除各段拼接处重复的样品后, 剩下1389块有效样品, 样品分割完后按照严格的储藏条件存放在实验室恒温库(4, ℃)。

在河南大学环境演变实验室采用日本HORIBA公司LA-920型激光散射粒度分布分析仪对沉积物粒度进行测量, 仪器的测量范围为0.02~2000, μ m。对样品进行预处理, 以除去干扰测量结果的杂质。参考前人的前处理方法(Irino and Tada, 2000; 長島佳菜等, 2004)而改进的具体操作程序如下:(1)称取0.3 g风干土样置于100, mL烧杯中; (2)除有机质:在烧杯中加入10% H₂O₂10 mL, 在60, ℃水浴锅上加热12~13, h, 至气泡消失, 倒入10 mL离心管中, 离心2次, 每次30, min, 转速4000 r/min; (3)除碳酸盐:将离心管中的样品倒入烧杯中, 加入20% CH₃COOH 10 mL, 搅拌数次, 放置过夜, 将样品倒入10 mL离心管, 离心2次, 每次20 min, 转速4000 r/min; (4)将离心管中的样品倒入烧杯中, 加入10, mL浓度0.5 mol/L的六偏磷酸钠, 上机测试。

根据Wentworth分类体系将陆源组分分为黏土(< 4, μ m)、极细粉沙(4~8, μ m)、细粉沙(8~16, μ m)、中粉沙(16~32, μ m)4个级别, 样品各粒级含量组成如图3所示。粒度参数计算选取福克— 沃德体系(Folk and Word, 1957), 包括中值粒径、平均粒径、标准偏差、偏度和峰度5项指标, 剖面各参数的变化情况如图4所示。

图3

Fig.3

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	图3 U1313站位各粒级含量曲线Fig.3 Curves showing contents of each size grain of Site U1313

图4

Fig.4

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	图4 U1313站位粒度参数变化曲线Fig.4 Curves showing grain size parameters of Site U1313

样品粒度分析结果显示:剖面碎屑物主要由黏土和粉沙组成, 以黏土为主, 黏土平均含量为76.13%, 粉沙平均含量为17.86%(表 2)。剖面平均粒径集中分布于1.82~3.22, μ m, 中值粒径主要变化于0.74~1.82 μ m之间, 平均为1.2, μ m, 颗粒物整体较细; 偏度平均为-0.31, 为极负偏; 标准偏差平均为1.57, 分选差; 峰度平均为0.67, 与粒度组成中粗粒组分的存在有关。

表2

Table2

表2(Table2)

表2 U1313孔A、B、C各段粒度参数及组分含量均值 Table2 Grain size parameters and contents of A, B, C sections of Site U1313 平均粒径/μ m 中值粒径/μ m 标准偏差 偏度 峰度 各粒级含量/% < 4, μ m 4~8, μ m 8~16, μ m 16~32, μ m A段 2.65 1.33 1.58 -0.25 0.65 74.09 19.40 6.11 0.39 B段 2.14 0.88 1.50 -0.40 0.70 80.96 15.35 3.60 0.08 C段 2.46 1.17 1.55 -0.31 0.67 75.54 17.77 5.75 0.72 均值 2.58 1.20 1.57 -0.31 0.67 76.13 17.86 5.44 0.47

表2 U1313孔A、B、C各段粒度参数及组分含量均值 Table2 Grain size parameters and contents of A, B, C sections of Site U1313

根据各粒级组分含量和粒度参数波动情况, 以合成深度79.8、90.79 mcd为界, 将整个剖面粒度变化划分为3段。选取4个深度位置(合成深度为78.02、87.99、93.01和98.97 mcd)的粒度指标数据绘制粒度频率曲线及累积频率曲线(图 5), 分别代表A至C段以及粗颗粒增多处的粒度分布情况。

图5

Fig.5

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	图5 U1313站位粒度频率曲线及累积频率曲线Fig.5 Frequency and cumulative curves of grain size of Site U1313

沉积物粒度参数的变化可以反映源区性质、沉积环境等多方面信息(Chen et al., 2005)。样品的粒度频率曲线均呈不对称双峰分布, 反映2个明显不同的物源或者搬运营力。除98.97 mcd深度外, 其余样品的频率曲线主峰对应粒径为0.584 μ m, 次峰对应粒径为3.9~5.2 μ m。说明早更新世北大西洋深海沉积物陆源组分主要来源于黏土和极细粉沙2种粒级的物源。北大西洋地区搬运陆源物质的营力主要为洋流和风力, 根据2种外营力的搬运特点, 推测钻心沉积物的黏土组分主要为风力携带的大陆粉尘, 而较粗的极细粉沙可能代表洋流循环搬运而来的冰筏碎屑。

钻心C段:整体来讲粗颗粒含量较高, 中粉砂的含量平均为0.72%, 远远高于B段的0.08和A段的0.39%。粉沙的含量呈阶段性出现多次峰值, 峰值处频率分布曲线显示:双峰曲线的主峰对应粗颗粒, 粒径达到17.377 μ m。早在中新世晚期(约7 Ma BP)格陵兰东部边缘地区就发现有冰川沉积(Raymo, 1999), 在2.415~1.901 Ma BP时期, 可能冰川作用将更多的粗颗粒陆源物质带入该地区。

钻心B段:相对于A段和C段来讲颗粒物较细, 中值粒径平均为0.88 μ m, 平均粒径为2.14, 整体波动较小。黏土含量由C段的75.54%上升为80.96%, 粉沙级组分减少, 中粉沙含量仅为0.08%。说明从1.9 Ma BP开始, 北大西洋进入了一个气候较为稳定的时期。

钻心A段:陆源组分粒径中值、平均值增大, 黏土组分由B段的80.96%降至74.09%, 粉沙组分增多, 标准偏差增大。粒度各指标曲线波动剧烈, 频率快且幅度大。北大西洋沉积物主要取决于洋流传送的冰川侵蚀沉积物(Dobson et al., 1997; Keigwin et al., 1998), 1.6 Ma BP前后地球轨道参数的改变可能是导致气候不稳定的直接因素, 1.640~1.471 Ma BP气候变化剧烈且频繁。

根据粒度组成和粒度参数的变化情况及其环境指示意义, 分3个阶段对早更新世北大西洋的气候环境讨论如下。

第1阶段(2.415~1.897 Ma BP):时间跨度为0.518, Ma, 对应深海氧同位素阶段(Marine Oxygen Isotope Stage, MIS)的72~95阶段。该阶段陆源组分变化呈周期性波动, 有数次粗颗粒组分突然增多现象, 表明气候环境逐渐恶化。Thiede等(1989)通过对挪威海104航次642-644站近55, Ma以来的沉积物进行分析, 发现始新世和渐新世气候持续温暖, 上新世与更新世交界处附近进入冰期。根据深海氧同位素记录, 早更新世全球平均冰量呈总体增加趋势(Ruddiman et al., 1989)。通过船载设备对U1313站位沉积物生物组分的测定也反映出这种现象:钙质超微化石D.surculus、D.pentara diatus、D.brouweri和浮游有孔虫 G.miocenica、G.puncticulata等暖水种在2.54~1.97 Ma BP时间段内相继消失, 而冷水种G.inflata却在2.09 Ma BP首次出现(Sierro et al., 2009)。U1313站位A孔所反映出的海水表面温度(SST)也显示, 在2.5~1.9 Ma BP期间海表温度呈下降趋势(图2)。

钻心沉积物陆源组分显示存在3次粗颗粒突然增多事件, 即2.253、2.082和1.901 Ma BP, 与北半球环境的整体演化相对应。斯堪的纳维亚冰盖自2.56 Ma BP开始发展, 于2.2~2.0 Ma BP达到最高峰, 在2.0 Ma BP逐渐消亡(Jansen et al., 1988)。环绕北极盆地的苔原和永冻土在冷事件期间(1.9 Ma BP)扩展到非冰川地区, 森林、灌木和苔原则在上个冷事件时期(2.2 Ma BP)维持在格陵兰北部地区(Harris, 2005)。在此阶段, 北半球呈现气候变冷、环境恶化的整体趋势。Raymo等(1990)推断可能由于巴拿马航道的关闭使得NADW在2.0 Ma BP变浅, 导致输送热量的减少。

第2阶段(1.897~1.640 Ma BP):时间跨度为0.257, Ma, 对应MIS58~71阶段。该阶段陆源组分以细颗粒物质为主, 变化不大, 指示环境相对稳定。由U1313站位样品的生物组分测定结果及U1313站位A孔所反映的SST表明, 北大西洋地区气温虽仍呈下降趋势, 但气候环境较第1阶段更加稳定。Nishi等(2000)对位于大西洋西部布莱克海台的ODPleg164钻孔997A的浮游有孔虫分析发现, 冷水种Globorotalia inflata在1.9~1.6 Ma BP期间有所增多, 但2个暖水种Globorotalia hirsuta和Globorotalia truncatulinoides在该时间段内也有所增多。

第3阶段(1.640~1.471 Ma BP):时间跨度为0.169, Ma, 对应MIS49~57阶段。该阶段陆源组分各项粒度参数变化剧烈, 表明气候环境恶化, 极不稳定。虽然在U1313站位该时期的生物组分中并未检测出相应变化, 但是钙质超微化石冷水种large Gephyrocapsa在1.45 Ma BP的出现以及暖水种H.sellii在1.27 Ma BP的消失均说明环境恶化在中更新世的延续。

Davies(1958)也指出自1.6 Ma BP起气候波动频繁, 温度急剧下降, 是导致更新世中期气候周期转型、全球冰量增加、海平面下降、哺乳动物迁徙或灭绝的重要原因之一。Bickert等(1997)通过对太平洋西侧赤道附近ODP站位806B的观测, 发现在冰期深层海水和浅层海水碳同位素差值大于1‰ , 但在1.6 Ma BP时两者含量趋于一致, 碳同位素梯度变化表明在1.6 Ma BP 气候出现突然变冷温度骤降现象, 导致浅层海水与深层海水温差减小。另外, 从U1313站位的粒度参数表和A孔SST的变化可以看出, 该阶段气候波动频率和气温下降幅度远大于第1和第2阶段。

Rutherford和Hondt等(1998)通过对DSDP 607站位(U1313站前身)样品碳酸盐堆积率测定发现, 结果中记录的岁差与半岁差调幅和相位位移的变化在1.6~0.2 Ma BP较为相似, 但是在1.6 Ma BP以前则不相同, 意味着北大西洋在1.6 Ma BP从非线性气候过渡为线性气候。丁仲礼等对中国黄土粒度数据的频谱分析发现1.6 Ma BP是全球气候和环境变化的一个重要时期, 在该时期附近气候变化的主导周期不明显, 转化为以41, ka的周期成分为主, 并通过与深海记录的对比指出高纬度冰盖变化存在着阶段性的耦合过程(Ding, 1994)。由此推断, 在1.6 Ma BP左右北大西洋气候环境可能受到轨道参数变化的强烈影响, 进而导致深海沉积物陆源组分在该时期发生显著改变。