東海陸架泥質區(qū)高分辨率古氣候研究進展

東海陸架泥質區(qū)高分辨率古氣候研究進展

黃東海平原位于東亞季風氣候地區(qū)。循環(huán)系統發(fā)育，接受黃河、長江和韓國河流的物質運輸，豐富的古代氣候變化信息。已成為研究沉積物和環(huán)境反應的熱點。全球海平面變化過程中,黃、東海陸架海區(qū)形成了多個泥質沉積體,自北而南分別是北黃海泥質區(qū)、山東半島沿岸泥質區(qū)、南黃海中部泥質區(qū)、南黃海東部泥質區(qū)、老黃河口泥質區(qū)、濟州島西南泥質區(qū)、長江口泥質區(qū)和浙閩沿岸泥質區(qū)(圖1)。普遍認為,浙閩沿岸泥質區(qū)主要是高水位期以來長江的物質在沿岸流作用下向南輸運沉積而成,浙閩沿岸小河流沉積物來源不可忽視,在南部,臺灣物質信號明顯;黃海近岸的細粒沉積主要來自鄰近的河流,北部來自黃河,西部來自黃河與長江,位于山東半島和朝鮮半島之間的北黃海泥質區(qū)還可能接受來自韓國河流的物源;除去河流物質外,黃海海床侵蝕的細粒物質、生物源和成巖化作用都可能對該區(qū)物源做貢獻。最近幾十年,科學家在高分辨率古環(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)沉積物冬季風以及夏季風信息提取逐漸增多,說明陸架區(qū)沉積物蘊含著豐富的古氣候演化信息。近兩千年是全球變化研究IGBPS計劃和全球氣候研究(WCRP)核心計劃“氣候變化及其預測”(CLIVAR)的一個共同的重要研究時段。這些研究計劃的主要目標之一是通過獲取高分辨率的地質記錄,重建過去氣候、環(huán)境和生態(tài)變化的重要事件,并努力查明它們的起因,以此提高對未來氣候環(huán)境變化的可預報性。中國東部海域高分辨率地質記錄和氣候環(huán)境變化代用指標的獲取已經成為最近十幾年來的研究特色。替代指標尋找是古氣候研究中最為關鍵的一環(huán),目前陸架泥質區(qū)古氣候研究中,敏感粒度指標使用最為廣泛,對此不同的學者有不同的認識。近期沉積記錄中古生態(tài)系統信息的提取,比如沉積物底棲生物群落變化、浮游植物結構變化、TEX86指標的使用,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)化進程與中國經濟發(fā)展的同時,給環(huán)境帶來不同程度的污染,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、東海泥質區(qū)引起廣泛關注。本文擬對黃、東海陸架不同泥質區(qū)的古氣候和古海洋環(huán)境研究現狀進行總結,指出目前古氣候研究中逐漸凸顯的科學問題,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,同時回顧工業(yè)革命以來人類活動在陸架沉積區(qū)的沉積響應。1記錄舊氣候的反應1.1區(qū)域熱價變化對區(qū)域東亞冬季風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區(qū)、濟州島西南泥質區(qū),南黃海沉積體有所涉及但資料較少。向榮等在濟州島西南泥質區(qū)利用沉積物敏感粒度作為東亞冬季風指標重建了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區(qū)重建了8ka來分辨率高達16a的東亞冬季風的演化歷史,揭示出東亞冬季風與太陽黑子變化之間存在千年、百年和十年尺度的周期對應關系。為了在短時間尺度上探索亞洲季風系統變化與全球氣候事件關系,有研究者利用東海內陸架泥質沉積巖心快速泥質沉積段做了700a的高分辨率敏感粒度組分和年代數據,對應分辨率為1~1.5a,指出中全新世以來浙閩泥質區(qū)的敏感粒度所指示的東亞冬季風與62、11a太陽活動周期和現代ENSO周期大致吻合。筆者把浙閩泥質區(qū)鉆孔的1.8a高分辨率敏感粒度變化與60年來實測1a分辨率的東亞冬季風強度的變化對比,發(fā)現二者對應良好(待刊)。在南黃海中部泥質區(qū),胡邦琦等利用沉積物粒度主因子重建了該區(qū)7.2ka東亞冬季風記錄,發(fā)現中全新世以來,東亞冬季風變化趨勢在千年尺度上與已報道的東亞夏季風強度變化趨勢基本一致,主要受控于軌道驅動的太陽輻射量冬、夏季季節(jié)性變化差異,并指出在百年尺度上東亞冬季風增強事件則與夏季風減弱事件相對應,呈現反相關系,推測可能是對太陽活動減弱的敏感響應。另外,沉積物端元模型、礦物比值與化學蝕變常數研究、來自濟州島西南泥質區(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代用指標的可靠性。與此不同,王可等對浙閩泥質區(qū)鉆孔研究發(fā)現,該區(qū)沉積物粒度與東亞冬季風變化之間并無直接對應關系,而沉積物沉積速率與代表東亞夏季風信息的董哥洞石筍生長速率有著一致的變化趨勢。Zheng等對同一鉆孔的磁學研究也證實了沉積物中蘊含著夏季風演化信息。來自長江口泥質區(qū)的研究指出,夏季風通過影響長江入海輸沙而對沉積物粒度起著重要影響。最近對北黃海泥質區(qū)的研究發(fā)現沉積物粒度、磁化率和元素比率與實測60年來黃河盆地年平均降雨之間對應良好,因此可以作為降雨和夏季風指標。筆者對南黃海中部泥區(qū)鉆孔的研究也發(fā)現,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變化之間存在良好對應關系,而與東亞冬季風之間并沒有明顯對應關系(待刊)。越來越多的研究表明,黃、東海地區(qū)沿岸流、暖流體系交匯,沉積過程不僅受到環(huán)流系統的影響,還與夏季風影響下河流入海物質有關。不同泥質區(qū)或者同一泥質區(qū)不同位置,動力條件不同,對全球氣候變化的響應機制可能有所不同,這將是中國東部陸架海沉積記錄與全球古氣候變化研究的新熱點。1.2劉春有對古海水和底層冷前人從冰后期海平面變化出發(fā),依據沉積物中有孔蟲組合變化規(guī)律和AMS14C年代學,對南黃海全新世環(huán)境進行了恢復,通過對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,認為8.47~6.63cal.kaBP期間黃海的海洋環(huán)境逐漸轉變?yōu)楦娱_放和高鹽;Kong等探討了黃海古海洋環(huán)境變化,劃分了海侵、河口灣和現代等幾個變化時段;Xiang等對南黃海鉆孔研究也得到了相似的關于8000年來海洋環(huán)境演化3個階段的結論: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現代陸架海。長鏈烯酮不飽和比值(U37K′)與海水表層溫度(SST)有很好的線性關系,并且不隨沉積物中有機物質的溶解作用和成巖作用而改變,其古溫度信息能經受長期的生物和化學作用的破壞,較完整地保存在海洋沉積物中。利用UK37在黃、東海陸架泥質區(qū)進行古環(huán)境重建,有良好的效果。濟州島西南海域存在一個中尺度冷渦,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、強度的變化和底層冷水的強弱都會對渦旋的動力特征和古海洋環(huán)境產生影響。Li等在濟州島西南泥質區(qū)利用U37K′方法獲得了表層海水古溫度變化,最高分辨率達8.7a,把3.6cal.kaBP以來的環(huán)境演化劃分為5個階段:Ⅰ期降溫階段,0.85cal.kaBP至今,冬季風較強,存在“小冰期”;Ⅱ期波動升溫階段,1.9~0.85cal.kaBP,存在隋唐溫暖期,響應的時間在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緩慢降溫到快速升溫的完整周期,降溫幅度達0.9℃;Ⅳ期相對平穩(wěn)略有升溫階段,3.2~2.55cal.kaBP,處于南極冰心記錄氣溫波動升溫期;Ⅴ期相對平穩(wěn)略有降溫階段,3.6~3.2cal.kaBP,對應南極冰心記錄的波動降溫階段。5個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基本上能夠同步調整。最近有學者利用U37K′和TEX86方法恢復表層海水和中層海水古溫度變化,對濟州島西南泥質區(qū)古環(huán)境進行重建,研究發(fā)現: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度變化趨勢接近,說明黑潮在此階段對該區(qū)有主要影響;2.5~1.45ka,表層海水溫度突然降低,認為可能與底層冷水團的增強以及東亞冬季風作用有關。南黃海中部泥質區(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州島西南泥質區(qū)可能有所不同。南黃海6.2cal.kaBP以來的表層海水古溫度記錄與黑潮強弱的變化相似,分辨率可達18a,對全球氣候變冷事件有良好響應。SST變化分為3個階段:2.3cal.kaBP以來較高且較穩(wěn)定;5.9~2.3cal.kaBP較低且波動大;6.2~5.9cal.kaBP較高。SST的波動具有1482a的周期,該周期在黑潮波動中以及格陵蘭冰心、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變化與黑潮的對應性及中國東部陸架海洋環(huán)境對全球海洋環(huán)境變化的響應。近期黃、東海海洋古生態(tài)系統變化的重建,同樣有助于了解古氣候和古海洋環(huán)境變化。研究認為濟州島附近地區(qū)晚全新世以來環(huán)境變化和生態(tài)系統變化主要受東亞冬季風、黃海暖流和黑潮變化的控制,另外在SST增強和古生產力提高期間,浮游植物群結構轉向以硅藻為主導。Al主要在黏土礦物中富集,可以作為沉積學特征的代用指標,Zhou等利用X射線熒光巖心掃描的方法進行沉積物柱狀樣的元素測試,發(fā)現黃海沉積物中Al含量與海洋自生有機碳含量相關性很好,說明在泥質區(qū)海洋有機碳受沉積環(huán)境的影響,因此Al含量變化可以作為海洋生產力的替代指標使用。海洋底棲生物群受鹽度和黃海暖流影響較大,也可以用來重建古海洋環(huán)境變化:早全新世11.2~10.1cal.kaBP,低海面時期的近岸環(huán)境;7.7~6.2cal.kaBP,對應于高海平面的形成;大約4cal.kaBP存在沉積間斷,可能與東亞季風引起的海洋動力改變有關。3cal.kaBP左右,該區(qū)明顯存在東亞冬季風增強引起的生產力的提高。這些研究豐富了人們對陸架區(qū)古海洋環(huán)境變化的認識,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濟活動的雙重影響。為科學區(qū)分氣候變化和人類活動對環(huán)境變化的影響,重建工業(yè)革命以來高分辨率的沉積記錄顯得日益重要。在東亞冬季風作用的地區(qū),河流水流量、輸沙量、海洋水動力和初級生產力隨季節(jié)有顯著變化,可能導致沉積紋層形成。與人類活動息息相關的長江口,其河口水下泥質區(qū)具有強烈的季節(jié)性沉積效應,冬季沉積作用弱,夏季沉積作用強,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,從而有利于我們理解和區(qū)分自然過程與人類活動對河口地區(qū)的影響。Fan等最近建立了近十年來高分辨率的沉積序列來區(qū)分長江三角洲的沉積年紋層,發(fā)現生物硅、粒徑和敏感粒度組分可以用作沉積年際變化的指標。近年來郭志剛等在中國東海不同地區(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),為人類活動對東海環(huán)境的影響提供了定量數據。圖2所示,2-3環(huán)多環(huán)芳烴來源于低溫燃燒(家庭和小作坊),5-6環(huán)多環(huán)芳烴來源于高溫熱解(大型鍋爐和油氣燃燒。濟州島西南泥質區(qū)多環(huán)芳烴反映從低溫燃燒到高溫燃燒的轉變(圖3),記錄了我國20世紀20年代開始從農業(yè)經濟到工業(yè)經濟的轉變過程。1937—1945年抗日戰(zhàn)爭,1946—1949年內戰(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)達國家顯著不同。圖4中,百年尺度鉛沉積通量在鄰近長江口東海內陸架的高分辨沉積記錄結果顯示鉛通量和鉛同位素組成變異與我國改革開放以后的經濟發(fā)展、含鉛汽油的大量使用有關,2000年含鉛汽油禁用有良好的響應和效果。而與歐美發(fā)達國家對比可以發(fā)現,中國的含鉛汽油禁用比發(fā)達國家晚20年左右。Dong等最近在長江口泥質區(qū)發(fā)現1990年后Pb含量增多。歐美國家不同沉積記錄中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、東海陸架同時受到海洋過程和人類活動的雙重影響,幾十年來研究成果揭示,其沉積記錄蘊含著豐富的古氣候和古海洋環(huán)境演化信息,對近代人類活動帶來的污染也有敏感的響應。(1)敏感粒度的平均粒徑是目前中國陸架泥質區(qū)進行古氣候研究的主要替代指標。東海陸架泥質區(qū)的古氣候研究率先開始,有一大批成果通過提取敏感粒度指標進行東亞冬季風重建,并討論了其與全球氣候變化之間的驅動和響應關系。但隨著不斷有研究者指出,陸架沉積物的粒度指標更多地代表東亞夏季風信息,這就提醒我們,陸架區(qū)古氣候研究目前并不系統,例如黃海泥質區(qū)的古季風演化文獻十分有限,而該區(qū)的環(huán)流體系與東海陸架環(huán)流體系截然不同,二者沉積記錄對全球氣候變化的響