近二十三年東亞冬季風(fēng)變化的沉積物粒度分析

近二十三年東亞冬季風(fēng)變化的沉積物粒度分析

2000年是全球變化研究項(xiàng)目的igbp-pgs計(jì)劃和全球氣候研究計(jì)劃（wrcp）的中心計(jì)劃“氣候變化及其預(yù)測”（clivar）的一個(gè)重要研究周期。該研究計(jì)劃的主要目標(biāo)之一是獲得高分辨率的地質(zhì)數(shù)據(jù)，重建環(huán)境、環(huán)境和生態(tài)變化的重要事件，并確定它們的原因，以提高對未來氣候環(huán)境變化的估計(jì)。在這些項(xiàng)目中，獲得高分辨率地質(zhì)數(shù)據(jù)和太陽-環(huán)境變化指標(biāo)是實(shí)現(xiàn)計(jì)劃目標(biāo)的主要條件。目前，中國2000年前以來的氣候環(huán)境變化主要通過高分辨率的陸地記錄來獲得的，如樹木、冰心、土壤、碎屑和編年史等。沉積物粒度資料曾廣泛用于物質(zhì)運(yùn)動方式的判別和沉積環(huán)境類型的識別,然而在海洋中受多種物源和復(fù)雜的沉積動力過程所限,利用全樣沉積物粒度很難對古環(huán)境進(jìn)行深入研究.近年來,通過對粒度分析的樣品進(jìn)行前處理以及對粒度資料進(jìn)行各種數(shù)學(xué)處理,提取出對沉積環(huán)境變化敏感的粒度組分或者端元組分,據(jù)此重建地質(zhì)歷史時(shí)期的古氣候、古環(huán)境已經(jīng)取得了一系列的研究成果1泥質(zhì)區(qū)巖芯特征本研究所用樣品系中國海洋大學(xué)“東方紅2號”考察船于2003年9月執(zhí)行“東海陸架水交換調(diào)查航次”時(shí)所取的振動柱狀樣.B2孔(125°45′E,31°45′N)位于東海陸架濟(jì)州島西南泥質(zhì)區(qū)內(nèi)(圖1),水深64m,柱長4.03m,整個(gè)巖芯以青灰色粘土質(zhì)粉砂為主,在3.27～3.47m處為一明顯的砂質(zhì)粉砂層(圖2).柱狀樣按2cm的間距進(jìn)行樣品分割,全柱共獲取樣品201個(gè).對所有樣品進(jìn)行了粒度分析.由于該區(qū)沉積物生源組分(主要為有孔蟲)含量很低,正常沉積物中>63μm組分(有孔蟲的主要分布粒級)的平均含量只有約0.3%,并且泥質(zhì)區(qū)的主要物源之一?黃河源物質(zhì)中含有較多的細(xì)粒碳酸鹽顆粒2粒度組分含量及粒度組分分布沉積物粒度的頻率分布曲線直觀地反映了其所包含的粒度組分.從圖2可以看出,B2孔3.27m以上為均一的青灰色粘土質(zhì)粉砂,無明顯的沉積間斷,該段沉積物的粒度頻率分布曲線基本類似,以一明顯的單峰為主(圖3(a)),反映了比較穩(wěn)定的沉積動力環(huán)境.3.27～3.47m處為一砂質(zhì)粉砂層,磁化率記錄明顯比該孔其他層位要高,從沉積物粒度頻率分布曲線上可以看出有明顯的粗、細(xì)兩個(gè)峰(圖3(a)),我們推測該層可能屬風(fēng)暴沉積或與其類似的災(zāi)害性事件沉積,對于其成因有待于進(jìn)一步深入研究.3.47～3.91m間雖然巖性同為黏土質(zhì)粉砂,與3.27m以上層位一致,但是仍然含有相對較多的砂,同時(shí)位于3.47～3.49m的AMS本文主要對3.27m以上的沉積物粒度數(shù)據(jù)進(jìn)行了粒度組分分析,該段沉積物為穩(wěn)定的渦旋區(qū)沉積物,保存了連續(xù)的沉積記錄.根據(jù)AMS依據(jù)沉積物所包含的粒度組分的含量和分布范圍,追索沉積物輸運(yùn)過程和沉積環(huán)境變化已經(jīng)在阿拉伯海和中國南海得到了成功應(yīng)用圖3(b)顯示了利用粒級-標(biāo)準(zhǔn)偏差變化得出的B2孔的4個(gè)粒度組分,圖中較高標(biāo)準(zhǔn)偏差值所對應(yīng)的粒級即對沉積環(huán)境變化敏感的粒度眾數(shù).4個(gè)明顯的標(biāo)準(zhǔn)偏差峰值分別出現(xiàn)在0.8,5.1,21.9和522μm.根據(jù)有孔蟲沖樣分析得知組分4主要為底棲有孔蟲組分,而>63μm的組分平均含量才0.3%,B2孔粒度分析結(jié)果同樣表明<65.6μm組分平均含量達(dá)99.7%,因此我們只考慮<65.6μm以下組分粒度反映的環(huán)境變化,而不考慮組分4的影響.3個(gè)主要粒度組分分布范圍分別為65.6～10.5,10.5～1.3和<1.3μm(圖3(b)),據(jù)此計(jì)算了各粒度組分的粒級含量和平均粒徑.從圖4可以看出,組分1和組分2的粒級含量有非常明顯的波動變化,幾乎呈相反的變化趨勢(圖4(a)),而平均粒徑隨孔深的變化只顯示組分1有與粒級含量相似的變化(圖4(b)),組分2和組分3的平均粒徑無明顯變化,表明組分2的粒級含量變化主要是由組分1的含量變化而引起的,因此我們認(rèn)為組分1是B2孔的環(huán)境敏感粒度組分.組分1的粒度含量波動范圍為21.2%～30.0%,平均含量25.0%,平均粒徑波動范圍為15.6～17.8μm,平均16.6μm(圖5).3東亞冬季風(fēng)的變化對濟(jì)州島西南泥質(zhì)區(qū)的研究表明,該區(qū)是東海細(xì)顆粒物質(zhì)的“匯”從圖5可知,B2孔組分1的粒級含量和平均粒徑變化趨勢非常相似,反映的近2300a以來的東亞冬季風(fēng)強(qiáng)弱變化可以劃分為4個(gè)階段:1900aBP(50AD)以前和1450～780aBP(500～1170AD)這兩個(gè)階段東亞冬季風(fēng)相對較弱,與氣候變化的暖期相對應(yīng);1900～1450aBP(50～500AD)和780～219aBP(1170～1731AD)兩個(gè)階段為東亞冬季風(fēng)強(qiáng)盛期,與氣候變化的冷期對應(yīng),后者對應(yīng)于小冰期3.11冬季風(fēng)對紅原和金川的影響該階段B2孔組分1的粒級含量和平均粒徑值相對較低,都在平均值以下波動,反映了相對較弱的冬季風(fēng),對應(yīng)于氣候變化的溫暖階段.這一溫暖階段在其他氣候記錄中均有廣泛反映.紅原和金川泥炭纖維素δ3.21冬季風(fēng)比前一階段該期間B2孔兩個(gè)粒度指標(biāo)基本上都在平均值以上波動,粒度粗組分明顯增加,表明了冬季風(fēng)比前一階段明顯增強(qiáng),對應(yīng)于氣候變化的冷期.這種變化與根據(jù)歷史文獻(xiàn)記錄得出氣候變化有很好的一致性,在年代上與魏晉南北朝冷期大致相當(dāng)在中國其他一些地區(qū)的氣候變化序列中,并沒有記錄到該冷期的出現(xiàn).紅原和金川泥炭纖維素δ3.31暖期氣候特征在歷史文獻(xiàn)記錄中,這是過去2300a持續(xù)時(shí)間較長的一個(gè)溫暖時(shí)期,“隋唐溫暖期”和“中世紀(jì)暖期”都出現(xiàn)在這一階段1450～1222aBP(500～728AD)為第一個(gè)溫暖期,B2孔粒級含量和平均粒徑值相對較低,指示弱的冬季風(fēng)和溫暖的氣候環(huán)境.中國歷史氣候年表和北京石花洞石筍記錄同樣表明該時(shí)期氣候溫暖在1222～1125aBP(728～825AD)期間,B2孔粒度指標(biāo)反映了這一時(shí)期冬季風(fēng)明顯增強(qiáng),氣候寒冷程度堪與小冰期相比.在歷史記錄中,這一時(shí)期對應(yīng)于隋唐時(shí)期中的冷期1125～780aBP(825～1170AD)期間為第二個(gè)溫暖期,粒級含量和平均粒徑值指示了這一溫暖期內(nèi)冬季風(fēng)有明顯的高頻波動.吳宏歧把950～1050AD(1000～900aBP)劃分為隋唐時(shí)期的第二溫暖期3.47東亞冬季風(fēng)組的組分含量該階段B2孔的粒度指標(biāo)明顯變粗,粗組分含量為全孔最高(圖5).表明了這是最近2300a東亞冬季風(fēng)最強(qiáng)盛的一個(gè)階段,在年代上與小冰期大體相當(dāng)3.5“隋唐暖期”的區(qū)域差異B2孔記錄的東亞冬季風(fēng)強(qiáng)弱變化與中國東部歷史記錄反映的氣候冷暖變化有很好的一致性,然而與格陵蘭冰芯、中國西部和青藏高原的冰芯、樹輪、泥炭等記錄相比卻存在明顯的差異(圖5),如1450～1222aBP的“隋唐溫暖期”在中國東部地區(qū)表現(xiàn)明顯4氣候突變事件的探討對過去古氣候環(huán)境的研究發(fā)現(xiàn)在地質(zhì)歷史時(shí)期存在明顯的百年甚至十年尺度的氣候環(huán)境突變事件這些突變證據(jù)在陸地、海洋、冰芯中都有記錄,以往許多研究認(rèn)為這些突變事件主要發(fā)生在冰期或冰消期階段B2孔的粒度指標(biāo)記錄了2300aBP以來兩次明顯的氣候冷暖波動旋回,其中有兩次明顯的階段性的氣候由暖轉(zhuǎn)冷突變事件.前者發(fā)生在1900aBP(50AD),后者則發(fā)生在780aBP(1170AD)前后,與中國利用歷史文獻(xiàn)等記錄發(fā)現(xiàn)的氣候突變有很好的一致性5尚需進(jìn)一步研究的問題濟(jì)州島西南泥質(zhì)區(qū)B2孔的環(huán)境敏感粒度組分反映了近2300a來東亞冬季風(fēng)的高分辨率的演化歷史表明了泥質(zhì)區(qū)環(huán)境敏感粒度組分是獲取高分辨率氣候環(huán)境變化記錄的良好指標(biāo).本文的認(rèn)識僅僅是一個(gè)開始,還需要更多的后續(xù)研究來支持和驗(yàn)證.我們的經(jīng)驗(yàn)表明,在利用該指標(biāo)對陸架泥質(zhì)區(qū)的高分辨率地質(zhì)記錄進(jìn)行古環(huán)境研究時(shí),首先必須充分了解泥質(zhì)區(qū)的物質(zhì)來源及其形成時(shí)的水動力條件,而且物源和水動力條