白令海IODP U1340井位粘土矿物组合特征及其古气候意义.pdf

中国科学 地球科学 2015 年 第 45 卷 第 4 期 468 480 中文引用格式 张强, 陈木宏, 刘建国, 等. 2015. 白令海 IODP U1340 井位粘土矿物组合特征及其古气候意义. 中国科学 地球科学, 45 468–480 英文引用格式 Zhang Q, Chen M H, Liu J G, et al. 2015. Clay mineral assemblages at IODP Site U1340 in the Bering Sea and their paleoclimatic significance. Science China Earth Sciences, 58 707–717, doi 10.1007/s11430-014-5049-3 中国科学杂志社 SCIENCE CHINA PRESS 论 文 白令海 IODP U1340 井位粘土矿物组合特征 及其古气候意义 张强 ①②*, 陈木宏①, 刘建国①, YU ZhaoJie③, 张兰兰①, 向荣① ① 中国科学院南海海洋研究所中国科学院边缘海地质重点实验室, 广州 510301; ② 中国科学院大学地球科学学院, 北京 100049; ③ Marine Geochemistry and Sedimentology Laboratory of IDES, University of Paris XI, Orsay Cedex 91405, France * E-mail zhangqiang210 收稿日期 2014-04-10; 接受日期 2014-12-17; 网络版发表日期 2015-04-01 国家自然科学基金项目批准号 41476037, 41076026, 41276051, 91228207、国家重点基础研究发展计划项目编号 2013CB956102和中 国综合大洋钻探计划资助 摘要 主要对白令海南部 IODP U1340 井位上新世以来4.3 Ma的粘土矿物组合和结晶学 特征进行了分析, 探讨了研究井位中粘土矿物的物质来源及其记录的古气候变化历史. 结果 表明, U1340 井位中的粘土矿物组合以伊利石占绝对优势平均含量为 70, 蒙脱石和绿泥石 次之平均含量分别为17和10, 高岭石含量很低平均含量3. 研究井位中粘土矿物组合 及其物源区主要受气候特征的影响, 在温暖气候时期如 9.21 ka 以来主要来自邻近的阿留申 岛弧, 蒙脱石含量较高; 而冷气候时期如 2.741.07 Ma主要源自阿拉斯加大陆, 伊利石和绿 泥石含量升高. 利用蒙脱石/伊利石绿泥石比值及伊利石和蒙脱石的结晶学特征较好地揭示 了白令海南部的古气候变化历史 白令海南部在 4.33.94 Ma 以暖湿气候为主, 3.943.6 Ma 则 主要受到干冷气候的控制, 同时阿留申岛弧火山作用在这一时期加强; 此后逐渐向冷湿气候 转变, 至2.74 Ma受北半球冰川作用的影响气候再次呈现干冷的特征; 1.95 Ma开始逐渐向冷湿 气候过渡, 经历 1.070.8 Ma 中更新世气候转型之后, 白令海南部主要受控于冷湿气候, 但在 0.42 MaMIS 11, 0.33 MaMIS 9及0.12 MaMIS 5, 气候相对温暖, 化学风化作用加强; 9.21 ka 全新世以来白令海南部以相对的暖湿气候为主. 关键词 白令海 1340井位 粘土矿物 结晶学特征 古气候 白令海是太平洋北缘的半封闭边缘海, 面积 2.29106 km2, 仅次于地中海和南海, 是世界上第三 大边缘海Hood, 1983. 作为亚北极区大陆物质剥蚀 的主要沉积区, 其海底的沉积物灵敏地记录了北半 球地史时期的古气候及古海洋环境变化等信息 Takahashi, 1998, 1999; 同时, 由于其特殊的地理位 置、高生产力特性和有效的生物泵作用, 使得该海区 在全球气候变化中起着重要的作用, 是重建亚北极 区不同时间尺度气候变化的关键区域Takahashi, 2005. 因此, 详细了解白令海区域性的古气候和古 海洋环境变化特征对于更好地揭示亚北极区的古海 洋演变过程及其对全球变化的影响和响应具有重要 中国科学 地球科学 2015 年 第 45 卷 第 4 期 469 的科学价值和意义Takahashi等, 2011. 利用2009年IODP323航次在白令海钻探取芯所 获得的样品, 相关学者已从微体古生物学、沉积物粒 度及岩相学以及地球化学等方面对白令海上新世以 来的古海洋环境变化进行了探索, 并初步揭示了白 令海上新世以来的沉积速率与古生产力特征Aiello 和Ravelo, 2012; Mrz等, 2013, 海冰扩张消退中的古 环境演变Teraishi等, 2013, 垂直水团结构变化 Zhang等, 2014以及白令海与北太平洋之间表层和 深层水团的交换历史及其对地史时期全球气候变化 的响应Chen等, 2014; Onodera等, 2013; Mrz等, 2013. 但是对白令海海区及周边大陆长时间尺度的 区域气候特征及其演变历史尚未展开系统的研究和 报道. 粘土矿物是深海沉积物中的重要组分, 其组合 特征与物源区气候演变有着密切的关系如 Singer, 1984; Chamley, 1989; 刘志飞等, 2004, 2007; Liu等, 2012; Liu等, 2013, 在气候变化和陆源剥蚀显著的高 纬度地区北大西洋、南极等已成为了区域古气候和 古海洋环境重建的有效工具如 Chamley和Diester- Haass, 1979; Ehrmann, 1998; Franke 和 Ehrmann, 2010. 然而, 迄今为止利用粘土矿物学手段系统地 开展白令海海区长时间尺度古气候和古海洋学研究 的成果依然空缺. 本文将对白令海IODP U1340井位 沉积物中粘土矿物组合及含量变化进行详细分析, 揭示白令海南部上新世以来的粘土矿物特征及其所 记录的古气候演变历史, 为更好地理解白令海古海 洋环境演化提供粘土矿物学的依据. 1 材料与方法 本文所研究的IODP323航次U1340井位位于 白令海鲍尔斯海脊南端的东侧, 5324.0008′N, 17931.2973′W图1, 水深1295 m. 该井位钻取A, B 图图 1 白令海白令海 U1340 井位位置及环流图井位位置及环流图 绿色线代表末次盛冰期海平面下降 120130 m 时的海岸线Hopkins, 1973; Bintanja 等, 2005, 环流图依据 Stabeno 等1994、Coachman 等 1999和 Takahashi2005 张强等 白令海 IODP U1340 井位粘土矿物组合特征及其古气候意义 470 和C共3个孔, 其中A孔钻取的岩芯长度最大, 约604 m. 由于各孔的取样深度, 取芯率及取样质量之间存 在差异, 因此最后的连续岩芯取样资料由各孔的岩 芯通过层位对比组合而成, 以此获取的合成柱样长 度为604.5 m. 该井位沉积物主要由硅藻软泥和硅藻 粉砂层组成, 少数层位含火山物质及陆源硅质碎屑 Takahashi等, 2011. 本文对整个岩芯柱的粘土矿物 分析, 在井深015 m层段以1.5 m间隔取样, 在井深 15 m以下的取样间隔为6 m, 共分析粘土矿物样品 120个. 粘土矿物分析方法是采取沉降法提取2 μm的 粘土颗粒Wan等, 2006, 2007; 万世明等, 2008, 制成 定向样后, 在中国科学院广州能源研究所进行X射线 衍射XRD分析. XRD分析使用X’Pert Pro MPD多晶 X射线衍射仪, CuKα辐射, 管压40 kV, 管流40 mA, 分别对自然条件、 乙二醇蒸气饱和及加热条件550℃, 2 h的样品薄片进行测试, 扫描角度3302θ, 步长 0.008. 粘土矿物的鉴定和解释主要依据3种测试条 件下获得的XRD叠加图谱的综合对比Moore和 Reynolds, 1997. 粘土矿物相对含量主要为001晶面 衍射峰的面积比, 实际计算在中国科学院海洋研究 所使用Topas2p软件在乙二醇曲线上进行. 其中, 蒙 脱石和伊利石相对含量分别用17衍射峰面积1和 10衍射峰面积4表示; 高岭石和绿泥石相对含量之 和为7峰强的面积2, 再利用3.57和3.54峰面积 的比值即可换算出样品中高岭石和绿泥石各自的相 对含量Biscaye, 1965. 粘土矿物结晶度是用来衡量粘土矿物晶格有 序度及晶体颗粒大小的有效指标Biscaye, 1965; Ehrmann, 1998. 蒙脱石和绿泥石的结晶度分别用乙 二醇曲线上蒙脱石17和伊利石10的积分宽度 IBIntegral Breadth表示Petschikc等, 1996; Ehrmann, 1998, 其中积分宽度IB目标衍射峰面积/衍射峰最 大强度值. 伊利石的化学指数CIChemical Index是 指示伊利石风化程度的一个重要参数, 用乙二醇曲 线上5/10衍射峰面积的比值表示. 该比值小于0.4 为富Fe-Mg伊利石黑云母类, 表明伊利石风化程度 低, 是物理风化作用的结果; 比值大于0.4为富Al伊 利石白云母类, 是强水解作用的结果Ehrmann, 1998; Liu等, 2003; Wan等, 2006. 因此, 伊利石化学 指数一定程度上可以指示物源区的风化类型及气候 变化Ehrmann, 1998; Liu等, 2003; Wan等, 2006. 2 地层年龄框架的修订 Takahashi等2011在白令海323航次的初步报告 中给出了U1340位中的若干个微体古生物和古地磁 事件的地层年龄和井深数据. 但由于航次中分析的 样品分辨率较低, 各生物事件和古地磁事件的井深 位置和地层年龄均存在一定的误差. 张强等2014对 U1340井位的放射虫生物地层进行了研究, 并依据该 井位详细的放射虫数据, 结合古地磁、硅藻和硅鞭藻 地层事件年龄的综合分析结果初步确定了该井位的 地层年龄框架底界年龄为4.15 Ma. 在其给定年龄 控制点的数据中, 自上而下的第7个数据2.9 Ma/ 312.05 m采用了放射虫Phormostichoartus fistula 末现面2.84.4 Ma/314.4 m和Phormostichoartus pitomorphus首现面2.153.63 Ma/309.7 m地层年龄 和井深的平均值. 然而, 由于这两个放射虫事件在亚 北极区的区域性差异明显, 地层年龄变化范围较大, 在白令海区的井位中并非理想的地层年龄标志种, 所以, 在本文修订后的地层年龄框架图2中将舍去 该年龄控制点. 同时, 由于硅鞭藻Ebriopsis antiqua antiqua末现面在亚北极区地层年龄值比较稳定 2.472.48 MaLing, 1992, 且该事件在U1340井位 图图 2 U1340 井位的地层年龄框架井位的地层年龄框架 中国科学 地球科学 2015 年 第 45 卷 第 4 期 471 井深305.5 m处也有发育Takahashi等, 2011, 因此, 修订后的地层年龄框架中将利用该生物地层事件的 数据作为新的年龄控制点2.475 Ma/305.5 m. 研究井位中各井深的地层年龄均通过在新的地 层年龄框架图2中相邻年龄控制点之间采用线性内 插的方法获得, 并以此得到U1340井位的底界年龄约 为4.3 Ma, 地质时代为早上新世晚期Zanclean晚期. 3 结果 U1340井位沉积物中小于2 μm的粘土矿物, 伊利 石平均含量70为优势组分, 蒙脱石平均含量 17和绿泥石平均含量10次之, 高岭石平均含 量3为低含量组分图3. 整个井位中蒙脱石和伊利 石相对含量变化呈此消彼长的镜像关系, 而绿泥石 和伊利石含量变化近于一致. 其中, 蒙脱石与伊利石 的相对含量分别在3.6, 2.74和1.07 Ma发生了3次相对 较显著的变化， 以此可以将研究井位粘土矿物的演化 过程划分为4个阶段，其中阶段Ⅰ和阶段Ⅲ可分为两 个亚阶段Ⅰa,Ⅰb以及Ⅲa和Ⅲb, 阶段Ⅳ可分为3个亚 阶段Ⅳa, Ⅳb和Ⅳc图3. 阶段Ⅰa4.33.94 Ma, 蒙 脱石含量相对较高, 平均为22, 且含量变化波动幅 度较小; 阶段Ⅰb3.943.6 Ma, 蒙脱石含量呈现明 显的高值平均含量为36, 伊利石含量显著降低. 阶段Ⅱ3.62.74 Ma蒙脱石含量降低平均含量为 9, 且波动幅度大, 伊利石含量升高. 阶段Ⅲ2.74 1.07 Ma整体上蒙脱石含量很低平均含量为4, 伊 利石含量极高平均含量为80, 且两者含量相对稳 定, 至阶段Ⅲb1.951.07 Ma, 蒙脱石含量小幅度增 加平均含量为8. 阶段Ⅳ1.07 Ma以来, 蒙脱石含 量逐渐增加平均含量为24, 伊利含量降低, 两者的 含量在阶段Ⅳa1.070.8 Ma波动幅度大; 阶段Ⅳb, 图图 3 粘土矿物组合特征及其阶段变化粘土矿物组合特征及其阶段变化 张强等 白令海 IODP U1340 井位粘土矿物组合特征及其古气候意义 472 在0.42, 0.33以及0.12 Ma蒙脱石含量曲线出现明 显的峰值, 分别为49, 41和40; 阶段Ⅳc 9.21 ka 以来, 蒙脱石含量进一步升高平均含量达到48, 伊利石平均含量降至36, 这与阿留申岛弧近岸表层 沉积物的粘土矿物组成特征蒙脱石43, 伊利石 30比较接近Naidu等, 1995. U1340井位中, 伊利石结晶度指数IB2θ相对 稳定, 变化范围0.230.79, 平均为0.52; 蒙脱石结 晶度指数IB2θ的变化范围很大, 为0.143.78, 平均为1.15. 结晶度指数IB与矿物结晶程度成反比, IB越大, 结晶程度越差, 反之越好. 依据IB指数的大 小, Ehrmann1998给出伊利石和蒙脱石结晶度的分 类, 伊利石 结晶程度极好0.8; 蒙 脱石 结晶程度好2.0. 依据这一分类, U1340井位中伊利石 的结晶度在2.59 Ma阶段Ⅲa早期之前整体上在极好 至中等之间波动变化, 此后以结晶度好的特征为主 图4. 相比之下, 伊利石的结晶度整体上在2.59 Ma 之后更新世 相对较高, 这一特征与赤道太平洋海 区上新世至更新世伊利石结晶度的变化特征比较一 致Jacobs和Hays, 1972; 蒙脱石的结晶度, 在阶段Ⅳ 之前以结晶度中等至结晶度差为主, 此后则以结晶 度好至结晶度中等为主图4. 伊利石的化学指数CI 变化范围为0.081.2, 平均0.24, 表明伊利石富 Fe-Mg, 主要产于物理风化作用盛行的环境, 仅在 4.34.05 Ma阶段Ⅰa以及3.14, 2.99, 2.77, 0.42, 0.33和0.12 Ma出现相对较明显的峰值图4, 图图 4 U1340 井位蒙脱石井位蒙脱石/伊利石伊利石绿泥石绿泥石比值、蒙脱石和伊利石结晶学特征变化曲线与放射虫累积速率以及全球底栖有孔 虫氧同位素合成曲线 比值、蒙脱石和伊利石结晶学特征变化曲线与放射虫累积速率以及全球底栖有孔 虫氧同位素合成曲线 LR04 对比图对比图 放射虫累积速率曲线据 Zhang 等2014; 全球底栖有孔虫氧同位素合成曲线 LR04 据 Lisiecki 和 Raymo2005 中国科学 地球科学 2015 年 第 45 卷 第 4 期 473 暗示着这些时期间歇性的强烈水解作用. 4 讨论 4.1 U1340 井位粘土矿物的物源分析 了解沉积物中各粘土矿物可能的物源供给区及 其搬运方式是利用它们进行古气候解释的前提基础 Diekmann等, 1996; Gingele等, 1998; Ehrmann, 1998; Liu等, 2003; 刘志飞等, 2007. 本文对U1340井位粘 土矿物潜在物源区的分析主要根据其周边大陆主要 河流供给的粘土矿物成分和白令海表层粘土矿物分 布情况来确定. 紧邻白令海海盆区的陆块主要包括南面的阿留 申岛弧, 西北面的西伯利亚以及东部阿拉斯加大陆 图1, 它们是白令海沉积物中粘土矿物的主要潜在 物源区. 阿留申岛弧火山活动非常发育, 其岩石组成 以晚新生代的火成岩为主, 现代土壤粘土矿物组成 中蒙脱石占主导, 平均含量大于63Ping等, 1988, Underwood和Hathon, 1989; Naidu等, 1995. 白令海 海盆表层粘土矿物分布主要受到陆源供给的控制 Naidu等, 1995, 因此, 邻近阿留申岛弧的表层沉积 物中, 蒙脱石含量较高, 平均含量达43, 随距离的 增大, 蒙脱石含量逐渐降低Gardner等, 1980; Naidu 等, 1995. 西伯利亚对白令海的物源贡献主要来自其 东南面的科尔亚克山脉及源自西伯利亚内陆的阿纳 德尔河Anadyr River, 两者的粘土矿物组成均以伊 利石和绿泥石为主, 蒙脱石含量较低. 其中, 紧邻科 尔亚克山脉的白令海表层粘土矿物组分中, 伊利石 平均含量为48, 绿泥石约31, 蒙脱石为12 Naidu等, 1995; 阿纳德尔河河口沉积区伊利石平均 含量约44, 绿泥石为28, 蒙脱石低于18Naidu 等, 1995. 阿拉斯加大陆的粘土矿物组成与西伯利亚 陆源供给区相似, 以伊利石和绿泥石为主. 在其主要 河流中, 育空河对白令海现代表层沉积物的贡献量 最大年均径流量约为1960108 m3, 悬浮沉积物年均 输送量约65106 t, 其次为库斯科科温河年均径流 量约为300108 m3, 悬浮沉积物年均输送量约8106 t Roden, 1967; VanLaningham等, 2009. 两者的伊利 石含量分别为41和60, 绿泥石分别为26和35 Naidu和Mowatt, 1983; Mowatt和Naidu, 1987. 此外, 育空河的粘土矿物组分中高岭石含量相对较高, 约 为12, 它是白令海沉积物中高岭石的重要来源 Naidu等, 1995. 由于粘土矿物能搬运上千公里的距 离, 阿拉斯加大陆向南注入阿拉斯加湾的河流所携 带的粘土颗粒也可能通过阿拉斯加流影响到白令海 南部沉积物中粘土矿物的组成. 但是, Underwood等 1989在研究阿留申岛弧南部粘土矿物的分布特征 时发现阿拉斯加湾粘土矿物向西的输送主要依靠底 层流, 且向西能影响到的最远区域为180W, 而该底 层流主要通过最西端的勘察加海峡56N, 164E进 入白令海Coachman等, 1999, 因此, 可忽略阿拉斯 加湾的粘土组分对白令海海盆区沉积物的影响. 白令海U1340井位粘土矿物组合与上述3个主要 潜在物源区及近岸表层样品的对比, 显示出该井位 粘土矿物的多物源供给和呈现阶段性变化的特征图 5. 研究井位的样品整体上处于伊利石、 绿泥石阿拉 斯加大陆及西伯利亚和蒙脱石之间阿留申岛弧. 其中, 阶段Ⅰ的样品在以伊利石、绿泥石为主的西伯 利亚和以蒙脱石为主的阿留申岛弧之间呈线性排列, 至阶段Ⅰb样品更接近蒙脱石源区; 阶段Ⅱ的样品位 于以伊利石和绿石物为主的库斯科科温河阿拉斯加 大陆和科尔亚克山脉西伯利亚大陆物源区之间, 向蒙脱石源区的阿留申岛弧略偏; 阶段Ⅲa的样品更 集中于伊利石和绿石物为主的库斯科科温河物源区, 有少数样品位于高岭石相对丰富的育空河物源区, 阶段Ⅲb的样品分布整体上与阶段Ⅱ一致, 但也有少 数样品位于育空河物源区; 阶段Ⅳa的样品主要分布 于富伊利石和绿泥石的阿尔亚克山脉和阿纳德尔河 物源区之间; 阶段Ⅳb部分样偏向于育空河, 但整体 在阿纳德尔河和阿留申岛弧之间呈现线性排列, 并 逐渐偏向蒙脱石富集的阿留申岛弧物源区; 阶段Ⅳc 的样品较明显地偏向于蒙脱石为主的阿留申岛弧. 一般而言, 构造活动与气候变化均能造成粘土 矿物物源供给区及组合特征的变化Ehrmann, 1998; Liu等, 2003; Wan等, 2010. 尽管自新生代早期南部 库拉板块Kula Plate向白令海洋壳斜向俯冲终止以 来, 受地壳均衡调整的影响, 白令海及周边陆缘经历 了断层活动、 火山作用和大型海底峡谷形成等强烈的 构造活动Scholl等, 1968, 1975, 但整体上其构造演 化过程在中新世晚期已基本趋于稳定Chekhovich等, 1999, 而上新世至第四纪的白令海及周边大陆尚未 报道明显的构造活动记录. 因此, 本文认为, U1340 张强等 白令海 IODP U1340 井位粘土矿物组合特征及其古气候意义 474 图图 5 U1340 井位的粘土矿物组合与邻近潜在源区井位的粘土矿物组合与邻近潜在源区阿留申岛弧、阿拉斯加和西伯利亚大陆阿留申岛弧、阿拉斯加和西伯利亚大陆河流样品及近岸表层沉积物中粘 土矿物含量对比的三角端元图 河流样品及近岸表层沉积物中粘 土矿物含量对比的三角端元图 不同颜色的阴影代表各物源供给区粘土矿物组合的变化范围. 阿留申岛弧近岸的粘土矿物资料依据 Ping 等1988、Underwood 和 Hathon 1989和 Naidu 等1995, 科尔亚克山脉近岸及阿纳德尔河河口的资料依据 Naidu 等1995, 育空河及库斯科科温河的资料依据 Naidu 和 Mowatt1983以及 Mowatt 和 Naidu1987 井位粘土矿物组合的来源及阶段性变化可能主要与 该海区的气候变化有关. 由于蒙脱石主要是中、基性 火 山 物 质 化 学 风 化 作 用 的 产 物 Chamley, 1989; Ehrmann等, 2005, 在全新世气候温暖时期阶段 Ⅳc, 较强的化学风化作用有利于阿留申岛弧蒙脱石 的形成, 可以为研究井位提供丰富的蒙脱石组分. 同 时, 这一时期较高的海平面Hopkins, 1973; Bintanja 等, 2005使得东部阿拉斯加大陆的陆源物质一方面 受到宽广640 km而平缓0.25的陆架区的阻隔, 另一方面受到发育于陆架区的北向沿岸流的影响, 难以搬运到外陆架或是更远的海盆区Gardner等, 1980. 这一时期阿拉斯加大陆的物质主要沉积于白 令海内陆架Naidu等, 1983, 同时也有部分河流如 育空河物质随沿岸流向北搬运到白令海峡以北的楚 克奇海McManus等, 1974; Mowatt和Naidu, 1987. 由 于阿留申岛弧以北发育流速较大的北向潮流1.54 m s1Pearson等, 1981, 该时期U1340井位的陆源粘 土组分可能主要来自南部潮流作用下的阿留申岛弧 蒙脱石平均含量大于60和海盆区逆时针表层环流 作用下的西伯利亚大陆伊利石绿泥石平均含量约 72. 尽管研究井位中全新世以来阶段Ⅳc的样品 结果显示粘土矿物组分中蒙脱石平均含量为48与 伊利石绿泥石平均含量为46含量均较高, 但蒙 脱石含量略占主导, 这表明该时期阿留申岛弧对 U1340井位所在海区沉积物的贡献比例大于西伯利 亚大陆. 这可能与西伯利亚阿纳德尔河以及科尔亚 克山脉的陆源物质向南的搬运距离较远, 同时又受 到逆向东北向深层流Coachman等, 1999图1的影 响有关. 在气候寒冷的末次盛冰期阶段Ⅳb末期, 寒冷气候条件下阿留申岛弧源区化学风化作用减弱, 蒙脱石含量降低, 这将导致研究井位中蒙脱石含量 一定程度地减少. 此外, 这一时期表层水体循环与现 代表层水体循环模式相似Kent等, 1971; Sancetta和 Robinson, 1983. 尽 管 这 一 时 期 海 平 面 下 降 约 120130 mHopkins, 1973; Bintanja等, 2005, 使得白 令海北部的阿纳德尔河对白令海海盆区沉积物的贡 献比例增大, 但由于这些物质向南的搬运距离相比 于全新世高海平面时期并无明显缩减, 该时期西伯 利亚的大陆物质对U1340井位沉积物的贡献量无显 著变化. 而白令海东部陆架区由于海平面的下降大 面积出露图1, 育空河和库斯科科温河的河道下切 越过普利比洛夫岛Pribilof Island, 河口向西南方向 迁移近500 km至外陆架边缘Scholl等, 1970; Knebel 和Creager, 1973, 大大缩减了阿拉斯加大陆物质向 海盆区的搬运距离, 从而有利于以伊利石为主的阿 拉斯加大陆粘土物质越过宽广的陆架直接向白令海 中国科学 地球科学 2015 年 第 45 卷 第 4 期 475 海盆区输送, 极大地增加了阿拉斯加陆源物质对研 究井位所在区沉积物的贡献比例, 致使这一时期阶 段Ⅳb末期白令海南部粘土矿物组合中蒙脱石含量 因受到伊利石和绿泥石的稀释而进一步降低平均 28, 伊利石和绿泥石含量相对升高平均66. Sancetta等1985对白令海东南海盆区短柱样粘土组 分的分析结果也显示, 全新世暖期沉积物中粘土矿 物组分以蒙脱石为主平均为52, 伊利石含量较低 平均含量约20, 而末次盛冰期伊利石占主导平均 约45, 蒙脱石含量降低平均含量约22. 不难理解, 地史时期白令海不同程度的气候冷 暖变化也将造成U1340井位粘土矿物来源及组合特 征的相应变化. 气候温暖时期, U1340井位所在的海 域以来自南部阿留申岛弧的蒙脱石组分为主, 阿拉 斯加大陆的陆源物质由于受到陆架区的阻隔, 对研 究井位粘土矿物组合特征的影响甚微, 因此, 粘土矿 物组合中蒙脱石相对含量及蒙脱石/伊利石绿泥石 比值升高; 在气候寒冷时期, 来自阿拉斯加大陆河流 搬运的伊利石和绿泥石将显著增加, 蒙脱石相对含 量及蒙脱石/伊利石绿泥石比值降低. 因此, 研究 井位中蒙脱石/伊利石绿泥石比值可以作为白令海 及周边大陆气候变化的矿物学标志. 4.2 U1340 井位的粘土矿物组合与气候变化 为了重建白令海周边物源区的气候演变历史, 本文综合利用U1340井位粘土矿物组合及结晶学特 征的变化进行分析. 一般来说, 海洋沉积序列中的粘 土矿物组分中, 伊利石和绿泥石为初始矿物, 主要由 陆源碎屑提供, 是岩石物理风化作用的典型产物. 它 在现代高纬度大陆土壤和海洋沉积物中大量富集, 反映相对干冷的气候条件Singer, 1984; Chamley, 1989; Ehrmann, 1998; Ehrmann等, 2005; Franke和 Ehrmann, 2010. 由于U1340井位中绿泥石和伊利石 具有较一致的变化模式, 且均指示物理风化作用较 强的冷气候条件Singer, 1984; Ehrmann等, 2005; Franke和Ehrmann, 2010, 因此, 本文将伊利石和绿 泥石作为整体进行分析. 伊利石结晶度IB和化学指 数CI是气候变化的灵敏指标, 可反映气候环境的短 期变化 高温和大量降雨可导致伊利石的强水解, 使 结晶度变低, CI值升高; 而在低温干燥条件下, 伊利 石的结晶度较高, CI值减小Gingle, 1996. 蒙脱石形 成于干湿交替、季节变化明显的气候背景, 与水解作 用的强度密切相关Singer, 1984; Chamley, 1989; Ehrmann, 1998; Ehrmann等, 2005; Franke和Ehrmann, 2010, 其来源主要为出露在大气中的火山物质的化 学风化和海底基性火山物质的蚀变. 一般而言, 火山 物质经陆地化学风化形成的蒙脱石结晶度较高, 而 经海底蚀变形成的蒙脱石结晶度较差Ehrmann, 1998; Jeong等, 2004. 高岭石是炎热气候条件的指示 矿物, 一般富集于热带亚热带的低纬度地区Singer, 1984; Chamley, 1989; Ehrmann, 1998, 而晚新生代高 纬度海区高岭石的出现常被认为是富高岭石的古土 壤或粘土层经物理风化作用后再次搬运沉积的结果, 因而晚新生代高纬度海区相对高含量的高岭石沉积 实际反映相对寒冷的气候条件Naidu等, 1982; Singer, 1984; Ehrmann, 1998; Ehrmann等, 2005. 白令 海海盆区沉积物中的高岭石主要是来自低海平面时 期的育空河Sancetta等, 1985. 总体上, U1340井位以 伊利石绿泥石和蒙脱石矿物为主, 两者的结晶学特 征及蒙脱石/伊利石绿泥石比值呈现较明显的阶段 性变化图4, 其中, 蒙脱石/伊利石绿泥石比值与 该井位中放射虫累积速率变化曲线Zhang等, 2014 有着较好的对应关系, 这表明两者可能共同记录了 白令海上新世以来的古气候变化历史. 阶段Ⅰ4.33.6 Ma, 这一时期蒙脱石/伊利石 绿泥石比值变化较大, 且总体上呈现相对较高的值 图4. 其中, 阶段Ⅰa蒙脱石/伊利石绿泥石比值 波动幅度较小, 变化范围为0.20.39; 同时, 物源分 析结果显示该时期研究井位粘土矿物主要来自西伯 利亚大陆和阿留申岛弧, 受到阿拉斯加大陆物质影 响较小图5, 因此, 整体反映该阶段为相对的气候 温暖时期. 同时, 伊利石较高的化学指数平均为0.8 与蒙脱石极好的结晶度平均IB为0.7图4表明这一 时期粘土矿物源区的西伯利亚大陆和阿留申岛弧陆 源物质经受了一定程度的化学风化作用, 该时期白 令海南部主要受相对暖湿气候的控制. 此外, 这一时 期白令海U1340井位海冰硅藻不发育Takahashi等, 2011、 放射虫累积速率Zhang等, 2014和放射虫暖水 种Spongodiscus biconcavus Haeckel均呈现相对较高 的值, 这些均揭示了该时期白令海温暖的气候特征 Chen等, 2014, 这与全球底栖有孔虫氧同位素合成 曲线LR04Lisiecki和Raymo, 2005 所反映的该时期 张强等 白令海 IODP U1340 井位粘土矿物组合特征及其古气候意义 476 全球温暖的气候背景较一致. 阶段Ⅰb3.943.6 Ma, 蒙脱石/伊利石绿泥石比值显著升高, 为0.471.28, 表明这一时期阿留申岛弧对U1340井位的物源贡献 比例增大. 但由于该时期伊利石化学指数降低平均 为0.32, 结晶度升高IB平均为0.34图4, 因此该时 期白令海周边大陆为可能为以物理风化作用占主导 的干冷气候为主. 与此同时, U1340井位中放射虫累 积速率减少, 放射虫冷水种Zhang等, 2014 及海冰 硅藻百分含量增加Takahishi等, 2011, 这些变化也 表明该时期U1340井位所在白令海南部海冰开始发 育, 气候逐渐变冷. 尽管这一时期阿留申岛弧物源供 给的增加为U1340井位带来了大量的蒙脱石相对含 量为3155, 但这一时期的蒙脱石结晶度很低IB 平均值为2.4图4. 蒙脱石矿物的结晶度受其成因影 响较大, 一般而言, 出露空气中的基性火山物质经化 学风化作用形成的蒙脱石结晶度高, 而经海底风化 或蚀变而成的蒙脱石结晶度较差Ehrmann, 1998; Jeong等, 2004. 因此, 该时期蒙脱石的结晶学特征 可能暗示着阿留申岛弧火山作用强烈, 大量的火山 物质被搬运到白令海南部, 而后蚀变生成大量结晶 度较差的蒙脱石. 此外, 该井位同时期的沉积物火山 玻璃增加, 磁化率升高Takahashi等, 2011, 这些特 征可能均表明该时期阿留申岛弧火山作用加强. 阶段Ⅱ3.62.74 Ma, 库斯科科温河为研究井位 的主要物源供给区图5, 蒙脱石/伊利石绿泥石比 值较低, 为00.25, 暗示着该时期气候相对较冷. 伊 利石结晶度为好至中等, 化学指数值较低图4, 这 些特征也指示了气候逐渐转冷, 但蒙脱石相对较好 的结晶度表明这一时期白令海南部的阿留申岛弧依 然经受微弱的水解作用, 因此, 整体上这一时期的气 候呈现相对寒冷湿润的特征. 现代阿留申岛弧以北 的白令海及其沿海地区主要受极地海洋气候的控制, 终年降水量相对较小平均510 cm a1; 而阿留申岛 弧则受极地海洋气候和阿拉斯加暖流的共同影响, 相比同纬度的大陆地区, 其降水量平均3050 cm a1相对比较丰富Naidu等, 1995. 这种冷湿的气 候特征可能与这一时期阿拉斯加暖流的活动Chen 等, 2014为该区域带了丰富的降水有关. 此外, 蒙脱 石/伊利石绿泥石比值分别在3.14, 2.99和2.77 Ma出现较小的峰值, 且同时期蒙脱石的结晶度相对 较好图4, 这些特征表明该阶段白令海南部可能存 在间歇性的暖湿气候. 阶段Ⅲ2.741.07 Ma, 阿拉斯加大陆的育空河 和库斯科科温河是研究井位的主要物源供给区, 蒙 脱石/伊利石绿泥石比值很低平均为0.04, 表明 该阶段整体为气候寒冷时期. 该时期伊利石结晶度 好, 化学指数低且较稳定, 蒙脱石的结晶度整体较低 图4, 这些特征反映了该时期阿拉斯加大陆和白令 海南部均以物理风化作用盛行的干冷气候为主. 这 与U1340井位放射虫累积速率及特征种Spongodiscus biconcavus 丰度值的变化Chen等, 2013、海冰硅藻 含量Takahashi等, 2011以及全球底栖有孔虫δ18O比 值Lisiecki和Raymo, 2005所揭示的该时期受北半球 冰川作用的影响Raymo, 1994; Maslin等, 1996全球 变冷的气候背景比较一致. 其中, 蒙脱石/伊利石 绿泥石比值在阶段Ⅲb 1.951.07 Ma小幅度上升 平均为0.1, 且蒙脱石以中等结晶度为主, 可能表明 这一时期存在较弱的化学风化作用, 白令海南部逐 渐向冷湿气候转变. 阶段Ⅳ1.07 Ma以来, 蒙脱石/伊利石绿泥石 比值总体升高, 并发生频繁的波动变化, 可能暗示着 该时期白令海及周边大陆气候的转变, 这与开始于 1.2 Ma的中更新世气候转型如 Pisias和Moore, 1981; Mudelsee和Schulz, 1997; Clark等, 2006有着良 好的对应关系. 阶段Ⅳa1.070.8 Ma, 蒙脱石/伊利 石绿泥石比值