日本海末次冰期以来沉积作用和环境演化及其控制要素

基于对日本海南部、中部和西部3个沉积岩芯的综合研究,探讨了末次冰期以来日本海不同区域的沉积作用、环境演化特征及其控制因素。结果发现：在距今8ka以前,日本海南部、中部和西部陆源碎屑物质分别由河流物质、西风携带的风尘物质和海冰输运的物质组成;8ka以来日本海西部沉积物中存在连续分布的火山物质,推测与利曼寒流形成有关,标志着现代日本海表层环流格局的形成。在末次冰期,日本海中部和南部因为水体层化较强,导致底层水通风较弱,而日本海西部则由于盐析作用,通风较强。在冰消期早期,随着海平面上升,东海北部高盐水团再次入侵日本海,改善了日本海深层水体通风条件,但在日本海西部因受到常年海冰覆盖的影响,沉积物氧含量显著减小;在冰消期晚期和早全新世,日本海南部深层水体通风减弱,而在日本海中部和西部通风较好;但8ka以来日本海通风普遍增强。日本海的沉积作用和环境演化受海平面、东亚季风(西风环流)和对马暖流控制,但不同海域对上述3个因子的响应程度存在差异。海平面变化是控制日本海环境变化的首要因子,它直接制约着日本海与周围水体的交换程度;东亚夏季风影响日本海表层水体层化,而东亚冬季风则控制着日本海西部海冰的形成和深层水体垂向对流;8ka以来对马暖流成为控制日本海环境演化的重要因子,它的入侵增强了表层和底层水体交换,提高了日本海深层水体和沉积物溶解氧的更新速率。     

日本海、鄂霍次克海和白令海的古海洋学研究进展

边缘海的存在使大陆和大洋之间的物质和能量交换变得相当复杂。在构造运动和海平面升降的控制下,边缘海和大洋之间时而连通时而隔绝,各种古气候变化信号都在一定程度上被放大。基于近期有关西北太平洋边缘海的古海洋学研究成果,简要概述了日本海、鄂霍次克海、白令海以及北太平洋地区自中新世以来的古气候和古海洋环境演化特征,并认为它们与全球其它地区一样也受控于因地球轨道参数变化引起的太阳辐射率的变化,大尺度的气候变化具有与地球轨道偏心率周期相对应的100ka周期,而41ka的小尺度周期则受地球自转轴斜率变化的控制。一些突发性的气候变化则是由气候不稳定性、海峡的关闭与开启和其它一些地球气候系统的非线性活动所驱动。但同时作为中高纬度边缘海,它们的古海平面、古海水温度、古洋流等古海洋环境因子的变化特征还受到冰盖扩张和退缩、构造运动、冰川性地壳均衡补偿、东亚季风等因素的影响,具有一定的区域特点。     

南海南部中上新世以来沉积有机碳与古生产力变化

对南海南部ODP1143站上部150m的1005个沉积物样品进行了有机碳分析,求取中上新世3．5Ma以来表层生产力长期的演化趋势和短期的变化规律。有机碳含量、有机碳堆积速率和输出生产力在2．85～1．58Ma和0．9～0Ma两个时期呈现相对高值,反映具较高的古生产力,推测分别与上新世晚期北极冰盖形成和“中更新世革命”之后北极冰盖扩大事件密切相关。与有孔虫δ^18O记录对比,有机碳含量、有机碳堆积速率和输出生产力都显示在冰期增加,间冰期降低,反映了冰期具较高的表层生产力。冰期时较高的沉积物堆积速率和C／N比值反映低海平面时期陆源营养物质供应增加,是造成冰期表层生产力高的重要原因。同时推测冰期时低氧含量的底层水有利于有机物质的保存。频谱分析揭示,中上新世以来有机碳含量变化复杂,说明其变化除主要受到地球轨道周期变化的驱动外,还受到陆源物输入等其他因素的影响;而有机碳堆积速率和输出生产力主要受地球轨道周期变化的驱动。     

日本海古海洋环境的演化

基于近年来有关日本海的古海洋古环境研究成果，总结概述了日本海中新世以来的古气候和古海洋环境演化特征。日本海作为西北太平洋一个主要的边缘海，在全球气候变化过程中起着重要的作用。它的古气候古环境演化，与全球其他地区一样受控于地球轨道参数的变化，同时也发育一些由气候的不稳定性、海峡的开合与其他一些地球气候系统的非线性活动所驱动的突发性快速气候变化事件。日本海的古海平面、古海水温度、古洋流等因子的变化还受到冰盖扩张和退缩、构造运动、冰川性地壳均衡补偿、东亚季风等因素的影响，具有鲜明的区域特点。总体说来，目前对日本海的研究程度还不高，对它在全球气候变化中的作用过程、驱动和响应机制的了解还很有限，需要进一步深入研究。     

白令海北部陆坡23 ka以来古生产力变化及其对海冰扩张的响应

本文基于白令海北部陆坡ARC6-B11岩心的沉积物粒度、颜色反射率、有机碳/氮含量和高分辨率化学元素XRF扫描数据,结合底栖和浮游有孔虫AMS14C测年资料,重建了研究区23 ka以来至中全新世的沉积记录,重点研究了海冰的扩张变化对生产力和沉积物输入的影响。研究结果显示,末次盛冰期白令海北部陆坡受到海冰南向扩张的影响而生产力较低,沉积物中砂粒级和冰筏碎屑（IRD）含量较高。HS 1时期由于受到常年冰的覆盖,沉积物中砂粒级和IRD含量存在低值,沉积物中较高的总有机碳（TOC）含量受陆源有机质的影响较大,异常的TOC含量峰值主要受到低海平面和海冰形成过程产生的富氧水团控制下的高浓度细粒物质携带的陆源有机质的快速沉积作用的影响,难以作为反映白令海古生产力的替代指标。B/A暖期和全新世生产力较高,在B/A暖期存在Ca/Ti峰值现象,Ca/Ti峰值现象的产生与碳酸盐补偿深度增加有关,水体通风条件的改变可能起到一定的作用,也不能忽视颗石藻对其产生的潜在影响。     

48ka以来日本海Ulleung海盆南部的海洋沉积环境演化

晚第四纪以来伴随底层水含氧量的剧烈变化,浅色和深色沉积层的交替出现是日本海半远洋沉积物的主要特征。沉积特征分析表明,日本海Ulleung海盆南部KCES1孔的沉积物具有四种不同的沉积构造:均质、纹层、纹层状和混杂构造。深色沉积层一般具有纹层和纹层状构造,并且与我国内陆的千年尺度东亚夏季风强弱变化记录有很好的对应关系,表明纹层沉积物也具有千年尺度的变化规律,从而进一步说明了冰川性海平面变化和东亚夏季风波动应该是Ulleung海盆南部底层水溶解氧含量变化的主要原因。在暖期,在东亚夏季风降水相对增强的影响下,低温、低盐的东海沿岸水对日本海表层水体的贡献要大于对马暖流的贡献,日本海水体间的交换减弱,最终造成缺氧的海底沉积环境。在冷期,夏季风强度的减弱(冬季风增强)加快了日本海西北部深层水的生成,Ulleung海盆南部的底层水含氧量高,相应地沉积了具均质构造的浅色沉积物;在末次盛冰期最低海平面时,日本海成为一个封闭的海盆,降雨量高于蒸发量,水体出现分层,底层水处于停滞缺氧状态。自距今17.5 ka(日历年,下同)以来底层水含氧量较高,对马暖流逐渐成为影响日本海海洋沉积环境的主要因素。Ulleung海盆南部底层水的含氧量在YD期间有一定程度的降低,东海沿岸水的短暂强盛制约了深层水的流通。自距今10.5 ka以来对马暖流强盛,日本海海底处于富氧的沉积环境。     

南海若干古生产力替代指标探讨

沉积记录中的古环境信息,是经过各种复杂的生物地球化学过程改造后的信号,因而是不完整的,有些甚至可能是被歪曲的。通过表层沉积有机碳、生物硅和色素对上层海洋的响应,对南海古生产力替代指标的可靠性及其影响因素作出初步评估。尽管南海海洋生产力较低,生源通量以小颗粒为主(沉降速率慢),侧向漂移明显,且不易形成低氧条件,使有机碳的保存效率比较低,影响了沉积有机碳作为古生产力替代指标的可靠性,但南海表层沉积有机碳含量在大的时空尺度上仍然能反映上升流高生产力区状况,说明沉积记录(几十至几百年时间尺度)对小尺度(自季至年)上的"细节"差异可以进行"平滑"。总的来说,沉积有机碳是比较好的古生产力指标,但对于寡营养、生物群落结构时空变化大、碳酸盐溶解和陆源稀释影响明显的南海,将绿素和生物硅含量作为古生产力替代指标时应该更加慎重。     

南极罗斯海氧化还原敏感元素沉积地球化学特征及其古海洋意义

大洋深部氧化还原环境与深部水体流通状况以及表层水体生产力密切相关。表层生产力与深部流通性变化影响着有机碳-呼吸CO2的转化及其在海洋-大气中的转移,最终与大气CO2分压(pCO2)变化密切相关。故探明大洋深部氧化还原环境的变化对于解决大气pCO2冰期旋回机制具有重要意义。本次研究以中国第31和32次南极科考获得的南极罗斯海柱状岩心ANT31-R23及表层样为研究材料。通过元素钙、钛,以及氧化还原敏感元素(RSE)锰、钼、镍、钴、镉的测试分析,以表层样中RSE与Ti的比值作为判断ANT31-R23孔中相应RSE富集程度的背景值。结果显示,Mn在沉积期均表现出富集,表明罗斯海深部在该孔沉积期为氧化环境。根据Mn在不同层位出现的富集峰识别出4次强氧化脉冲事件,可能由南大洋底层水流通性增强和/或生产力降低导致。4次氧化脉冲事件层位中Mo、Ni、Co的明显富集,是由于锰(氢)氧化物对其捕获或吸附所致。此外,推测分析认为罗斯海对冰期大气pCO2降低似乎没有明显贡献,但很可能对冰消期大气pCO2迅速升高起重要作用。然而这些有关南极罗斯海深部氧化还原环境与大气pCO2变化之间关联的推测,有待后续该孔精确年代模式的构建,方可进一步验证。     

长江口外缺氧区柱样沉积物元素的分布及其百年沉积环境效应

在210Pb定年的基础上,对取自长江口外缺氧区内外的柱样沉积物开展了10种常量元素、13种微量元素和粒度的测定分析,研究了其物源及分布特征。结果表明,缺氧区外柱样沉积物主要来源于老黄河口海岸泥沙,大部分元素具有"粒度控制"规律。缺氧区内沉积物主要来源于夏季长江陆源的输入和海洋自生生物死亡后的沉降,部分氧化还原敏感元素(RSE)和亲生物元素不受控于"粒控效应",其中Mo、Cd、As等氧化还原敏感元素自20世纪70年代以来明显富集,分别增加了83%、73%和50%,而Mn出现贫化,指示了缺氧区水体富营养化加剧和底层水体季节性缺氧,引起底层水-沉积物界面氧化还原环境变化;亲生物元素Ca、Sr、P含量自20世纪70年代起分别增加了129%、65%和38%,反映了受化肥使用等人类活动影响,近40年来长江口外水体生产力提高和生物量增加。     

巢湖栖霞组碳酸盐烃源岩元素地球化学特征及其意义

以下扬子巢湖地区茨苔山二叠系栖霞组碳酸盐地层为研究对象,开展元素地球化学检测,探讨古生产力和保存条件与烃源岩发育间的关系。结果表明:Ba、TN对生物有机质作用响应明显,可作为栖霞组灰岩地层古生产力的替代指标,V/(V+Ni)缺氧指标适用于栖霞组灰岩地层,指示栖霞组整体缺氧的沉积特征,两类参数均显示相对海平面升降变化对沉积水体生产力水平和缺氧程度有控制作用;栖霞组碳酸盐烃源岩的形成是低等藻类生产力水平以及保存条件(缺氧的沉积环境)良好匹配的结果,在生产力水平和缺氧程度整体最高的本部灰岩下段地层中烃源岩最发育。     

Depositional environment in the southern Ulleung Basin, East Sea (Sea of Japan), during the last 48 000 years

The present study is based on the sedimentological data from a piston core KCES1 off the southern Ulleung Basin margin, the East Sea (Sea of Japan). The data include sediment color (L^*), X-ray radiographs, grain size distribution and AMS¹⁴C date. Four kinds of sediments (homogeneous, laminated, crudely laminated and hybrid sediments) are identified according to the characters of the sedimentary structures that were considered to reflect changes in bottom-water oxygenation. Alternations of dark laminated/crudely laminated sediments and light homogeneous sediments represent millennial-scale variations that are possibly associated with the high-resolution changes in the East Asian monsoon (EAM). The relative contributions of the East China Sea Coastal Water (ECSCW) and the Tsushima Warm Current (TWC) were likely the main reasons for the repetition of the anoxic and oxic depositional conditions in the East Sea since the last 48 ka BP. During the interstadial, the strengthen summer EAM was attributed to the expansion of the ECSCW because of more humid climate in central Asia, and then more strongly low-salinity, nutrient-enriched water was introduced into the East Sea. The ventilation of deep water was restricted and therefore the dark laminated layer deposited under the anoxic bottom water condition. During the lowest stand of sea level in the last glacial maximum (LGM), the isolated East Sea dominated by stratiˉed water masses and the euxinic depositional environment formed. The homogenous sediments have been predominating since 17.5 ka BP indicating that the TWC has intruded into the East Sea gradually with the stepwise rise of sea level and the bottom water oxygen level was high. During the late Younger Dryas (YD) period, the last dark laminated layer deposited because the ventilation of bottom water was restricted by stronger summer EAM. The TWC strengthened and the bottom water became oxic again from 10.5 ka BP.     

南海南部近50万年来沉积物特点及古环境意义

对南海南部MD05-2897孔沉积物的分析显示,该孔涵盖氧同位素1~12期,底界年龄约为50万年。碳酸钙含量曲线形态基本与底栖有孔虫氧同位素曲线平行,即碳酸钙高值对应氧同位素轻值,呈现典型的大西洋型碳酸钙分布模式。碳酸钙含量在冰消期的高值出现及含量变化均领先于氧同位素,证明低纬海区"碳酸钙泵"对大气二氧化碳浓度和温度的作用。粒度分析显示,3~5 μm组分含量曲线的变化与氧同位素曲线基本平行,说明它主要受海平面升降变化控制,可作为海平面变化的间接指标。而1.5~2.5 μm粒级颗粒主要通过河流的悬浮搬运,直接受亚洲夏季风及其所带来降雨的影响,可间接反映夏季风的强弱变化。南海南部深海沉积中的季风记录具有0.1 Ma偏心率周期,40 ka斜率周期,20 ka岁差和10 ka半岁差周期等丰富的频谱,显示出低纬度海区气候变化对轨道周期的良好响应。     

南海南部第四纪表层海水古生产力变化的钙质超微化石证据

深海沉积中的钙质超微化石是古海洋表层生产力的替代性标志之一。通过对南海南部ODP1143站第四纪沉积中超微化石分析，从绝对丰度和堆积速率、Florisphaera profunda百分含量及碳同位素三个方面探讨了该区第四纪表层海水古生产力的变化特征。结果显示，1．56Ma以来南海南部表层海水古生产力呈现两种不同时间尺度的变化。一是随冰期－间冰期旋回而变化，间冰期时，表层海水生产力高，而冰期时则降低；另一种则是大约40万年的长周期变化，自1．56Ma以来，可以分成四个大的旋回，每个旋回内表层海水古生产力又经历了从低到高再到低的变化。     

末次冰消期以来苏拉威西海颗石藻化石记录与古海洋变化

通过对苏拉威西海MD98-2178柱状样(3.62°N、118.70°E)颗石藻化石属种相对含量的统计,重建了2万年来海水古生产力、营养跃层的变化。其中Emiliania huxleyi、Gephyrocapsa oceanica、Florisphaera profunda占颗石藻群落的80%~90%。由于G.oceanica与F.profunda存在于两种完全不同的生态环境中,两者的变化趋势完全相反。前者代表高生产力以及高营养物质的海水,后者则代表低生产力与较深的营养跃层。推测冰消期颗石藻对环境变化具有两种响应模式:以约13.5 ka的生产力峰值期为界,13.5 ka之前颗石藻古生产力变化主要响应于径流对海洋营养物质的输入,而13.5 ka之后则主要响应于海水-大气之间水循环的强度。全新世F.produnda含量及其所反映的营养跃层变化具有明显的百年尺度波动,与太阳活动的100~260 a周期具有良好的相关性。推测全新世苏拉威西海区营养跃层变化受百年尺度的类似厄尔尼诺-南方涛动(El Nino-Southern Osillation,ENSO)的变化及太阳活动的驱动。     

3.4万年以来南极斯科舍海古生产力演变及其环境制约

本文通过对南极斯科舍海东南部DC-11岩芯生物硅、有机氮、TFe₂O₃与有机氮同位素的年代学分析,重建了该海区3.4万年以来古生产力与环境演变历史。研究结果表明,生物硅、有机氮含量与南极温度变化基本一致,暖期高、冷期低;有机氮同位素值与南大洋海冰变化相吻合,暖期小、冷期大,冷期硝酸盐利用率大于暖期。从末次冰期、末次冰消期至全新世,研究区古生产力与环境变化显著,南极冷倒转等千年尺度的变化明显;海冰在气候、营养盐与古生产力之间起着重要的关联作用。冰期或冷期海冰的加强导致表层水层化加强,深层水及其营养盐的上涌减弱,表层海洋硝酸盐等相对匮乏,生产力降低。研究区现代与全新世铁供应充足,在风尘盛行的末次冰期和冰消期呈过剩状态,明显不同于亚南极。     

末次盛冰期以来冲绳海槽中部沉积物有机碳和磷的地球化学研究

利用元素及同位素地球化学方法研究了冲绳海槽中部沉积物岩芯中有机碳及磷的地球化学特征及影响因素。结果表明,冲绳海槽沉积速率(16.5～32.5 cm/ka)变化小,不是沉积物中有机碳埋藏的重要影响因素。相对于全新世氧化性底水环境,末次盛冰期/冰消期冲绳海槽缺氧底水环境提高了沉积物对有机碳的埋藏效率。冲绳海槽沉积物中各形态磷的相对含量与其他边缘海沉积物中的相似。交换态磷(Ex-P)含量低、变化小。末次盛冰期/冰消期缺氧底水环境下铁氧化物的还原溶解导致铁结合磷(Fe-P)释放以及自生磷矿物(Au-P)的形成。全新世氧化性底水条件有利于铁氧化物的有效再生及对磷的再吸附,但不利于Au-P的保存。总有机碳(TOC)和有机磷(Org-P)之间良好的相关性表明TOC埋藏对Org-P含量的重要控制作用。冲绳海槽沉积物中碎屑磷(De-P)含量低于长江口及东海陆架沉积物中的含量,这与陆源碎屑向外海传输减弱有关。在约9.3kaBP(岩芯200cm深度),TOC、Fe-P、Org-P、De-P以及FeHR均出现的极小值可能由物质坡移造成。     

Dissolved uranium in the Baltic Sea

Filtered water from the Baltic Sea was analysed for uranium concentration and ²³⁴U/²³⁸U activity ratio with alpha-ray spectrometry. The uranium concentration shows a strong correlation to salinity, the correlation coefficient being close to 0.98. Consequently, the uranium concentration increases from 0.15 μg kg⁻¹ in the northern part, dominated by fresh water, to above 1.0 μg kg⁻¹ in the Belt Sea. However, the data also show that dissolved uranium is not strictly conservative in the Baltic. In deeper intermittently anoxic basins of the Baltic Proper, the element is removed from the water phase and incorporated into the sediment. This is most evident in the Gotland Deep, which has been anoxic below 200 m depth since 1979.     

广西钦州湾晚全新世红树林演变及对海平面变化的响应

Mangroves, widely distributed along the coasts of tropical China, are influenced by Asia monsoon, relative sea level change and enhanced human activity. To predict the impacts of future climate change on mangrove ecosystems, it can be understood by reconstructing past mangrove dynamics using proxies preserved in coastal sediments. In this study, we quantitatively partitioned buried organic matter(OM) sources, collected from a vulnerable mangrove swamp in the Qinzhou Bay of northwestern South China Sea, using a ternary end-member mixing model of δ~(13)C and C:N values. Mangrove-derived OM(MOM) contribution was used as a tracer for mangrove development since 2.34 cal ka BP. This information, together with paleoclimate records(i.e.,speleothem δ~(18)O values, sea level change, grain size parameters) and human activity, was used to divide mangrove development into three stages during the late Holocene: relative flourish(2.34–1.13 cal ka BP), relative degradation(1.13–0.15 cal ka BP) and further degradation(0.15–0 cal ka BP). Before 1.13 cal ka BP, mangroves flourished with a high MOM contribution((88.9±10.6)%), corresponding to stable and high sea level under a warm and humid climate. After 1.13 cal ka BP, rapid fall in relative sea level coupled with the strengthening of the Asian winter monsoon, resulted in mangrove degradation and MOM reduction((62.4±18.9)%). Compared with air temperature and precipitation, the relative sea level fall was the main controlling factor in mangrove development before entering the Anthropocene(the time of the Industrial Revolution). After ～150 cal a BP, reclamation of mangrove swamps to shrimp ponds is the main factor causing mangrove degradation and MOM reduction.     

中全新世以来南黄海岩心记录的沉积环境演变对东亚季风的响应

对南黄海中部泥质沉积区中心位置的Z1钻孔进行了AMS14C年龄、粒度和TOC/TN分析,综合指标结果揭示了中晚全新世以来南黄海区域的沉积环境演化。自6 094 a BP以来,沉积速率、平均粒径和TOC/TN整体趋势的减少指示,研究区陆源物质输入的减少与东亚冬/夏季风的减弱有关。根据粒度参数和TOC/TN变化将研究区沉积环境演化分成3个阶段:①6.1~5.4 ka BP时沉积物粒度最粗,TOC/TN值较高,这与该阶段东亚冬季风的强盛且稳定和黄海暖流的形成初期较弱有关;②5.4~3.9 ka BP时沉积物粒度减小但波动幅度较大,TOC/TN值呈减小趋势,此阶段东亚冬季风减弱但波动剧烈;③3.9~0 ka BP时沉积物粒度较细且相对稳定,TOC/TN增加直至趋于稳定,该阶段冬季风减至最弱且趋于稳定。另外岩心记录的6.0、5.3、4.6、4.0和3.4 ka BP沉积物粒度明显较粗、TOC/TN值较大与东亚冬季风增强、海区温度较低有关;6.1~5.7 ka BP的高速沉积与冬季风强盛有关;2.8~1.9 ka BP的高速沉积则与黄海沿岸流和黄海暖流共同作用形成的南黄海中部气旋式冷涡的加强稳固有关。