2018, Vol. 42
文章信息
- 王越奇, 宋金明, 袁华茂, 李学刚, 李宁, 段丽琴. 2018.
- WANG Yue-qi, SONG Jin-ming, YUAN Hua-mao, LI Xue-gang, LI Ning, DUAN Li-qin. 2018.
- 西北太平洋黑潮源区沉积特征及黑潮输入对东海沉积物的影响
- Sedimentary characteristics of the Kuroshio origination area and the influence of the Kuroshio intrusion on sediments of the East China Sea
- 海洋科学, 42(9): 112-126
- Marina Sciences, 42(9): 112-126.
- http://dx.doi.org/10.11759/hykx20180129001
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文章历史
- 收稿日期：2018-01-29
- 修回日期：2018-03-23
2. 中国科学院大学, 北京 100049;
3. 青岛海洋科学与技术国家实验室海洋生态与环境科学功能实验室, 山东 青岛 266237
2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China;
3. Laboratory of Marine Ecology and Environmental Sciences, Qingdao National Laboratory for Marine Science and Technology, Qingdao 266237, China
海洋沉积物记录了大陆隆升剥蚀、气候变化和生物演化等重要信息, 能为这些作用提供有效的指标。而物源和动力是认识海洋沉积物分布的两把钥匙, 物源是海陆相互作用和气候变化的物质表现, 动力则是沉积物搬运路径的基础[1]。黑潮是北赤道流在12°~14°N的北向分支, 南邻西太暖池, 北接中国东海, 在巴士海峡处有一分支流入南海, 因此黑潮的变化不仅可以反映西太平洋暖池的强弱变化, 也对南海、东海黑潮等的动力环境有显著影响。北赤道流作为黑潮的源头其强弱位移变化直接决定了黑潮的变化, 以往的研究大多忽视了北赤道流在黑潮起源上的重要作用, 因此本文将北赤道流域作为黑潮源区的一部分重点讨论。根据海流和地质背景划分为3个沉积区:北赤道流区(1区)、吕宋岛以东海区(2区)和台湾东部黑潮主干区(3区), 深入研究各区沉积特征有助于揭示整个黑潮流域的演化和气候变化等重要信息[2-4]。黑潮源区所处的西菲律宾海地形构造背景复杂, 近年来大量研究针对西菲律宾海沉积物进行了物质来源的探讨, 取得了一系列重要认识, 这充分证明了研究该区域沉积物的重要性[5-8]。本文在总结源区黑潮沉积特征和物源结论的基础上, 探讨了黑潮输入对东海陆架沉积物的影响。
1 黑潮源区的环境特征本文重点关注的3个沉积区, 如图 1所示。研究表明, 源区黑潮的流量受北赤道流分岔位置季节和年际变化的影响[9], 而黑潮通过在吕宋岛北部的巴士海峡分支以及台湾东部黑潮主干的北上对南海、东海的动力过程产生了深刻影响, 因此离开任何一部分的探讨都不能充分认识黑潮。
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| 图 1 研究海域主要海流及地形示意图 Fig. 1 Main currents and submarine topography map in the research area |
北赤道流(NEC)是位于赤道以北8°~20°N的一支自东向西稳定流动的浅层流[10], 在抵达菲律宾岛附近12°~14°N时受海底地形阻隔发生分岔, 北向分支即黑潮, 南向分支为棉兰老流[11]。
从图 1可以看出, 北赤道流自东向西流过西菲律宾海盆南部, 西菲律宾海盆是菲律宾板块的一个弧后盆地, 经历了从早新世到早渐新世的盆地扩张过程[12], 周围为海岭和海沟所环绕[13], 至135°E附近为九州伯劳海岭, 全长约2 750 km, 宽达90 km, 呈现南北走向的链状山脊[14]。西菲律宾海盆相比东海大陆架来说有复杂的海底地形地貌, 相比冲绳海槽区有更大的海域面积。海盆西边界是菲律宾海沟, 长达1 400 km, 宽约60 km, 一般深度达9 000 m, 最大深度10 479 m[15], 而海沟以西的菲律宾群岛共有7 100多个岛屿, 火山、地震频发。北赤道流的动力作用、海底火山地震等活动、菲律宾群岛的河流输入以及海沟的阻隔等都会影响该海域的沉积物分布。
1.2 吕宋岛以东海区黑潮在吕宋岛东部北上流至20°N附近时海流深度可达1 000 m, 再往北方向几乎不变, 深度可达2 000 m[11], 在巴士海峡处有一支西向支流进入中国南海, 该分支在流速和流量上存在季节性和年际性变化[3]。此外, 北太平洋深层水(NPDW)沿台湾东部海岸南下时在巴士海峡处(深2 500 m左右)有一部分向西流入中国南海, 并带入了台湾东南部黏土矿物, 而NPDW的另一部分则继续南下形成吕宋潜流(LUC), 因此该区域的动力条件非常复杂[16-17]。
吕宋岛火山活动较为发育, 海底东部为本哈姆高原, 呈近东西方向的椭圆分布, 基底为拉斑玄武岩。本哈姆高原以东为西菲律宾海的中央断裂带, 呈NWW-SEE方向延伸的条形狭窄地带, 最大水深7 000 m, 是西菲律宾海盆扩张轴的产物[15]。截止目前, 对于西菲律宾海沉积物的研究多为钻孔研究[5, 7, 17-19], 对于区域性表层沉积物的研究较少, 多集中在吕宋岛以东黑潮源区[6, 12-13], 研究表层沉积物对揭示西太平洋边缘海盆的现代沉积作用具有重要意义。事实上关于黑潮流域沉积物的研究存在较多争议的原因之一是对黑潮源区沉积物的研究不够[2]。
1.3 台湾东部黑潮主干区台湾东部流域是黑潮流径的主干部分之一, 在台湾岛以东21°45′~23°45′N之间的黑潮主轴宽约112~167 km左右, 主轴离岸约60~100k m, 大致与台湾东岸的岸线平行, 呈NNE方向, 平均流量为2.1×108~3.3×108 m3/s, 冬、夏流径都比较稳定。台湾东北部黑潮与陆架水强烈的相互作用使得该区环流情况较为复杂, 同时黑潮是东海生源要素、痕量元素、同位素等化学物质的重要输入源, 其从低纬度向中高纬度输送的大量热量、水汽、动能等对东亚气候甚至全球变化产生了深刻影响[3, 20-21]。
台湾位于琉球与吕宋岛弧交界处, 也是欧亚大陆板块与菲律宾海板块的交界[22], 地层以新生代沉积和变质岩层为主, 质地松软易于风化, 且易受地震、台风及暴雨等侵袭, 台湾河流每年可以携带1.8×108~3.8×108 t沉积物进入周边海域, 成为周围海域重要的物质来源[23]。其周边海底深度呈现不对称分布特征, 北部及西部水深介于60与140 m之间, 为浅海陆架, 而西南部及东部海域, 水深可达6 000 m, 为深海盆地[24]。紧邻台湾东部有琉球海沟、花东盆地和加瓜海脊等, 海底地形复杂。
台湾东西两侧主要河流沉积物中黏土矿物和重矿物的成分差异较大。截止目前, 对台湾西部陆坡、台湾海峡和西南高屏岛架沉积物研究较多, 而对台湾东部海域沉积物的研究较少, 放射性同位素210Pb、228Th、U研究表明台湾东部至东北海域沉积速率在0.6~500 cm/ka不等[24-26], 利用14C、210Pb、137Cs和241Am浊流沉积年代学重建台湾东部海域海底地震事件的研究以及台湾东部沉积物中放射虫的研究均表明黑潮输入是影响该区沉积作用的重要因素[27-29]。事实上该地区物源还存在较多疑问, 比如南下的NPDW是否携带了琉球海沟等地区的物质进入台湾东部, 而吕宋岛和菲律宾海沟处的沉积物是否随黑潮北上输入台湾东部等, 今后需加强该区的沉积物分布特征及物源问题研究。
2 黑潮源区的沉积物特征及物源分析黑潮源区沉积物矿物学和地球化学特征研究对探讨物质来源作用巨大。本文总结了该区沉积物的矿物学和地球化学组成研究结论, 并归纳分析了黑潮源区沉积物的主要物质来源。
2.1 矿物组成特征与物源分析 2.1.1 碎屑矿物组成海洋沉积物碎屑矿物组成是沉积物的基本信息之一, 碎屑重矿物因其种类多样且多具有特殊的共生关系, 因而可以较为灵敏地确定沉积物源区及性质[30], 但因其搬运距离较短, 难以被搬运到远离海岸的深海海盆沉积物中, 因此对于半深海、深海沉积物的研究, 轻碎屑矿物反而有一定优势[13]。
根据海域沉积环境选择合适的矿物种类进行分析可以更好的反映该区沉积物沉积特征。菲律宾海沟处WP1、WP2和WP40孔沉积物的重矿物分析表明, 该区火山沉积物的矿物学特征在重矿物中表现突出, WP1孔中的火山物质少于WP2孔和WP40孔。同时, 菲律宾海沟附近沉积物中重矿物组合与东海陆架、冲绳海槽沉积物明显不同, 东海陆架沉积物的重矿物组合以普通角闪石为主, 辉石类矿物含量仅在1%左右, 而在菲律宾海沟附近沉积物中的重矿物组合以辉石类为主, 平均含量可占总重矿物含量的48.03%;冲绳海槽的辉石以斜方辉石、紫苏辉石为主, 而菲律宾海沟附近的辉石以单斜辉石为主[19]。
一般认为, 海洋沉积物中石英和钾长石主要为陆源输入, 斜长石从整个世界大洋的情况来看主要是海底火山提供的[10]。对1区菲律宾海沟附近WP1、WP2和WP40孔的碎屑矿物组合研究表明, 沉积物中的方解石是由碳酸盐有孔虫外壳及其碎片提供, 因此该区方解石基本代表生物自生成因[10]。WP1孔方解石占全矿物总量的27.6%, 其次是斜长石25%, 石英21.5%, 钾长石为8.6%, 而WP2孔和WP40孔沉积物斜长石最高(30%~35%), 方解石次之(24%~ 30%), 石英11%~16%, 钾长石仅占5%左右。因此, 菲律宾海沟处的沉积物中生物自生来源含量较为一致, 位于海沟北部的WP1孔沉积物相对而言陆源输入较多, 而位于海沟西南部的WP2孔和WP40孔沉积物则火山源输入更占优势[10], 这与上述对重矿物组合研究得出的结论一致。2区沉积物轻碎屑矿物(0.125~0.063 mm)平均含量仅占总样品含量1.6%[13], 高值区主要分布在水深较浅的本哈姆高原和九州伯劳海岭, 吕宋岛以东海盆区内生物碎屑含量较高, 棕色火山玻璃为特征矿物, 其他石英、长石、无色火山玻璃、风化碎屑及火山渣等含量较低。综合矿物分析认为菲律宾海沟处火山活动和碳酸盐补偿深度(CCD)是影响该区沉积物矿物分布的主要因素。
2.1.2 黏土矿物黏土矿物因其搬运距离较远、自身形成条件可以有效反映物源信息等显著特征在深海沉积物物源分析中占据重要地位。本文重点讨论的3个沉积区及相关海域黏土矿物数据见表 1, 黏土矿物组合对比见图 2。
| 所属研究区 | 主要钻孔 | 站位信息 | 黏土矿物组分百分比/% | 伊利石化学指数 | 伊利石结晶度 | 参考文献 | |||
| 蒙脱石 | 伊利石 | 高岭石 | 绿泥石 | ||||||
| 1 | WP1(表层) | 13°47.000′N, 125°34.000′E | 22.6 | 19.8 | 27.5 | 30.1 | - | - | [17] |
| 1 | WP2(表层) | 6°20.000′N, 126°26.000′E | 54.6 | 8.5 | 17.4 | 18.5 | - | - | [17] |
| 1 | WP40(表层) | 6°51.000′N, 126°38.000′E | 59.0 | 7.0 | 17.0 | 17.0 | - | - | [17] |
| 1 | I8 (0~10 cm层) | 12°45.074′N, 128°17.340′E | 27.9 | 40.0 | 11.4 | 20.7 | 0.425 | 0.216 | [31] |
| 1 | PC631(4~5 cm层) | 12°30.000′N, 124°60.000′E | 24.0 | 45 | 14.0 | 18.0 | - | - | [43] |
| 2 | Ph03(表层) | 14°34.200′N, 124°21.583′E | 47.4 | 6.6 | 46.0 | 46.0 | 0.50 | 0.28 | [32] |
| 2 | Ph04(表层) | 14°52.200′N, 123°29.400′E | 50.6 | 2.5 | 46.9 | 46.9 | 0.60 | 0.25 | [32] |
| 2 | MD06-3050(MIS1) | 15°57.094′N, 124°47.775′E | 61.5 | 24.0 | 7.0 | 7.5 | - | - | [4] |
| 2 | 吕宋河流 | - | 87.0 | 1.0 | 5.0 | 7.0 | - | - | [34] |
| 2 | 吕宋岛河流 | - | 75.0 | 0 | 16.0 | 9.0 | - | - | [16] |
| 3 | 双溪 | - | 0 | 76 | 11 | 13 | 0.63 | 0.46 | [33 |
| 3 | 兰阳溪 | - | 0 | 77 | 0 | 23 | 0.48 | 0.34 | [33] |
| 3 | 花莲溪 | - | 0 | 52 | 0 | 48 | 0.46 | 0.24 | [33] |
| 3 | 秀姑峦溪 | - | 0 | 64 | 0 | 36 | 0.44 | 0.25 | [33] |
| 3 | 浊水溪(台湾西岸) | - | 0 | 75 | 1 | 24 | 0.30 | 0.20 | [33] |
| — | 东海陆架 | - | 3.0 | 77.0 | 9.0 | 12.0 | - | - | [34] |
| — | 冲绳海槽中南部(OKI04孔表层) | 26°52.626′N, 126°8.436′E | 9.4 | 65.6 | 4.7 | 20.3 | 0.44 | 0.30 | [35] |
| — | 南海北部陆坡 | - | 21.0 | 47.0 | 10.0 | 22.0 | - | - | [36] |
| 注: Ph03、Ph04孔列出的是高岭石与绿泥石相对百分比之和, “-”表示未测或无此项, 后同。 | |||||||||
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| 图 2 黑潮源区及相关海域沉积物黏土矿物端元图 Fig. 2 Ternary diagram of clay minerals for sediments from the Kuroshio origination area and related sea areas |
对比各孔沉积物的黏土矿物组成可以发现, 以菲律宾海沟为界, 如图 2中灰色箭头所示, 海沟以西沉积物WP2、WP40孔中的蒙脱石相对百分比都高于50%, 伊利石和绿泥石相对百分比之和都小于30%, 而海沟以东的WP1、I8和PC631孔蒙脱石相对百分比均低于50%, 高岭石和绿泥石相对百分比之和均大于30%。由此可见, 菲律宾海沟对于黏土矿物分布阻隔作用明显, 但海沟对蒙脱石的阻碍影响明显高于绿泥石和高岭石, 这可能是因为蒙脱石颗粒更细, 黑潮在自东向西的运移过程中水深位置相对绿泥石和高岭石更浅, 而蒙脱石多位于黑潮的影响区域内, 因此海沟对蒙脱石的阻隔作用较大[31]。另一方面, 距离海沟较近的WP1孔和PC631孔沉积物中蒙脱石含量明显高于距离海沟较远的I8孔, 这表明海沟是影响海底沉积物中蒙脱石含量的重要因素。2区的Ph03、Ph04孔与1区的I8孔黏土矿物分析对比如下, Ph03、Ph04孔也位于海沟以西, 因而蒙脱石含量较高。3个钻孔中蒙脱石物源分析结果较为一致, 主要来源于吕宋岛弧或海沟处火山活动的基性物质蚀变; 伊利石分析结果稍有差异, Ph03、Ph04孔伊利石含量很少, 这是由于Ph03、Ph04孔距伊利石含量极少的吕宋岛很近, 而I8孔伊利石结晶度和化学指数证据均表明该孔伊利石主要来源于亚洲大陆风尘输送物质; 对高岭石和绿泥石的结果也有差异, 认为Ph03、Ph04孔高岭石和大部分绿泥石的结晶程度表明其可能来源于吕宋岛, 小部分来源于北方大陆[32], 对I8孔高岭石和绿泥石的相关性分析则认为二者可能具有相同物源, 受西侧菲律宾群岛陆源输入影响较大[31], 目前来看, 菲律宾海沉积物中的绿泥石和高岭石主要来源于风尘输入和菲律宾群岛。
台湾东部陆坡每年受台风、暴雨等物理风化作用较强, 西坡较为缓和, 化学风化作用较强, 沉积环境的差异导致台湾东西两侧河流沉积物中黏土矿物组成不同[37]。台湾河流作为周边海域沉积物的一个重要输入源为台湾海峡中北部提供了大量的伊利石和绿泥石[38], 对台湾东部表层沉积物中放射虫的研究认为台湾河流输入物质和黏土矿物等因素影响了放射虫的沉积和分布[28], 因此台湾东部河流是台湾东部黑潮主干区域沉积物的一个重要输入源。目前对台湾东部黑潮主干区域的沉积物研究较少, 这与其承接黑潮源区和东海黑潮的重要地理位置极不相符, 因此今后需加强对该区的沉积特征及物源研究。
综上认为, 影响黑潮源区沉积物黏土矿物分布的主要因素是黑潮的营力作用和菲律宾海沟的阻隔作用, 该区蒙脱石含量呈现离海沟越远含量越少的趋势, 伊利石则相反。黑潮源区沉积物中蒙脱石的主要来源是吕宋岛及海沟火山活动的基性岩蚀变, 伊利石主要来源于中国大陆的黄土物质, 高岭石和绿泥石主要来源于风尘输入和菲律宾群岛, 台湾东部河流是台湾东部黑潮主干区域的重要物源。同时, 海洋沉积物中黏土矿物组合和分布特征往往受絮凝作用、沉积分异作用、海底生物地球化学作用等影响[38], 在研究过程中应该注意考虑规避这些效应。
2.2 沉积物元素组成特征及物源分析 2.2.1 常量元素常量元素是探讨边缘海沉积物成因和物源等问题的有效手段[39], 一般认为Al2O3和TiO2是典型的亲碎屑元素, 是陆源输入的代表, CaCO3与海区的CCD有密切关系, MnO、Na2O代表火山热液活动和火山碎屑物质, P2O5与生物有机质有关, K2O与陆源黏土矿物密切相关[12, 39-40]。本文列出了黑潮源区及邻近海域沉积物中常量元素的含量以作对比(表 2)。
| 海区 | 常量元素质量比/μg·g-1 | 参考文献 | |||||||||
| SiO2 | Al2O3 | Fe2O3 | K2O | Na2O | MgO | CaO | MnO | TiO2 | P2O5 | ||
| 吕宋岛东部海盆区 | 51.0 | 15.9 | 9.19 | 1.56 | 3.22 | 4.77 | 2.17 | 0.33 | 0.76 | 0.16 | [12] |
| 本哈姆高原东部陆坡区 | 35.6 | 12.0 | 6.11 | 1.21 | 2.65 | 2.85 | 17.1 | 0.21 | 0.76 | 0.15 | [12] |
| 东菲律宾海帕里西维拉海盆 | 49.16 | 15.64 | 9.36 | 2.43 | 4.24 | 3.58 | 2.47 | 1.09 | 0.78 | 0.29 | [39] |
| 九州伯劳海岭 | 49.81 | 14.43 | 13.33 | 0.71 | 3.13 | 6.23 | 9.66 | 0.21 | 1.18 | 0.12 | [39] |
| 西马里亚纳海脊 | 52.00 | 17.80 | 9.43 | 1.00 | 3.08 | 4.86 | 10.26 | 0.17 | 0.67 | 0.16 | [39] |
| 大洋 | 47.72 | 12.29 | 5.83 | 2.10 | 1.10 | 2.18 | 0.60 | 0.41 | 0.59 | 0.16 | [39] |
| 南海 | 47.40 | 9.54 | 3.93 | 1.81 | - | 2.04 | 12.31 | 0.37 | 0.53 | - | [39] |
| 中国浅海 | 62.51 | 11.09 | 4.43 | 2.32 | 2.00 | 1.82 | 5.08 | - | 0.58 | - | [39] |
| 中国台湾西南部 | - | 31.54 | 8.86 | 2.39 | 5.84 | 4.17 | 5.88 | 0.075 | 1.00 | 0.918 | [40] |
常量元素在黑潮源区的分布差异受海域水深、海底火山热液活动影响较大, 根据常量元素含量及海底地貌差异将黑潮源区沉积物分为两类, 一是位于吕宋岛东部的海盆区, 主要为远洋黏土, 水深范围4 000~5 600 m; 二是位于本哈姆高原和吕宋岛东部的陆坡区, 主要为钙质软泥, 水深范围在699~ 4 000 m[12]。对比两区的常量元素含量可知, SiO2和CaO含量的高低决定了二者的分类, 也反映了物源的差异。海盆区由于水深基本大于CCD, 因而钙质生物碎屑较少, 在水流动力条件下菲律宾岛弧物质输入较多, 而本哈姆高原东部陆坡区水深较浅, 该处沉积物常量元素因子分析认为, SiO2、Al2O3、TiO2等元素代表了黏土矿物组分和碎屑矿物, 以及硅质生物碎屑, 而CaO代表了以碳酸盐为主要成分的有孔虫碎屑等生物成分[12]。对比各海区沉积物中常量元素可以发现, 东菲律宾海帕里西维拉海盆区与吕宋岛以东海盆区的常量元素含量基本一致, 仅Na2O、K2O和P2O5含量东菲律宾海沉积物稍高于吕宋岛以东海盆区, 这表明被本哈姆高原和九州伯劳海脊隔开的两处海盆区, 即吕宋岛以东海盆区和帕里西维拉海盆可能具有较为相似的沉积环境。另外, 东菲律宾海区沉积物中MnO含量明显高于其他区域, 表明东菲律宾海区除了明显的陆源输入外, 火山热液及火山碎屑物质是该区的沉积特征。
2.2.2 稀土元素稀土元素是良好的地球化学示踪剂, 对揭示西太平洋边缘海沉积物的物质来源、沉积环境和沉积过程等具有重要意义[41]。一般认为, 在富含基性岩和碳酸盐的沉积物中稀土元素总量较低, 而在富含黏土矿物的沉积物中稀土元素总量较高。稀土元素的存赋状态与沉积环境、沉积物类型密切相关[18, 42]。表 3总结了菲律宾海沟附近沉积物、黑潮源区以及相关地区稀土元素含量等数据, 图 3为本研究海区沉积物及相邻海域沉积物分别对球粒陨石、地壳标准化后的稀土元素配分模式图, 图 4为研究区及其潜在物源区沉积物的m(La)/m(Yb)-m(Sm)/m(Eu)图(横坐标为La的质量比除以Yb的质量比, 纵坐标为Sm的质量比除以Eu的质量比), 可以更好地区分物源。
| 海区 | 稀土元素质量比/μg·g-1 | 参考文献 | ||||||||||||||
| La | Се | Pr | Nd | Sm | Eu | Gd | Tb | Dy | Ho | Er | Tm | Yb | Lu | Y | ||
| 两菲律宾海WP1孔(0~22 cm层） | 17.0 | 15.9 | - | 22.6 | 3.69 | 0.86 | - | 0.315 | - | - | - | - | 1.23 | 0.218 | - | [18] |
| 西菲律宾海WP2孔(0~20 cm层） | 13.55 | 9.095 | - | 24.2 | 3.705 | 0.883 | - | 0.590 | - | - | - | - | 1.225 | 0.222 | - | [18] |
| 西菲律宾海WP40孔(25~35 cm层） | 12.6 | 20.2 | - | 13.9 | 3.01 | 1.15 | - | 0.62 | - | - | - | - | 2.00 | 0.38 | - | [18] |
| 两菲律宾海(3孔平均） | 14.31 | 15.68 | - | 22.82 | 3.45 | 0.982 | - | 0.505 | - | - | - | - | 1.51 | 0.266 | - | [18] |
| 吕宋岛以东海盆区 | 10.3 | 21.8 | 2.88 | 12.1 | 3.01 | 0.91 | 2.72 | 0.55 | 3.63 | 0.71 | 2.09 | 0.34 | 2.20 | 0.37 | - | [12] |
| 本哈姆高原以东陆坡区 | 13.8 | 23.3 | 3.40 | 14.0 | 3.12 | 0.93 | 2.84 | 0.53 | 3.39 | 0.66 | 1.92 | 0.31 | 1.96 | 0.32 | - | [12] |
| 中国台湾浅滩 | 14.5 | 47.1 | 3.6 | 12.0 | 2.3 | 0.5 | 2.14 | 0.38 | 1.45 | 0.24 | 0.56 | 0.14 | 0.89 | 0.13 | 7.2 | [44] |
| 中国台湾两南部 | 37.3 | 69.7 | - | 31.9 | 5.8 | 1.09 | 4.47 | 0.58 | - | - | - | - | 1.96 | 0.24 | - | [40] |
| 东海内陆架 | 44.6 | 85.2 | 9.7 | 37.8 | 6.9 | 1.5 | 6.4 | 1.0 | 5.4 | 1.1 | 3.2 | 0.5 | 2.9 | 0.4 | - | [58] |
| 冲绳海槽中部 | 28.5 | 56.2 | 6.18 | 26.4 | 5.02 | 1.02 | 4.43 | 0.67 | 3.68 | 0.83 | 2.15 | 0.32 | 2.17 | 0.33 | - | [56] |
| 深海沉积 | 16.37 | 26.80 | 5.8 | 28.25 | 8.69 | 2.25 | 9.67 | 1.68 | 10.22 | 2.89 | 5.31 | 0.88 | 6.25 | 0.87 | 74.21 | [44] |
| 中国黄土 | 34.0 | 66.8 | - | 37.3 | 6.20 | 1.18 | - | 0.83 | - | - | - | - | 2.69 | 0.43 | - | [18] |
| 球粒陨石 | 0.33 | 0.88 | 0.112 | 0.60 | 0.181 | 0.069 | 0.249 | 0.047 | 0.317 | 0.072 | 0.20 | 0.03 | 0.20 | 0.034 | 1.96 | [44] |
| 地壳 | 29 | 58 | - | 30 | 7.0 | 1.25 | - | 1.2 | - | - | - | - | 3.0 | 0.65 | 26 | [18] |
 |
| 图 3 各海区稀土元素对球粒陨石、地壳标准化的稀土配分模式 Fig. 3 REE distribution pattern in different sea areas sediments normalized with chondrite and continental crust |
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| 图 4 研究海区及其潜在物源区沉积物m(La)/m(Yb)-m(Sm)/ m(Eu)图 Fig. 4 m(La)/m(Yb) versus m(Sm)/m(Eu) of sediments of research sea area and its potential source areas |
本文关注区域内对稀土元素研究较多, 对比1区位于菲律宾海沟附近的3孔可知, WP1孔ΣREE质量比为61.81 μg/g, 明显高于WP2孔的53.476 μg/g和WP40孔的53.86 μg/g, WP1孔m(LREE)/m(HREE)为34.06, 高于WP2孔的25.25和WP40孔的16.95, 表明WP1孔有明显的陆源输入, 而WP2孔基性火山物质较多, WP40孔火山物质更多, 陆源物质较少, 这与前文矿物分析的结论一致[10]。因此, 1区沉积物稀土元素特征表明该区具有深海沉积的特点, 同时发育自生沉积[18]。吕宋岛以东海盆区和本哈姆高原以东的陆坡区在稀土元素含量上无明显差异, 但从前文分析可知, 二者沉积物类型明显不同, 海盆区沉积物为深海黏土, 而陆坡区为钙质软泥。吕宋岛以东海盆区稀土元素总量(ΣREE)质量比为63.6 μg/g, 略低于本哈姆高原以东陆坡区的70.5 μg/g, 且前者相对亏损轻稀土。同时, 从图 3中可以看出, 吕宋岛以东海盆区和本哈姆高原以东陆坡区沉积物表现为较为一致的稀土元素配分模式, 有较为明显的Ce负异常和不明显的Eu正异常, 而陆坡区表现为相对较强的Ce负异常, 这是由于沉积物中钙质生物碎屑从海水中继承了Ce的负异常。另外, 西菲律宾海轻稀土配分模式与深海沉积相似, 但重稀土相对深海沉积亏损, 而与中国黄土表现较为一致, 表明黑潮源区沉积物具有明显陆源输入的边缘海沉积特征; 台湾浅滩和台湾西南部无论对球粒陨石还是地壳标准化的稀土元素配分模式都表现出较大差异, 台湾西南部与中国黄土的配分模式较为相近, 表现为轻稀土富集和Eu异常现象, 但台湾浅滩则表现出明显的Ce正异常, 除此之外稀土配分模式表现较为平坦, 这一点尚待深入研究[44]。
从各区沉积物m(La)/m(Yb)-m(Sm)/m(Eu)图中可以看出, 吕宋岛以东海盆区与本哈姆高原以东陆坡区及菲律宾海沟附近沉积物的分布范围较为接近, 这表明其物源区较为相似。吕宋岛以东海盆区沉积物的m(La)/m(Yb)明显低于中国黄土和多数火山岩, 表明该区沉积物有更低的m(La)/m(Yb)组分来源, 可能得到附近吕宋岛东部蛇绿岩以及火山物质的供应[43], 由于北赤道流在运动方向上是自东向西, 故吕宋岛东部物质通过河流向东输入受到一定阻碍只能限制在临近区域[12]。另外, 西菲律宾海沉积物的分布范围与冲绳海槽和东海内陆架泥质区的分布范围相差较大, 这也反映了其沉积物物源的差异性。
2.2.3 Sr、Nd同位素放射性同位素性质比较稳定, 不受外界风化作用、成岩作用等影响, 因而在揭示海洋沉积物性质等方面具有重要作用, 以放射性成因Sr、Nd同位素为代表的同位素体系是追踪深海沉积物源区的有效指标[45-48]。表 4列出了研究区主要钻孔的Sr、Nd同位素数据, 图 5为各个端元及主要海区的m(87Sr)/ m(86Sr)-εNd(0)图解。
| 研究区域 | 钻孔 | 站位信息 | m(87Sr)/ m(86Sr) | m(143Nd)/m(144Nd) | εNd(0) | 参考文献 |
| 吕宋岛火山物质 | - | - | 0.70376 | 0.51295 | 6.0862 | [45] |
| 亚洲大陆风尘(北太平洋中部沉积物) | - | - | 0.71449 | 0.51217 | –9.1292 | [45] |
| 中国台湾东部造山带 | - | - | 0.71669 | 0.51203 | –11.8602 | [45] |
| 吕宋岛东海岸 | Ph04 | 14°52.120′N, 123°29.600′E | 0.70453~0.70464 | 0.512910~0.512919 | 5.3~5.5 | [45] |
| 西菲律宾海盆 | Ph02 | 13°58.990′N, 126°44.690′E | 0.70487~0.70626 | 0.512438~0.512666 | –3.9~0.5 | [45] |
| Ph16 | 17°42.630′N, 123°16.340′E | 0.70452~0.70491 | 0.512689~0.512760 | 1.0~2.4 | [45] | |
| PC631 | 12°30.000′N, 124°60.000′E | 0.709247~0.711951 | 0.512154~0.512296 | –6.7~–9.4 | [46] | |
| 本哈姆高原 | Ph05-5 | 16°02.960′N, 124°20.690′E | 0.70625~0.70669 | 0.512470~0.512647 | –3.3~0.2 | [45] |
| Ph11 | 17°13.520′N, 125°00.470′E | 0.70607~0.70651 | 0.512481~0.512601 | –0.7~–3.1 | [45] | |
| 花东海盆 | Ph19 | 20°26.030′N, 122°28.540′E | 0.70471~0.70608 | 0.512365~0.512560 | –1.5~–5.3 | [45] |
| 注:表中所有数据的有效数字均与原文一致, εNd(0)={[(m(143Nd)/m(144Nd))/0.512638]–1}×104。 | ||||||
Sr、Nd同位素含量在黑潮源区的空间分布差异较大, 在该区的端元研究较为完整, 主要用于追踪陆源风尘输入。由表 4可知, 本哈姆高原和西菲律宾海盆的m(87Sr)/m(86Sr)变化范围在0.704520~0.711951, εNd(0)变化范围在-9.4~2.4, 而吕宋岛东岸和吕宋岛火山岩的m(87Sr)/m(86Sr)变化范围在0.70376~0.70464, εNd(0)都大于5, 因此, Sr、Nd同位素说明西菲律宾海盆需要一个除吕宋岛以外的来源。尽管台湾造山带的Sr、Nd同位素组成表明其很可能是西菲律宾海的物源之一, 但台湾造山带物质通过表层流和海底峡谷的向东输送途径受到黑潮表层流和加瓜海脊的阻挡, 除此之外, 对吕宋岛和台湾造山带的m(87Sr)/ m(86Sr)-εNd(0)二端元拟合曲线(图 5)也否定了台湾造山带是西菲律宾海沉积物源的可能性[45]。
吕宋岛和亚洲大陆风尘的m(87Sr)/m(86Sr)-εNd(0)二端元拟合曲线(图 5)内包含西菲律宾海沉积物, 这表明亚洲大陆风尘可能是西菲律宾海沉积物的重要物源。对亚洲大陆大气颗粒和风尘的反向输送模拟轨迹表明, 亚洲大陆风尘物质不仅会影响到台湾, 还会影响到西菲律宾海盆区域。研究表明, 亚洲风尘对本哈姆高原和西菲律宾海盆碎屑沉积物的相对贡献率达10%~50%[45], 而亚洲沙漠和附近岛弧对西菲律宾海中部的PC631孔沉积物的贡献率分别约70%和30%[46]。选择北太平洋中部沉积物的Sr、Nd同位素数据作为亚洲大陆风尘端元具有一定合理性[45], 但事实上亚洲大陆风尘是包括中亚沙漠、东亚沙漠和中国北部沙漠在内的多个端元的混合物, 且各地区的同位素组成是有差别的[46], 因此端元参数的选择有待进一步完善。
3 黑潮输入对东海陆架沉积物的影响东海陆架最宽600 km, 平均水深78 m, 外缘水深140~160 m, 至冲绳海槽迅速转变为半深海沉积[49], 是我国东部陆架主要的陆源沉积汇。东海内陆架沉积物受浙闽沿岸流、长江、黄河、台湾暖流等影响巨大, 外陆架则主要受控于黑潮西部边缘和太平洋潮波系统[50]。黑潮入侵东海陆架对我国近海生态环境、气候变化产生了深刻影响[20], 但前人研究多集中在黑潮水体对东海陆架输送的影响, 对东海陆架沉积影响的研究较少, 探明黑潮入侵对东海陆架沉积作用的影响对认识东海生态环境、海洋渔业资源具有重要意义。
黑潮入侵对东海陆架沉积物的影响与其入侵路径密切相关。黑潮入侵东海陆架主要集中在200 m以浅的上层, 其入侵东海陆架外缘有3条途径:在台湾东北做逆时针爬坡的西向分支, 在陆架坡折处形成气旋式环流; 北向分支可入侵到东海陆架中部; 东北向分支沿陆架在下游汇入黑潮主体[51], 因此黑潮入侵对东海陆架不同区域造成的影响是存在差异的。
首先, 黑潮流经台湾东北部时受海底地形影响比较容易诱发上升流, 在26°N附近存在终年的中尺度涡旋[20], 因此黑潮的涌动可能携带台湾东部以及东北部沉积物进入冲绳海槽, 从而能造成台湾东北部较高的沉积速率。台湾东北部冲绳海槽处(24°~ 26°N)沉积速率在10.4~101.4 cm/ka之间[52], 明显高于台湾东部陆坡的0.6~3 cm/ka[25]和东海外陆架的0.05 cm/a[53]。其次, 尽管黑潮通过上升流、锋面和涡旋等形式与东海发生强烈的交换作用, 为东海陆架输送大量的生源要素、痕量元素等[20, 54], 但黑潮入侵所引起的表层和深层水环境变化是一个渐变的过程, 生物群落变化相对水环境的变化有明显滞后[55], 且前人对东海陆架沉积物的研究认为主要物源是长江、黄河等近岸河流, 因此认为黑潮输入对东海中部陆架沉积物影响并不明显。对于东海外陆架, 现代沉积作用较弱, 仅接受海流携带的悬浮体细粒沉积[50], 黑潮入侵在一定程度上阻隔了陆架悬浮物向海槽的运输[56], 但研究认为长江和台湾东部地区仍是当今冲绳海槽中部西边界的主要物源[57]。从前文对稀土元素的研究中可以看出, 尽管东海沉积物的稀土配分模式与台湾浅滩沉积物明显不同, 但与台湾西南部沉积物稀土配分模式有一定相似性, 且二者在m(La)/m(Yb)-m(Sm)/m(Eu)图上的分布范围较为接近, 因此可以认为黑潮会携带部分台湾陆源物质进入东海陆架外缘。总体来看, 黑潮输入对东海陆架沉积的影响较为复杂, 今后需重点关注黑潮输入对东海陆架沉积影响的历史变化。
4 结论与展望西太平洋黑潮源区的海流和海底沉积物关系密切, 探明黑潮源区沉积物的分布特征及物源有利于认识黑潮输入对东海陆架沉积物的影响, 同时有利于揭示西太平洋暖池强弱变化和整个黑潮流域的动力、气候变化等过程。黑潮源区复杂的沉积环境使沉积物物源呈现出多样性和多解性, 本文根据海流特征和海底沉积环境等将黑潮源区分为北赤道流区、吕宋岛以东海区和台湾东部黑潮主干区三部分, 总结归纳了近年来该海域沉积物的分布特征和物源结论, 并由此分析对比了黑潮输入对东海陆架沉积作用的影响, 主要结论如下。(1)北赤道流区沉积物受菲律宾海沟和海流阻隔作用明显, 总体上呈现离海沟越远大陆风尘输入越多而海沟火山源输入越少的趋势; 吕宋岛以东黑潮源区沉积物由于海底地形和海流复杂而呈现物源的多样性, 本哈姆高原东部陆坡区因水深相对较浅自生生物来源较多, 吕宋岛东部海盆区沉积物则受菲律宾群岛输入明显; 台湾东部黑潮主干区沉积物受台湾河流源输入明显。北赤道流和黑潮作为影响沉积物分布的重要动力因素, 在运移方向上对于菲律宾岛弧、吕宋岛以及台湾岛物质向海输送具有一定的阻碍作用, 故而将陆源物质输入限制在一定区域范围内。(2)黑潮源区沉积物中黏土矿物的主要来源是菲律宾群岛陆源输入、吕宋岛火山物质蚀变、海底火山热液活动、台湾河流和中国大陆风尘输入, 该区稀土元素表现出具有明显陆源输入的边缘海沉积特征, 吕宋岛以东海区沉积物常量元素组成受海底地形和水深影响较大, Sr、Nd同位素组成表明亚洲大陆风尘输入是西菲律宾海盆的重要物源之一。(3)黑潮输入对东海陆架沉积物的影响较为复杂。首先黑潮在台湾东北部的上升流和中尺度涡旋造成了该区高沉积速率特征, 其次东海黑潮对陆架沉积物的向东输送具有一定阻碍作用, 对东海陆架中部沉积物影响相对较小, 外陆架与冲绳海槽中部沉积特征相近, 受长江和台湾陆源物质输入影响。
驱动中国近海水动力及生态环境变化的主要因素是黑潮, 探明其输运物质影响对中国近海资源环境可持续利用的重大科学命题具有重要的科学意义和实际价值, 其研究任重而道远。针对目前这方面的研究状况, 今后的研究应在以下几方面加强。(1)在物源示踪研究方法上, 应构建更为灵敏准确的指示指标体系。稀土元素和同位素地球化学指标是物源识别和定量分析的有效手段, 而不同的样品前处理方法及测定方法为准确的数据分析造成较大困难, 在今后的研究中需重点关注。同时, 需加强其他有效物源识别方法的探索, 如沉积物不同粒级的形态组分研究、具有物源识别作用的生物标志物探究等。单一的物源识别方法容易造成对同一问题的多解性, 今后需结合多种方法分析物源, 同时需加强各端元的元素地球化学特征和时空变化规律研究, 并关注钻孔沉积物之间的对比研究, 提高物源识别精度, 以定量识别物源。(2)台湾东部黑潮主干区应是今后重点关注的区域, 该区在地理位置和海流上连接了吕宋岛以东黑潮源区和东海黑潮部分, 深入研究该区沉积物对于揭示源区黑潮变化与高纬度地区气候变化事件的相关关系具有重要意义。另外, 鉴于黑潮输送路径的时空变化较大, 其对东海陆架沉积物影响的历史变化仍需深入研究。
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