第四纪研究  2017, Vol.37 Issue (5): 921-933   PDF    
南海第四纪东亚季风演化的粘土矿物指标
刘志飞 , 赵玉龙 , 王轶婕 , 陈全     
( 同济大学海洋地质国家实验室, 上海 200092)
摘要:南海作为西太平洋最大的边缘海,记录着东亚季风的演化历史。本文在过去十多年研究积累的基础上,综述粘土矿物是记录南海东亚季风演化历史的良好指标。大量表层样品和多个沉积岩芯的研究显示,南海第四纪以来的蒙脱石主要是形成于周边岛屿火山岩的快速化学风化作用,记录了同时期的东亚夏季风气候条件;伊利石和绿泥石形成于周边大陆和岛屿的机械侵蚀作用,与强烈降雨引发的侵蚀能力或东亚冬季风相对寒冷的气候条件有关;而高岭石形成于周边陆地表面的强烈化学风化作用,指示地质历史时期累积的或第四纪同时期的温暖潮湿气候条件,但由于强烈的差异沉降作用,高岭石在南海主要沉积在近海陆架区域,在深海记录中多指示海平面变化的古环境特征。因此,我们提出蒙脱石/(伊利石+绿泥石)比值是南海第四纪东亚夏季风演化的良好指标,比值高代表夏季风温暖潮湿气候条件下增强的化学风化作用,比值低指示冬季风相对寒冷气候条件下减弱的化学风化作用,或是强烈降雨气候条件下增强的机械侵蚀作用。南海东亚夏季风演化的强弱与北半球夏季日射量基本呈线性关系,表明东亚季风演化的天文驱动机制,第四纪以来的长期演化显示南海在1200~400ka期间盛行夏季风,可能是受到赤道太平洋厄尔尼诺-南方涛动(ENSO)的影响。
主题词东亚夏季风     替代指标     粘土矿物     蒙脱石/(伊利石+绿泥石)     化学风化作用     第四纪     南海    
中图分类号     P722.7;P619.23+1;P736.4;P534.63                     文献标识码    A

东亚季风是全球气候系统的一个重要组成部分,控制着亚洲东部季节性变化的风力、降雨量、径流量和陆地植被等气候和环境特征[1]。冬季风以大陆变冷、亚洲北部发育高压和东北风穿过南海为特征,而夏季风表现为大陆加热、西藏上空发育低压、南海上空形成西南风以及华南降雨量普遍增高[2, 3]。由于季风系统的气象学信息(如风力、温度、降雨量)无法直接保存在地质记录中,因而对于恢复过去季风气候演化的研究都是通过替代指标的分析,来揭示季风气候变化对陆地和海洋的物理、化学和生物过程的响应[3, 4]。对于东亚季风替代指标的研究,黄土层序具有记录风力和干旱性的独特能力,黄土的粒径在冰期时增加,成为东亚冬季风强度的重要指标,而黄土的磁化率显示夏季风的演化历史[5, 7]。同时,华南石笋的氧同位素记录被认为是东亚夏季风降雨的最佳替代指标[8, 9]。然而,海洋沉积记录的东亚季风演化替代指标的研究,却没有像陆地黄土和石笋那样令人满意,尽管前人已经从有孔虫、钙质超微等生物成因材料恢复海洋初始生产力、表层海水氧同位素以及表层海水温度的时间变化序列,来建立与东亚季风演化的联系[3, 10~13]。究其原因,可能是由于东亚边缘海的海陆相互作用强烈,记录东亚季风演化历史的陆地和海洋两个方面的多种信息相互叠加和混合,从而在海洋沉积记录中难以分离出多种陆地和海洋信息的混合作用。

南海是西太平洋地区最大的边缘海,盛行东亚季风气候,发育丰富的表层和深水洋流系统,拥有保存完好的半深海沉积物质,使得南海成为开展东亚季风演化和沉积物从源到汇研究最合适的边缘海(图 1)[13, 14]。在前人的大量研究中,粘土矿物被认为是南海深海最重要的陆源碎屑物质,以其示踪洋流变化或揭示物源区陆地同时期气候变化的能力,分别在南海北部陆坡[15, 18]、西部越南岸外[19]、西南部湄公河口[20]以及南部深海地区[21, 22]开展了成功的研究,对揭示南海东亚季风的长期演化历史起到了重要作用。但是,粘土矿物能否用于直接指示南海东亚季风演化历史的研究仍然颇为争议[23],这是因为形成粘土矿物的化学风化作用被认为需要上百万年时间,这样在轨道时间尺度或更高时间分辨率上就不能指示同时期的气候条件[24]。因此,有研究认为在晚第四纪冰期旋回时间尺度上,南海粘土矿物主要受控于物源区供给和洋流搬运作用,粘土矿物本身不具同时期气候条件特征,粘土矿物组合用于指示东亚季风演化历史的应用是通过洋流的搬运作用来实现的[23]。然而,近期的研究显示南海周边的蒙脱石可以通过化学风化作用快速形成,从而成为指示东亚夏季风温暖潮湿气候条件的良好指标[18]。有鉴于此,本文在过去十多年研究积累的基础上,综述粘土矿物记录南海东亚季风演化历史的潜力,提出蒙脱石/(伊利石+绿泥石)比值是第四纪东亚夏季风演化的良好指标。

图 1 南海东亚季风和洋流系统[14] 本文讨论涉及的粘土矿物研究站位包括:国际大洋钻探计划(以ODP打头)、国际海洋全球变化计划(以MD打头)岩芯站位、南海沉积物捕集器站位(以SCS打头)及其断面(BB′)以及吕宋岛皮纳图博(Pinatubo)火山口剖面(PNT) Fig. 1 East Asian monsoon and current systems in the South China Sea[14] Showing locations of clay mineralogical studies used in this paper, including Ocean Drilling Program(starting with ODP)sites, International Marine Past Global Change Study(starting with MD)cores, sediment trap mooring stations in the South China Sea(starting with SCS)and its transect(BB′), and Pinatubo crater profile (PNT) in Luzon
1 南海表层沉积物中粘土矿物分布

海底表层沉积物中粘土矿物的组成是周边物源区供给、洋流搬运和沉降过程的综合反映,能够在一定程度上揭示周边接近现代的环境和气候条件以及海洋表层和底层洋流的搬运效果。南海海底表层沉积物粘土矿物的研究在早年已有开展,当时认为由北部华南和台湾提供的伊利石和绿泥石、与由南部婆罗洲和马来半岛等陆地以及岛屿提供的高岭石和蒙脱石,在南海陆坡和深海盆地大致沿不同水深分布,显示南北两个完全不同的物源区供给和气候条件[25]。然而,近年来通过遍布南海和周边河流共1500余个沉积物样品的粘土矿物调查,包括海底表层样品约1130个和河流样品约370个,不仅获得了南海周边各流域的粘土矿物组成,提供详细的南海海底表层粘土矿物的分布,而且通过与现代表层和底层洋流格局的对比,提出接近现代气候和海洋环境条件下的粘土矿物搬运从源到汇过程[14, 26~30]

结果显示,南海海底表层沉积物中粘土矿物以蒙脱石和伊利石为主,两者的平均含量分别为34 %和32 %,其次为绿泥石和高岭石,两者的平均含量分别为18 %和16 %[14]。蒙脱石的含量在南海各区域分布不均,吕宋西部岸外和泰国湾的含量最高,达到60 %以上;而且,在巽他陆架、北部湾以及中央深海盆地的含量也很高,可以达到40 % (图 2a),但蒙脱石在台湾周围、华南岸外以及婆罗洲以北海区的含量很低,一般小于5 % [14]。伊利石和绿泥石的含量在整个南海和周边河流中的分布都呈线性关系,显示两者的来源及其在南海中的搬运过程类似[14, 27, 29]。伊利石和绿泥石在南海北部含量很高,两者之和一般大于50 %,在北部陆架和深水陆坡的平面分布分别呈现出两个由台湾向西南延伸的舌状区域(图 2b)[14]。伊利石的含量在婆罗洲以北也很高,大于40 %;但在吕宋西部岸外、泰国湾和北部湾,伊利石的含量一般小于20 %;相比较而言,高岭石的分布显示特定的性质,仅在华南岸外陆架、越南北部岸外陆架以及马来半岛岸外陆架的含量很高,达到50 %以上,在南海南部区域的分布一般为15 % ~30 %,而在其他海区一般小于10 %,甚至小于5 % [14, 29]

图 2 南海表层沉积物中粘土矿物分布及其与洋流对比[14] (a)蒙脱石(smectite)(%);(b)伊利石+绿泥石(illite+chlorite)(%) Fig. 2 Correlation of clay mineral distribution in seafloor surface sediments with current systems in the South China Sea[14]

南海海底表层沉积物中粘土矿物的空间分布,与周边河流物源区供给和南海洋流系统具有密切的关联(图 2)。在南海北部,吕宋岛弧是形成含量很高蒙脱石的唯一物源区[28],东沙群岛西部的蒙脱石高值区与由东向西的南海表层洋流分布一致,而且该表层洋流没有明显的季节性变化,被认为是将蒙脱石从吕宋岛弧向西搬运的主要介质[29]。台湾提供含量接近100 %的伊利石和绿泥石,在整个南海区域粘土矿物分布中十分突出,两个舌形分布的伊利石和绿泥石含量高值区分别沿北部陆架和深水陆坡向西南方面延伸,与陆架冬季表层洋流和深水等深流的分布一致,显示出表层和深水洋流搬运台湾物质的过程和机制[27, 29]。最近的深水锚系长期观测发现,在南海北部深水陆坡稳定存在的等深流、以及事件性中尺度涡共同驱动了台湾物质沿深水路径向西南部搬运,观测到两个中尺度涡的悬浮沉积物搬运量可达1.0 Mt[31, 32]。在南海东部,邻近吕宋岛岸外的蒙脱石高值区,被解释为吕宋岛火山物质的快速化学风化作用,因为吕宋岛是火山活动频发的地区[33],形成的蒙脱石在南海受到深水气旋式环流搬运影响[34]。然而在南海南部,粘土矿物含量的分布相对均一,受到季节性分布的气旋式漩涡(冬季)和反气旋式漩涡(夏季)的强烈影响,将南海南部不同物源区提供的粘土矿物快速地混合,从而无法分离出粘土矿物分布与洋流的关系,仅在婆罗洲北部岸外保存一个受物源区强烈影响的伊利石和绿泥石的高值带,因为婆罗洲东北部河流提供高达90 %含量的伊利石和绿泥石[30]。同样,湄公河口稍微增加的伊利石和绿泥石含量,也是由于湄公河物源区提供稍高的伊利石和绿泥石所致[26]。在泰国湾和北部湾,含量很高的蒙脱石(50 % ~ 60 %)主要受季节性表层洋流控制,同时受到蒙脱石差异性沉降的影响,粒径很小的蒙脱石趋向于在海湾中部沉积[14]。同时,泰国湾含量很高的蒙脱石还受物源区湄南河(Chao Phraya River)流域提供比较高蒙脱石(平均42 %)的强烈影响[14]。而高岭石在华南岸外、越南北部岸外以及马来半岛岸外陆架一个狭长的区域富集,被认为是典型的差异性沉降作用,其原因是高岭石颗粒一般比较大(0.5~8.0μm)[35, 36],而且形成于强烈化学风化作用的高岭石一般偏酸性,当遇到碱性海水时会迅速发生絮凝作用而沉降[37]。因此,即使华南河流(如珠江)和马来半岛河流含有高达50 %以上的高岭石[26, 30],但其对南海深海粘土矿物分布的影响却十分有限。由此可见,南海表层沉积物中粘土矿物的空间分布主要受控于物源区供给、洋流搬运和差异沉降作用,前两者因素都与区域环境和气候条件相关。

东亚季风气候是影响南海周边地表化学风化作用的最重要因素[14, 30],同时也是驱动南海季节性表层洋流的最重要动力来源[3, 14],那么,东亚季风气候能否直接控制粘土矿物的形成、搬运和沉积?换言之,南海粘土矿物能否指示东亚季风的演化?要回答这个问题,关键在于理解粘土矿物是否具有揭示同时期气候变化的能力。南海的伊利石和绿泥石形成于周边大陆和岛屿的机械侵蚀作用,与强烈降雨引发的侵蚀能力或东亚冬季风相对寒冷的气候条件有关,如台湾和婆罗洲北部提供含量很高的伊利石和绿泥石(台湾平均92 %,婆罗洲北部平均91 %),明显地同时受到冬季风条件下减弱的化学风化作用和夏季风增强引起的降雨侵蚀作用的共同影响[27, 30]。南海的高岭石形成于周边陆地表面的强烈化学风化作用,指示地质历史时期累积的或第四纪同时期的温暖潮湿气候条件,如华南珠江流域含量很高的高岭石(平均46 %)是中生代以来的累积效果[26],而苏门答腊岛流域含量更高的高岭石(平均57 %)代表了晚第四纪或全新世以来快速的化学风化作用[30]。南海的蒙脱石形成于周边陆地和岛屿火山岩的快速化学风化作用,与温暖潮湿气候条件直接相关,最具潜力指示同时期气候变化的能力[28, 30]

2 南海沉积物中蒙脱石成因

蒙脱石是南海海底表层沉积物中含量最高的粘土矿物,平均为34 %,在南海多数区域达到40 %以上(图 2a)[14]。然而,通过对比南海周边全部流域沉积物的粘土矿物组成,发现仅吕宋岛、湄南河以及巴拉望岛南部河流能够提供含量大于40 %的蒙脱石[14],但这些地区流域的输沙量都非常低,似乎不能解释南海高含量蒙脱石的陆源成因。因此,有前人研究提出,南海蒙脱石尽管主要是由陆源碎屑提供,但海底火山物质的原地化学风化作用是蒙脱石重要成因[38]。因此,查清南海蒙脱石的成因,是评估南海粘土矿物能否用于指示东亚季风演化应用的关键。

2.1 沉积物捕集器揭示的差异沉降作用

就现代深海海底而言,最表层1~2cm厚的沉积物实际上代表了过去几百年(几十年至上千年,视沉积速率有所区别)沉积物的累积效果,其含有的蒙脱石很难鉴别出陆源碎屑来源或海底自生作用来源,这是因为两种来源的蒙脱石大多数都是中基性火山岩或火山灰的化学风化产物,其区别在于风化作用是发生在陆地环境,还是海洋环境。因此,开展水体中悬浮状态碎屑蒙脱石的研究,并与海底沉积物中蒙脱石对比,是鉴别海底沉积物中蒙脱石成因的有效途径,而沉积物捕集器获得的时间序列悬浮颗粒样品是最佳的研究材料。

南海横跨吕宋岛至湄公河口沉积物捕集器断面的粘土矿物研究,显示粘土矿物在各捕集器站位都是下层捕集器的通量明显高于上层捕集器的通量,突显深水环流和近底层洋流的侧向搬运作用;而且,粘土矿物通量在西南部深水陆坡最高,达到13700mg/m2 ·a,在东北部吕宋岸外深水盆地次之,达到2000mg/m2 ·a,而在中央深水海盆最低,约为1500mg/m2 ·a,说明物源区供给为主导的特征(图 3)[39]。通过比较捕集器站位各种粘土矿物的通量变化,除了SCS-NC和SCS-C站位上层捕集器之外,其他所有捕集器的粘土矿物通量都是以蒙脱石的通量最高,而且下层蒙脱石的通量明显高于上层蒙脱石的通量,尤其在中央深水海盆的SCS-C站位,下层蒙脱石的通量比上层增加4倍以上,这被解释为蒙脱石的强烈差异沉降作用[39]。源自于陆地物源区化学风化作用形成蒙脱石的颗粒一般都比较小(多数 < 1μm)[35, 36],适于远距离搬运;同时,蒙脱石多形成于中基性火山岩,在碱性海水中具有很强的抗絮凝作用,因此,蒙脱石的差异沉降作用体现为远距离搬运且在相对安静的水体中富集和沉积。

图 3 南海沉积物捕集器断面(BB′)揭示的海盆尺度粘土矿物通量分布[39] 显示南海粘土矿物通量(mg/m2·a)在西南部最高,东北部次之,中部最低;同时,深层的粘土矿物通量一般明显高于浅层,尤以蒙脱石通量在深层最高;SCS-S、SCS-SC、SCS-C、SCS-NC和SCS-NE分别为南海南部、中南部、中部、中北部和东北部沉积物捕集器锚系,各锚系站位及其断面(BB′)位置见图 1 Fig. 3 Basin-scale clay mineral flux distribution revealed by sediment trap transect(BB′)in the South China Sea[39] Showing that the clay mineral flux(mg/m2·a)is the highest in southwest, the secondly in northeast, and the lowest in central of the South China Sea. The clay mineral flux is usually higher in deep trap than in shallow trap, especially highest for smectite flux in deep trap. SCS-S, SCS-SC, SCS-C, SCS-NC, and SCS-NE are sediment trap moorings, and locations of these moorings and their transect BB′ are displayed in Fig. 1

沉积物捕集器从水体中收集的悬浮状态蒙脱石是典型的碎屑蒙脱石,来源于周边陆地和岛屿河流的直接输入,这是因为由海底火山岩风化形成的蒙脱石或由成岩作用形成的蒙脱石都是保存在海底沉积物,而一般不会呈悬浮状态出现在水体中。通过对比南海沉积物捕集器蒙脱石相对通量(图 3)与捕集器所在站位的海底表层沉积物中蒙脱石含量(图 2a),显示两者蒙脱石的相对含量在可对比的范围内,表明南海海底表层沉积物中含有的蒙脱石是陆源碎屑成因,而非此前推测的基性喷发物质(如火山灰或火山岩)在海底原地化学风化作用成因[38]

2.2 吕宋岛火山沉积揭示的快速化学风化作用

南海的碎屑蒙脱石被认为形成于周边陆地和岛屿火山岩的快速化学风化作用[28, 30],那么形成蒙脱石到底需要多长时间呢?吕宋岛以晚新生代中基性火山岩和火山质沉积岩为主,在亚热带东亚季风气候的条件下发生中等程度的化学风化作用,形成平均含量高达87 %的蒙脱石,表明中等程度化学风化作用即可形成蒙脱石[28]。而苏门答腊岛以第四纪(包括全新世)中基性火山岩为主,在赤道热带温暖潮湿的气候条件下发生强烈的化学风化作用,形成平均含量高达57 %的高岭石,其蒙脱石含量仅剩余19 %,表明全新世(约12ka以来)火山岩都已被风化,越过了硅铝酸盐风化作用的二硅酸盐阶段(形成蒙脱石),进入到单硅酸盐阶段(形成高岭石)[30],揭示出苏门答腊岛火山岩形成蒙脱石的时间远小于12ka。为了进一步认识火山岩风化形成蒙脱石的过程,我们调查了南海周边现代火山作用能否形成蒙脱石。

位于吕宋岛西南部的皮纳图博(Pinatubo)火山,于1991年6月15日发生爆炸式喷发,被誉为20世纪世界上最大的火山喷发[40]。喷发形成的大量火山灰形成一个巨大气体烟柱进入大气圈,一部分直接降落在火山口附近,另一部分随大气环流被吹到南海上空,并直接沉降到南海深海盆地,在南海海底大部分区域形成数厘米厚的火山灰沉积[33]。皮纳图博火山口目前保存为一个巨大的淡水湖泊(图 4a),我们于2010年11月在位于火山口内侧采集到火山灰(图 4b),经X射线衍射(XRD)分析,结果表明该样品中 < 2μm的粘土矿物组合完全由蒙脱石组成(图 4c)。这表明皮纳图博火山灰通过化学风化作用形成蒙脱石,在20年时间内(从喷发的1991年到采样的2010年期间)即可完成,突显蒙脱石形成的快速化学风化作用。

图 4 吕宋岛皮纳图博(Pinatubo)火山口现代沉积的粘土矿物组合 (a)皮纳图博火山口照片,于1991年6月15日喷发而形成;(b)位于皮纳图博火山口的火山灰风化剖面,代表最新一次喷发的火山灰沉积;(c)典型样品PNT01的X射线衍射(XRD)叠加波谱图,显示自然条件、乙二醇条件和加热条件下的测试结果,该样品的粘土矿物组合由100 %蒙脱石组成 Fig. 4 Clay mineral assemblage of modern sediment at the Pinatubo crater in Luzon (a)Photo of the Pinatubo crater, produced by an eruption on 15 June, 1991; (b)Tephra weathering profile at the Pinatubo crater, presenting volcanic ash deposits from the most recent eruption; (c)Multiple X-ray diffractograms of typical sample PNT01, showing analysis results of air-dried, glycolated, and heated conditions, and the result indicates that clay mineral assemblage of this sample consists of 100 % smectite

因此,南海海底表层沉积物中的蒙脱石是以陆源碎屑成因为主,蒙脱石含量高的原因主要是由于物源区供给和差异沉降作用,南海南部季节性反转的洋流也起到重要作用。对于南海第四纪以来的沉积物而言,沉积期后的成岩作用一般都认为可以忽略[14- 16],至少目前还没有证据指出海底原地成岩作用对碎屑粘土矿物的形成有任何影响。而且,周边物源区的蒙脱石都是形成于火山岩的快速化学风化作用,特别是对于亚热带的东亚季风气候地区(如吕宋岛和中南半岛的湄南河流域)尤为明显[14, 28],表明南海蒙脱石具有指示同时期气候变化的能力。

3 南海第四纪粘土矿物组合

南海在第四纪时期的海陆格局具有突出的冰期-间冰期旋回变化,间冰期时接近现今的状态,而冰期时海平面平均下降100m,北部和南部出露了广袤的陆架[15]。但南海整体的构造格局在第四纪时已成型,粘土矿物在周边物源区形成的机制以及进入南海后的搬运过程也已成型[14, 15],因此适合用于开展东亚季风气候演化研究。前人对南海第四纪粘土矿物组合的高分辨率研究,显示在万年时间尺度上具有冰期-间冰期变化特征,与指示同时期季风气候风化作用或季风气候驱动下的表层洋流搬运作用紧密关联[15, 19, 20]

3.1 第四纪冰期旋回粘土矿物记录

南海第四纪粘土矿物在冰期旋回时间尺度上的高分辨率研究,仅在北部陆坡的ODP1146和ODP1148站开展过(图 1)。ODP1146站(19°27.40′N,116°16.37′E)水深2092m,位于南海等深流路径上,其第四纪2Ma以来粘土矿物组合以蒙脱石(21 % ~ 59 %)和伊利石(22 % ~ 43 %)为主,并含有绿泥石(10 % ~ 30 %)和高岭石(2 % ~ 18 %),4种粘土矿物的含量都表现出冰期-间冰期旋回变化[15]。一般地,伊利石和绿泥石具有相同的变化型式,冰期时含量增高,间冰期时含量降低;蒙脱石含量同伊利石和绿泥石含量呈现相反的变化趋势;而高岭石的含量稳定,多数冰期时含量增高,间冰期时含量降低。ODP1148站(18°50.17′N,116°33.94′E)水深3294m,位于北部陆坡底端,基本上不受等深流影响,其第四纪2Ma以来粘土矿物组合也是以蒙脱石(20 % ~ 58 %)和伊利石(25 % ~46 %)为主,含有绿泥石(12 % ~ 26 %)和高岭石(4 % ~11 %)(源自作者未发表数据)。类似地,ODP1148站4种粘土矿物的含量都表现出与ODP1146站相同的冰期-间冰期旋回变化。

根据南海北部第四纪海陆构造格局接近现代的情况[41],认为ODP1146和ODP1148这两个站位粘土矿物的物源区也接近现今的格局,即:蒙脱石主要由吕宋岛弧提供,伊利石和绿泥石主要由台湾和华南提供,而高岭石主要由华南提供[14, 27, 29]。这样,蒙脱石/(伊利石+绿泥石)比值则表示吕宋物源相对于台湾和华南物源的变化,两个站位的第四纪蒙脱石/(伊利石+绿泥石)比值都显示出清晰的冰期-间冰期旋回变化,间冰期时比值升高,冰期时比值降低[15](图 5)。两个站位粘土矿物比值在第四纪以来的长期演化趋势上,在1200~400ka期间比值增高[15],表明吕宋岛弧由于增强的季风化学风化作用提供更多的蒙脱石,或者由于降雨减弱使得台湾和华南侵蚀能力降低而减少提供伊利石和绿泥石。尽管这样,我们仍然发现在ODP1146和ODP1148两个站位粘土矿物含量变化的不同步现象,在ODP1146站蒙脱石自1200ka开始的增幅明显高于ODP1148站(图 5),推测是由于两个位于南海北部陆坡不同水深站位受到底流的不同程度影响而造成的,位于更深水的ODP1148站在1200~800ka期间的底流可能更强,带来更多台湾提供的伊利石和绿泥石稀释了蒙脱石含量,从而造成蒙脱石/(伊利石+绿泥石)比值的增幅在此期偏低。

图 5 南海第四纪冰期旋回粘土矿物的蒙脱石/(伊利石+绿泥石)比值 ODP1146站粘土矿物据文献[15];ODP1148站粘土矿物源自作者未发表数据;ODP1146站底栖有孔氧同位素及其年龄模式据文献[42, 43] Fig. 5 Glacial-cyclic clay mineralogical smectite/(illite+chlorite)ratio during the Quaternary in the South China Sea Clay minerals of ODP Site 1146 after reference[15], clay minerals of ODP Site 1148 from the authors' unpublished data, and benthic foraminiferal oxygen isotopes and age model of ODP Site 1146 after references[42, 43]
3.2 晚第四纪高分辨率粘土矿物记录

南海晚第四纪冰期旋回的更高分辨率粘土矿物记录已有较多研究,包括北部陆坡MD12-3432孔和ODP1145站、西部越南岸外MD01-2901孔以及西南部湄公河口岸外MD01-2393孔(图 1)。MD12-3432孔(19°16.88′N,116°14.52′E)水深2125m,邻近ODP1146站,但是晚第四纪粘土矿物研究的分辨率是ODP1146站的6倍多[18],因而能够提供更高分辨率的古环境演化信息。MD12-3432孔400ka以来粘土矿物组合以蒙脱石(23 % ~ 59 %)和伊利石(22 % ~ 43 %)为主,并含有绿泥石(13 % ~ 27 %)和高岭石(4 % ~ 13 %)[18]。这个粘土矿物组合与ODP1146站[15]完全一致,但除了显示大致的冰期-间冰期旋回变化以外,蒙脱石还呈现更高频率的变化特征,并且蒙脱石含量的变化与伊利石和绿泥石呈相反趋势;而高岭石具有最为显著的冰期-间冰期旋回变化,冰期时含量增高,间冰期时含量降低[18]。MD12-3432孔的蒙脱石/(伊利石+绿泥石)比值显示在冰期旋回的变化中叠加了更高频率的岁差周期,与北半球夏季日射量变化吻合较好,粘土矿物高比值与日射量高值[44]对应(图 6)。

图 6 南海晚第四纪高分辨率粘土矿物的蒙脱石/(伊利石+绿泥石)比值 MD12-3432孔粘土矿物据文献[18];ODP1145站粘土矿物文献[16];MD01-2901孔粘土矿物据文献[19];MD01-2393孔粘土矿物据文献[20];ODP1146站底栖有孔氧同位素及其年龄模式据文献;北半球夏季日射量据文献[44] Fig. 6 High-resolution clay mineralogical smectite/(illite+chlorite)ratio during the Late Quaternary in the South China Sea Clay minerals of Core MD12-3432 after reference[18], clay minerals of ODP Site 1145 after reference[16], clay minerals of Core MD01-2901 after reference[19], clay minerals of Core MD01-2393 after reference[20], benthic foraminiferal oxygen isotopes and age model of ODP Site 1146 after referencesand mean summer insolation at latitude of 65°N after reference[44]

ODP1145站(19°35.04′N,117°37.86′E)水深3175m,晚第四纪450ka以来的粘土矿物组合仍然以蒙脱石(20 % ~ 58 %)和伊利石(24 % ~ 44 %)为主,并含有绿泥石(13 % ~ 27 %)和高岭石(3 % ~ 14 %)[16]。这个站位的粘土矿物组合变化类似于MD12-3432孔,蒙脱石、伊利石和绿泥石含量变化的冰期-间冰期旋回特征不明显,而蒙脱石呈现更清晰的高频率变化特征;但类似地,蒙脱石含量的变化与伊利石和绿泥石呈相反趋势,而且高岭石具有显著的冰期-间冰期旋回变化,冰期时含量增高,间冰期时含量降低[16]。ODP1145站的蒙脱石/(伊利石+绿泥石)比值显示明显的岁差周期(图 6),其比值高值对应于北半球夏季日射量[44]的高值。

MD01-2901孔(14°22.50′N,110°44.60′E)水深1454m,位于越南岸外夏季上升流海区,晚第四纪450ka以来的粘土矿物组合以伊利石(26 % ~ 46 %)、蒙脱石(15 % ~ 40 %)和绿泥石(15 % ~30 %)为主,并含一定量的高岭石(7 % ~23 %)[19]。与南海北部站位相比较,MD01-2901孔的蒙脱石含量稍有降低,高岭石增加较多[19]。不同于南海北部站位,MD01-2901孔的伊利石、绿泥石和高岭石含量表现出明显的冰期-间冰期旋回变化,伊利石和绿泥石具有相同的变化型式,间冰期时含量增高,冰期时含量降低;而高岭石含量与伊利石和绿泥石含量基本呈镜像关系,冰期时含量比间冰期时含量高;该站位蒙脱石含量基本不具冰期-间冰期旋回性,但呈现更高频率的周期性变化[19]。MD01-2901孔的蒙脱石/(伊利石+绿泥石)比值继承了蒙脱石含量的高频率变化特征,具有明显的岁差周期,其比值高值对应于北半球夏季日射量[44]的高值(图 6)。

MD01-2393孔(10°30.15′N,110°03.68′E)水深1230m,位于湄公河口岸外陆坡,晚第四纪190ka以来的粘土矿物组合以伊利石(22 % ~ 40 %)和蒙脱石(20 % ~ 50 %)为主,并含有绿泥石(12 % ~25 %)和高岭石(10 % ~ 26 %)[20]。与上文介绍的南海北部MD12-3432孔和ODP1145站以及西部MD01-2901孔粘土矿物组合不同的是,MD01-2393孔的4种粘土矿物含量都呈现明显的冰期-间冰期旋回变化。一般地,伊利石、绿泥石和高岭石在冰期时含量高,间冰期时含量低;而蒙脱石含量与伊利石呈镜像关系,间冰期时含量比冰期时含量高[20]。MD01-2393孔的蒙脱石/(伊利石+绿泥石)比值显示明显的冰期旋回特征,并具有叠加的岁差周期,其比值高值对应于北半球夏季日射量[44]的高值(图 6)。

以上这些站位的晚第四纪高分辨率粘土矿物记录,尽管都是在冰期-间冰期旋回变化的基础上叠加了更高频率的周期性变化,但他们的分布型式和变化具有很大的不同,主要是受到南海不同海区的物源区供给和洋流搬运作用的强烈影响(图 6)。位于南海北部陆坡的MD12-3432和ODP1145站,虽然是受到不同水深的不同强度底流影响,但类似于上文讨论的ODP1146和ODP1148站第四纪以来的长期变化,这两个站位粘土矿物变化的总体型式还是很类似,体现为西向的表层洋流搬运吕宋岛弧提供的蒙脱石和西南向的深水底流搬运台湾提供的伊利石和绿泥石,说明粘土矿物源区供给和洋流搬运过程的相同机制。南海西部越南岸外MD05-2901孔的粘土矿物具有不同的源区和洋流搬运过程,体现为间冰期主导的北向表层洋流搬运湄公河提供的伊利石和绿泥石和印度尼西亚岛弧提供的蒙脱石(冰期出露的巽他陆架也提供蒙脱石),因此,该站位的伊利石和绿泥石含量冰期-间冰期旋回变化与北部站位相反,在间冰期时含量增高,冰期时含量降低,而蒙脱石基本不具冰期旋回变化特征。而位于湄公河口岸外陆坡MD01-2393孔的粘土矿物都是由湄公河流域提供,呈现非常明显的冰期-间冰期旋回变化,解释为反映同时期的间冰期时增强的化学风化作用(形成含量更高的蒙脱石)、以及冰期时减弱的化学风化作用或增强的机械侵蚀作用。

尽管南海北部在晚第四纪时期蒙脱石的来源还有争议,比如认为珠江口三角洲(香港近岸)全新世3000年以来蒙脱石含量达到30 %是由于珠江源区提供物质发生变化的原因[45],但至今还没有证据说明珠江流域在第四纪时期能够提供比较高蒙脱石含量的粘土矿物组合。因此,我们推断珠江口近岸局部区域的高蒙脱石含量仍然是由于蒙脱石的差异沉降造成的,如现代北部湾中部的蒙脱石含量可达50 % ~60 %,是由红河平均含量仅6 %蒙脱石的差异沉降作用形成[14, 26],也有学者认为华南沿岸小的岛屿可能提供含量比较高的蒙脱石[46]

综上所述,南海晚第四纪高分辨率粘土矿物记录显示,蒙脱石与伊利石和绿泥石具有完全不同的形成机制。蒙脱石含量通常在冰期-间冰期旋回变化的基础上叠加更高频率的周期性变化,而且整体分布型式是以后者为主;伊利石和绿泥石含量通常具有清晰的冰期-间冰期旋回变化特征。蒙脱石/(伊利石+绿泥石)比值从而就放大了蒙脱石高频率的周期性变化特征。此外,高岭石含量都具有显著的冰期-间冰期旋回变化,冰期时含量增高,间冰期时含量降低。

4 讨论和结论:蒙脱石/(伊利石+绿泥石)比值作为东亚夏季风演化的指标

南海粘土矿物能否指示东亚季风演化的关键,在于确认粘土矿物具有指示同时期气候变化的能力。大量表层样品和多个沉积岩芯的研究显示,南海第四纪以来的蒙脱石主要是形成于周边岛屿火山岩的快速化学风化作用,记录了同时期的东亚夏季风气候条件[18, 20, 28, 30]。南海海底表层沉积物中的蒙脱石含量普遍很高[14, 29],与周边物源区的河流输入不能匹配,这是因为蒙脱石在海洋搬运过程的强烈差异沉降作用造成。南海沉积中的蒙脱石以陆源碎屑来源为主[39],至少目前还没有证据说明海底火山物质的原地化学风化成因。蒙脱石能够在周边火山岩地区通过化学风化作用快速形成,比如吕宋岛皮纳图博火山口的蒙脱石形成时间小于20年。通过对吕宋岛蒙脱石形成的化学风化作用研究,显示由东亚夏季风驱动下的中等化学风化作用即可形成稳定的蒙脱石[28],从而体现蒙脱石对亚热带夏季风演化的敏感性。然而,同样是普遍发育中基性火山岩的苏门答腊岛,蒙脱石形成的时间也很快(远小于12ka)[30];但是,由于热带长期温暖潮湿的气候条件促使蒙脱石形成后进一步风化成高岭石,表现为强烈的化学风化作用,反而失去对指示夏季风演化的敏感性。

南海第四纪以来的伊利石和绿泥石形成于周边大陆和岛屿的机械侵蚀作用,与强烈降雨引发的侵蚀能力或东亚冬季风相对寒冷的气候条件有关[15, 16, 18, 20]。南海北部陆坡无论是第四纪冰期旋回的长期变化,还是晚第四纪冰期旋回的更高分辨率研究,伊利石和绿泥石含量一般都具有冰期-间冰期旋回变化特征,冰期时含量增高,间冰期时含量降低,指示东亚冬季风相对寒冷的气候条件[15, 16, 18]。而在南海西部越南岸外,呈明显冰期-间冰期旋回变化的伊利石和绿泥石含量,是在冰期时含量降低,间冰期时含量增高,解释为间冰期时向北的表层洋流将湄公河提供伊利石和绿泥石向北搬运,而冰期时向南的表层洋流搬运由珠江提供的高岭石,同时抵挡了湄公河提供的伊利石和绿泥石向北传输,这指示季节性反转的表层洋流搬运作用,是物源区强烈降雨与洋流搬运过程的综合响应[19]。在南海西南部湄公河口岸外,伊利石和绿泥石含量体现了湄公河流域同时期的机械侵蚀作用,冰期含量增高,指示增强的冬季风相对寒冷气候条件或者减弱的夏季风相对温暖潮湿气候条件[20]

而南海第四纪以来的高岭石形成于周边陆地表面的强烈化学风化作用,指示地质历史时期累积的或第四纪同时期的温暖潮湿气候条件[15, 19, 20]。但由于强烈的差异沉降作用,高岭石在南海主要沉积在近海陆架区域,在深海沉积的粘土矿物组合中,高岭石含量最低[14, 29]。尽管高岭石形成于强烈的化学风化作用,但是南海深海第四纪以来高岭石含量都具有冰期时含量增高、间冰期时含量降低的冰期-间冰期旋回变化特征[15, 16, 18, 20],这说明南海深海高岭石完全不具备指示同时期气候变化的能力。然而,正是由于高岭石的强烈差异沉降作用,在冰期旋回的海平面变化中,低海平面时期更容易将河流输入的高岭石或先前沉积在陆架上的高岭石向深海搬运,从而形成高岭石含量指示海平面变化的古环境特征[19]。虽然苏门答腊岛的高岭石可以在强烈化学风化作用快速形成[30],具有指示同时期东亚夏季风气候条件的潜力,但由于强烈的差异沉降作用,被搬运到深海的少量高岭石的含量变化受到海平面变化和洋流搬运作用强烈干扰,从而可能失去有效指示同时期气候条件的能力[14]

因此,我们提出蒙脱石/(伊利石+绿泥石)比值是南海第四纪东亚夏季风演化的良好指标,比值高代表夏季风温暖潮湿气候条件下增强的化学风化作用,比值低指示冬季风相对寒冷气候条件下减弱的化学风化作用,或是强烈降雨气候条件下增强的机械侵蚀作用。第四纪以来的长期演化显示南海在1200~400ka期间盛行夏季风,可能是受到赤道太平洋厄尔尼诺-南方涛动(ENSO)的影响[47]。因此,我们根据图 5图 6的数据,进行粘土矿物指标的频谱分析(图 7),结果表明在第四纪冰期旋回的长期变化中,东亚夏季风表现与海平面变化相一致的演化特征,呈现41ka的斜率周期(图 7a7b);而在晚第四纪冰期旋回的更高分辨率变化中,东亚夏季风演化还呈现出23ka的岁差周期(图 7c7d)。南海东亚夏季风演化的强弱与北半球夏季日射量基本呈线性关系,表明东亚季风演化的天文驱动机制。

图 7 南海东亚夏季风演化指标蒙脱石/(伊利石+绿泥石)比值的频谱分析 (a)ODP1146站;(b)ODP1148站;(c)MD12-3432孔;(d)ODP1145站 Fig. 7 Redfit spectral analyses of smectite/(illite+chlorite)ratio, a proxy of East Asian summer monsoon evolution in the South China Sea
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Clay mineralogical proxy of the East Asian monsoon evolution during the Quaternary in the South China Sea
Liu Zhifei, Zhao Yulong, Wang Yijie, Chen Quan     
( State Key Laboratory of Marine Geology, Tongji University, Shanghai 200092)

Abstract

The South China Sea is the largest marginal sea in the western Pacific and has a great potential for recording the East Asian monsoon evolution history. Based on approaches over the past ten years, this study tends to summarize clay minerals as an effective proxy for reconstructing the East Asian monsoon evolution in the South China Sea. Investigations on plentiful seafloor surface samples and many sediment cores in the South China Sea show that smectite is formed from the rapid chemical weathering of volcanic rocks in surrounding islands during the Quaternary, and then presents contemporaneous East Asian summer monsoon climatic conditions; illite and chlorite are produced from physical erosion in surrounding continents and islands, relating to intense rainfall triggered erosion ability or to East Asian winter monsoon cold climatic conditions; while kaolinite is formed from intensive chemical weathering of surrounding lands, and indicates warm and humid climatic conditions either accumulated in the geological past or contemporaneously during the Quaternary. However, due to strong differential settling effect, most of kaolinite is deposited on the coastal shelf, and kaolinite deposited in the deep sea mostly refers to sea-level change history. Therefore, we come up with the smectite/(illite+chlorite)ratio as an effective proxy for reconstructing the East Asian summer monsoon evolution in the South China Sea. A higher ratio stands for enhanced chemical weathering forced by summer monsoon warm and humid conditions; a lower ratio indicates weakened chemical weathering driven by winter monsoon cold conditions, or strengthened physical erosion triggered by intense rainfall. The evolution of East Asian summer monsoon in the South China Sea provides an almost linear response to the summer insolation of the Northern Hemisphere, implying an astronomical forcing of the East Asian monsoon evolution. The long-term variability during the Quaternary indicates prevailed summer monsoon during 1200~400ka in the South China Sea, suggesting the influence of El Niño -Southern Oscillation(ENSO).
Key words: East Asian summer monsoon     proxy     clay minerals     smectite/(illite+chlorite)     chemical weathering     Quaternary     South China Sea