2019, Vol.39
2 自然资源部第三海洋研究所, 海洋与海岸地质实验室, 福建 厦门 361005)
南海作为西太平洋地区最大的边缘海，是世界上接受陆源物质最多的封闭或半封闭海盆，其周边陆地及岛屿受强劲东亚季风降雨影响，陆表物理化学风化作用很强、剥蚀速率极大，且河流系统非常发育，每年向南海输入约1600 Mt的陆源悬移物质，可达世界总量的8.4% [1~3]。这些巨量的陆源物质携带了大量的物源区气候变化信息，经河流搬运进入南海后，受到不同洋流体系的搬运作用，形成的连续高速堆积沉积物同时兼具源区气候和洋流搬运特征；加之良好的碳酸盐保存条件，促使南海成为开展高分辨率海洋沉积学、探讨古海洋和古气候快速变化的天然实验室[4~6]。过去多年来围绕海洋沉积学进行的大量研究发现，南海沉积物中陆源碎屑物质粒度结构、化学元素和矿物组成、磁性矿物特征以及生源物质都显示明显的千百年时间尺度变化，主要与东亚季风和南海洋流系统的快速演变过程有关[7~15]；其中，粘土作为陆源碎屑的重要成分，其从源到汇的搬运沉积过程与盛行的东亚季风密切相关，具备揭示物源区同时期气候变化的能力[16~18]，为研究东亚季风快速波动提供了潜在的良好研究材料。
南海沉积物的粘土矿物组合能够用于揭示东亚季风不同时间尺度的演化，主要基于东亚季风降雨影响下不同源区提供了差异显著的粘土矿物组合，以南海北部最为显著[19~21]。南海北部的粘土矿物主要有华南、台湾和吕宋这3个物源区，高岭石绝大部分来自华南，蒙脱石主要源自吕宋，伊利石和绿泥石则同时源于台湾和华南[2~3](图 1)。当东亚夏季风降雨增强时，化学与物理风化作用同步变强，吕宋提供的蒙脱石增量相对更多；而东亚冬季风变强时，化学风化作用减弱，吕宋贡献的蒙脱石相对减少，台湾则输入相对较多的伊利石和绿泥石[17~18, 27]。据此开展的大量研究结果表明，蒙脱石/(伊利石+绿泥石)比值主要反映了吕宋和台湾粘土矿物输入量大小的相对变化，可以作为指示同时期东亚季风变化的良好指标[17~18]，并在冰期-间冰期旋回和千年时间尺度上都获得了成功应用[3, 16, 27~29]。
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图 1
南海北部东亚季风和洋流系统以及MD12-3432和MD12-3434研究岩芯地理位置
文中讨论所涉及的岩芯站位包括ODP1145(19°35.4′N，117°37.86′E；水深3175 m)、MD05-2904(19°27.32′N，116°15.15′E；水深2066 m)、MD05-2905(20°8.17′N，117°21.61′E；水深1647 m)、GeoB16601-6(20°9.7′N，116°14.38′E；水深1012 m)、GeoB16602-4(18°57.12′N，113°42.64′E；水深970 m)、KNG5(19°55.17′N，115°8.53′E；水深1085 m)和GHE27L(19°50.85′N，115°20.81′E；水深1533 m)，它们主要分布在3个水深断面上：断面A包括GeoB16601-6、MD05-2904、MD12-3432和MD12-3434这4个岩芯，断面B包括KNG5、GHE27L和MD12- 3434这3个岩芯，断面C包括MD05-2905和ODP1145这两个岩芯；图中亮紫色等值线图表示研究岩芯及邻近海域表层沉积物样品的蒙脱石含量空间分布，修改自文献[2~3]；东亚季风及风向据文献[22]；夏季和冬季表层洋流体系据文献[23]；深水洋流据文献[24]和[25]；黑潮据文献[26] 南海洋流编号分别代表：1.黑潮南海分支；2.南海暖流；3.广东沿岸流 Fig. 1 The East Asian monsoon systems and oceanic currents in the northern South China Sea(SCS)showing the geographic locations of cores MD12-3432 and MD2-3434. Several referenced sediment cores including ODP1145(19°35.4′N, 117°37.86′E; water depth 3175 m), MD05-2904(19°27.32′N, 116°15.15′E; water depth 2066 m), MD05-2905(20°8.17′N, 117°21.61′E; water depth 1647 m), GeoB16601-6(20°9.7′N, 116°14.38′E; water depth 1012 m), GeoB16602-4(18°57.12′N, 113°42.64′E; water depth 970 m), KNG5(19°55.17′N, 115°8.53′E; water depth 1085 m), and GHE27L(19°50.85′N, 115°20.81′E; water depth 1533 m)are mainly locating on three transects A, B, and C. Transect A including cores of GeoB16601-6, MD05-2904, MD12-3432, and MD12-3434, Transect B including cores of KNG5, GHE27L, and MD12-3434, while Transect C including Core MD05-2905 and ODP Site 1145. The spatial distribution of smectite content in surface sediments surrounding studied sites is modified after references [2~3] and marked with magenta. Monsoon winds during winter(blue arrow with tail)and summer(red arrow with tail)after reference [22], surface currents during both winter and summer after reference [23], deepwater current after references [24~25], Kuroshio Current after reference [26]. Numbers with arrows indicate major surface currents in the northern SCS:1. SCS Branch of Kuroshio Current; 2. SCS Warm Current; 3. Guangdong Coastal Current |
然而，由于蒙脱石/(伊利石+绿泥石)比值同时涉及到台湾和华南两个物源区贡献的伊利石和绿泥石，而其中来自华南贡献的部分受到海平面变化的强烈控制[12, 18, 30]，这势必导致该粘土矿物比值记录的气候变化信息存在一定偏差。冰期时海平面大幅度降低[31]，华南陆源碎屑向深海的搬运距离显著变小，陆源碎屑堆积速率明显增加[32]，华南贡献的伊利石和绿泥石也随之大幅增加，这种变化可能会影响甚至覆盖一些关键气候变化事件的表达[33]。因此，本文基于南海北部陆坡MIS 2期两个岩芯MD12-3432和MD12-3434已发表的粘土矿物数据及其物源分析结果，采用伊利石结晶度线性剥离法[3, 12, 20]，定量计算不同源区粘土相对贡献量的时间序列变化，提出吕宋/台湾贡献比值可以作为指示东亚夏季风快速变化的新指标，可剔除冰期时海平面降低对蒙脱石/(伊利石+绿泥石)比值气候信息记录的影响；进而通过与邻近其他岩芯粘土记录对比分析，探讨南海北部粘土矿物对东亚夏季风快速波动的响应差异及其控制因素。
1 材料与方法岩芯MD12-3432(19°16.88′N，116°14.52′E；水深2125 m)和MD12-3434(18°49.84′N，116°18.89′E；水深2995 m)位于南海北部珠江峡谷东北侧的陆坡断面上(图 1)，二者水深相差约900 m，由2012年实施的中法合作航次“MD190-CIRCEA”(Circulation in East Asian Seas)使用Marion-Dufresne科考船采集。两个岩芯长度分别为50.80 m和8.33 m，沉积物以灰色或深灰色粘土为主，均匀连续且无明显生物扰动[34]。MD12-3432岩芯长时间尺度年龄框架主要通过与邻近ODP1146站位CaCO3含量数据对比，结合东亚石笋δ18O数据，使用AnalySeries软件调谐获得[17, 35~36]。本文进一步利用同位置的MD12-3433岩芯高分辨XRF-Ca元素结合16个AMS 14C测年数据建立的高精度年龄框架[32, 37~38]，对MD12-3432岩芯年龄框架进行了一定调整。深水MD12-3434岩芯的年龄框架则是基于G.ruber和C. wuellerstorfi的δ18O地层，结合8个有效AMS 14C测年数据来获得[18, 39]。两个岩芯的底部年龄分别为400 ka B. P.和60 ka B. P.，平均沉积速率分别为12.7 cm/ka和10.7 cm/ka。二者采样分辨率为10 cm和2 cm，在MIS 2期分别获得31个和78个粘土矿物数据，对应的时间分辨率为387 a和154 a。
基于MD12-3432和MD12-3434这两个岩芯粘土矿物主要来自华南、台湾和吕宋3个物源区[17~18]，采用伊利石结晶度线性剥离方法(详见文献[12, 20])，可定量计算MIS 2期3个物源区对两个岩芯粘土相对贡献量的时间序列变化。第四纪时期南海北部构造相对稳定，华南、台湾和吕宋3个物源区向南海北部提供的粘土组合与现代基本一致，即高岭石基本源自华南，蒙脱石主要由吕宋提供，而伊利石和绿泥石则同时来自华南和台湾[2~3]；同时，华南和台湾提供的伊利石结晶度差异很大(0.159°~0.301°Δ2θ和0.120°~0.211°Δ2θ)，且伊利石和绿泥石具有良好的线性关系[2, 20]。根据华南和台湾河流沉积物伊利石结晶度数据，结合两个源区河流输沙量进行加权平均计算，可获得二者伊利石结晶度大小分别为0.224°Δ2θ和0.155°Δ2θ[3, 12]。然后，针对MD12-3432和MD12-3434这两个岩芯MIS 2期每一组粘土矿物数据的伊利石结晶度C[17~18]，假设其源自华南和台湾的占比分别为X和Y，那么有X + Y =1和0.224X + 0.155Y =C，求解此方程组，乘以伊利石和绿泥石之和，即可获得台湾和华南对两个岩芯分别贡献的伊利石和绿泥石含量。因此，华南提供的部分伊利石和绿泥石加上高岭石含量为华南贡献的粘土相对量，余下的伊利石和绿泥石则为台湾贡献的粘土相对量，蒙脱石含量即是吕宋贡献的粘土相对量。
2 结果MIS 2期华南、台湾和吕宋3个物源区对MD12-3432岩芯粘土矿物的贡献量变化范围分别为9%~17%、36%~62%和28%~48%，平均值依次为11%、54%和35%；而MD12-3434岩芯粘土矿物来自3个物源区的贡献量变化范围则分别为3%~14%、39%~60%和28%~50%，平均值依次为9%、51%和40% (图 2)。整体而言，两个岩芯粘土矿物主要由台湾和吕宋提供，二者贡献量之和一般大于90%，来自华南的贡献量相对较小，通常小于10%。在整个MIS 2期，台湾和吕宋对两个岩芯的粘土相对贡献量呈现明显的反向变化，台湾贡献量在24~19 ka B. P.(末次冰盛期)和16~12 ka B. P.期间显示减小趋势，在19~16 ka B. P.期间呈现明显增加趋势，吕宋贡献量与之相反。相对地，华南相对贡献量则相对独立，与岩芯伊利石结晶度时间序列变化比较相似，在24~16 ka B. P.期间呈现缓慢增加，而后至MIS 2末期显示减小趋势。华南、台湾和吕宋这3个物源区对MD12-3432和MD12-3434岩芯相对贡献量的时间序列变化，均显示相对显著的快速变化，如在约23 ka B. P.、20 ka B. P.和15 ka B. P.前后等。
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图 2 南海北部MIS 2期不同源区对MD12-3432和MD12-3434两个岩芯粘土相对贡献量的时间序列变化 亮紫色和蓝色三角形分别指示MD12-3432和MD12-3434两个岩芯AMS 14C数据[17~18, 37, 39]；MD12-3432和MD12-3434两个岩芯伊利石结晶度数据分别源自文献[17]和[18]，末次冰盛期持续时间据文献[40] Fig. 2 Time series variations of relative clay mineral contributions from various provenances at cores MD12-3432 and MD12-3434 during MIS 2 in the northern SCS. AMS 14C data[17~18, 37, 39] of cores MD12-3432 and MD12-3434 are marked by magenta and blue triangles, respectively. The illite crystallinity data of cores MD12- 3432 and MD12-3434 are from references [17~18]. The time of the Last Glacial Maximum is cited by reference[40] and marked as a vertical gradient ice-blue bar |
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图 3 MD12-3432和MD12-3434岩芯粘土矿物相对贡献量(a)和粘土矿物组合(b)物源三角图及其与邻近岩芯的对比 华南、吕宋和台湾河流沉积物粘土矿物数据源自文献[3]和[19~21]，GHE27L、KNG5、ODP1145、MD05-2904、MD05-2905、MD12-3432和MD12-3434岩芯粘土数据分别源自文献[41]、[30]、[27]、[12]、[3]、[17]和[18]，GeoB16601-6和GeoB16602-4岩芯粘土矿物数据源自文献[33]；为了便于对比，对GHE27L、KNG5、GeoB16601-6和GeoB16602-4岩芯均进行了去除Biscaye(1965)权重系数的计算[42]，后文出现此类数据亦同样处理 Fig. 3 Ternary diagram of relative clay mineral contribution from three end-member sources (a) as well as major clay groups (b) of cores MD12-3432 and MD12-3434 and their comparison with neighboring sediment cores. Clay mineral data of South China, Luzon, and Taiwan are from references [3, 19~21]; clay mineral assemblage of cores GHE27L, KNG5, MD05-2904, MD05-2905, MD12-3432, MD12-3434, and ODP Site 1145, after references [41], [30], [27], [12], [3], [17], and [18], respectively; while clay mineral data of cores GeoB16601-6 and GeoB16602-4 from reference [33]. To better conduct a comparative analysis, weighting factor proposed by Biscaye(1965)[42] was removed from clay mineral data of cores GHE27L, KNG5, GeoB1660-6, and GeoB16602-4, and such re-calculation was also done to those similar clay data referenced in the next sections |
南海北部MIS 2期华南、台湾和吕宋3个物源区对陆坡海域粘土贡献的相对量显示明显的空间递变特征，且具有一定的时间变化差异，主要与洋流搬运和物源控制作用有关。沿断面A随着水深增加，由MD12-3432站位(水深约2000 m)至MD12-3434站位(水深约3000 m，图 1)，华南的粘土相对贡献量呈现减小趋势(图 2和3a)，体现了明显的物源控制作用，即距离物源区越远，其粘土贡献量越小。在24~16 ka B. P.时期，台湾的贡献量随着水深增加而减小；但在16~12 ka B. P.期间主要显示增加趋势，吕宋贡献量的变化与之相反。台湾和吕宋的粘土贡献量在MIS 2期的这种随水深增加而发生的反向变化，可能与该时期等深流的强弱变化有关。台湾对两个研究岩芯贡献的粘土矿物主要由等深流搬运至研究站位[17~18]，而现代海洋综合锚系观测和沉积记录均表明南海北部等深流对源于台湾的陆源碎屑具有较强的搬运作用[24~25, 43~45]，考虑到两个岩芯水深及等深流活动范围，说明位于水深2000 m左右的MD12-3432岩芯受等深流影响相对较大。当等深流在末次冰盛期相对较强时[14]，MD12-3432岩芯接受来自台湾的粘土明显大于深水的MD12-3434岩芯(图 2)；而后随着等深流的相对减弱，促使台湾在15~12 ka B. P.期间对MD12-3432岩芯的粘土贡献量相对小于MD12-3434岩芯。
为了更为充分地讨论上述粘土相对贡献量的空间变化，这里结合前人对邻近海域两个岩芯MD05- 2904和MD05-2905不同源区粘土相对贡献量的分析结果[3, 12]，进一步展开了对比分析。沿等深流搬运方向，MD05-2905岩芯距离台湾更近，接受更多来自台湾贡献的粘土矿物(平均58%)；而随着搬运距离的增加，至MD05-2904站位来自台湾贡献的粘土(平均31%)明显小于前者，相对接受更多华南和吕宋的粘土贡献(图 3a)，同时体现了洋流搬运和物源区远近对粘土相对贡献量空间分布的影响。另外，MD05- 2904和MD12-3432两个站位相距极近、水深相差很小(图 1)，但是二者在MIS 2期接受吕宋和台湾的粘土贡献量相差极大。MD05-2904岩芯接受华南贡献粘土的相对量(平均34%)远大于后者(平均11%)，而MD12-3432岩芯来自台湾的粘土贡献(平均54%)明显大于前者(平均31%，见图 3a)。推测可能是由于两个岩芯分布在尖峰海山附近(据高分辨率多波束海底地形地貌调查结果[46])，较大的地形起伏和海山对洋流的阻隔可能共同导致了粘土矿物搬运沉积过程的局部改变，从而引起不同源区对两个岩芯粘土相对贡献量的差异。这种局部地形变化引起的粘土矿物组合变化，还需要进一步开展相关研究来证实。
3.2 吕宋/台湾粘土贡献比值对东亚夏季风快速变化的指示意义MD12-3432和MD12-3434两个岩芯MIS 2期粘土矿物以蒙脱石(平均值分别为35%和41%)和伊利石(平均值分别为34%和31%)为主，绿泥石含量中等(平均值分别为21%和20%)，高岭石最少(平均值分别为10%和8%)。两个岩芯粘土矿物组合变化主要显示蒙脱石和伊利石与绿泥石的相对变化，伊利石与绿泥石含量的时间序列变化趋势极为相似，与蒙脱石呈反向镜像变化[17~18]。通过南海大量现代表层沉积物与周边潜在物源区河流沉积物的粘土组合对比研究，结果表明蒙脱石以源自吕宋为主，无明显季节性变化的表层洋流是其主要搬运介质，黑潮南海分支也有一定影响；伊利石与绿泥石则主要源自台湾，主要由等深流搬运而来[2~3](图 1)。并且，在整个晚第四纪时期各源区贡献的粘土组合与现代基本一致，其洋流搬运过程亦与现代相似，只是动力强弱发生一定变化[16~18]。受东亚季风降雨和频繁构造活动的影响，吕宋源区化学风化作用极强，风化速率可达114~396 g/(m2 a)[47]；而台湾地区以强物理风化作用为典型特征，其剥蚀速率高达3~6 cm/a[48]；并且两个源区均没有充分的时间进行彻底的化学风化作用，分别向南海输入蒙脱石和伊利石与绿泥石[20~21]。特别地，有研究证实吕宋源区的蒙脱石可在20年内迅速形成[16]，表示南海北部的蒙脱石是反映同时期物源区气候变化的良好指标[17~18]。当东亚夏季风增强导致化学风化作用变强时，吕宋源区蒙脱石形成速率及供给增加，同步变强的降雨也导致物理剥蚀加强，向南海北部贡献相对较多的粘土矿物。相对地，当东亚夏季风减弱时，吕宋蒙脱石形成速率及供给减少，台湾向南海北部输入相对较多的粘土矿物[3, 12, 16~18, 27]。因此，MD12-3432和MD12-3434岩芯吕宋/台湾粘土贡献比值可以揭示东亚夏季风的快速变化。
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图 4 MIS 2期MD12-3432和MD12-3434岩芯吕宋/台湾粘土贡献量比值和蒙脱石/(伊利石+绿泥石)比值的快速波动及其与其他古气候变化记录对比 MD05-2904和MD05-2905岩芯吕宋/台湾贡献量比值和蒙脱石/(伊利石+绿泥石)比值由文献[2]和[3]发表数据重新计算获得；格陵兰冰芯δ18O数据源自文献[49]；东亚葫芦洞和董哥洞石笋δ18O数据来自文献[35]和[36]；DO和Henrich事件标记据文献[35] Fig. 4 Rapid changes in the Luzon/Taiwan clay contribution ratio and the smectite/(illite + chlorite)ratio of cores MD12-3432 and MD12-3434 and their comparison with other records of paleoclimate variations. The clay mineral ratio data of cores MD05- 2904 and MD05-2905 are recalculated after references [2] and [3], respectively; NGRIP δ18O record of Greenland ice core is from reference [49]; stalagmite δ18O data in the Hulu and Dongge caves are after references [35] and [36]. H1~H2 and DO events are marked after reference [35] |
根据计算结果，MD12-3432和MD12-3434两个岩芯MIS 2期吕宋/台湾粘土贡献比值的变化范围分别为0.46~1.12和0.46~1.24，平均值分别为0.67和0.81，时间变化趋势与吕宋粘土相对贡献量相似(图 2和4)。其中，MD12-3434岩芯吕宋/台湾粘土贡献比值显示明显的千年时间尺度变化，与东亚葫芦洞/董哥洞石笋和格陵兰冰芯δ18O记录基本一致[35~36, 49]，清晰地揭示了南海北部MIS 2期粘土矿物对北半球高纬地区Bølling-Allerød(BA)、Heinrich (H)和Dansgaard-Oeschger(DO)等快速气候变化事件的响应[50~52]。在BA和DO2时期，吕宋/台湾粘土贡献比值增加，指示东亚夏季风增强；而在H1和H2时期，吕宋/台湾粘土贡献比值减小，反映东亚夏季风减弱。相对地，MD12-3432岩芯吕宋/台湾粘土贡献比值仅是相对较为清晰地记录了BA和H1两次东亚夏季风快速变化事件。南海北部MIS 2期吕宋/台湾粘土贡献比值记录的东亚夏季风快速波动，主要通过低纬地区同时期快速化学风化作用和/或物源沉积物供给变化，把东亚夏季风与发生在北半球高纬地区的快速气候波动关联在一起。这种东亚夏季风对北大西洋高纬地区快速气候波动的响应，揭示了高低纬地区快速的海陆相互作用，与北大西洋经向翻转环流(Atlantic Meridional Overturning Circulation，简称AMOC)强弱变化有关[18, 53]。北半球西风带或者热带辐合带(Intertropical Convergence Zone，简称ITCZ)的经向移动过程，可以把发生在北大西洋高纬地区的Heinrich、BA和DO等气候快速变化信号，传输到东亚低纬地区。
与蒙脱石/(伊利石+绿泥石)比值相比[17~18]，MD12-3432和MD12-3434岩芯吕宋/台湾粘土贡献比值记录的东亚夏季风快速变化信号并没有显著增强，这是因为华南对两个岩芯贡献的粘土相对较小(平均值分别为9%和11%)(图 2)，其影响较为有限。但是对于MD05-2904和MD05-2905两个岩芯[3, 12]，二者吕宋/台湾粘土贡献比值明显比蒙脱石/(伊利石+绿泥石)比值揭示的气候变化信号更为清晰，记录的东亚夏季风快速波动更为显著(图 4)。MD05-2904和MD05-2905岩芯蒙脱石/(伊利石+绿泥石)比值变化范围分别为0.18~0.94(平均0.65)和0.12~0.51(平均0.27)，而两个岩芯吕宋/台湾粘土贡献比值依次为0.47~5.41(平均1.30)和0.12~0.73(平均0.34)，后者变化范围明显更大，比值平均值也显著增加，说明其记录的东亚夏季风快速变化信息也更为清晰。其中，以MD05-2904岩芯最为显著，其蒙脱石/(伊利石+绿泥石)比值在24~17 ka B. P.期间变化相对稳定，而吕宋/台湾粘土贡献比值则显示至少4次显著的快速增加事件，并基本上与葫芦洞石笋δ18O的4次轻微负偏过程一一对应[35]，且变化幅度相对更为突出，可能反映了东亚夏季风在更短时间尺度上的快速波动(图 4)。此外，该时期MD05-2905和MD12- 3434岩芯吕宋/台湾粘土贡献比值的时间序列变化也显示了这种类似的现象，只是清晰程度略有不同。
3.3 南海北部粘土矿物对东亚夏季风快速变化的响应差异及其控制因素根据上述MD05-2904、MD05-2905、MD12-3432和MD12-3434这4个岩芯吕宋/台湾粘土贡献比值揭示的MIS 2期东亚夏季风快速波动变化与对比分析，可以看出南海北部粘土矿物组合对东亚夏季风的响应具有明显的空间差异性(图 4)。其中，由于MD12-3432岩芯MIS 2期吕宋/台湾粘土贡献比值变化与其他3个岩芯差异相对较大(尤其是与距离极为相近的MD05-2904岩芯相比)，其原因除了局部地形变化的潜在影响之外，还可能在一定程度上受限于其较低的时间分辨率，这里不再进行详细对比分析，未来开展加密研究后再深入论述。在陆坡断面A上，MD05-2904和MD12-3434这两个岩芯吕宋/台湾粘土贡献比值显示出相似的千年时间尺度变化，但相对深水的MD12-3434岩芯则显示相对更为规律、变化幅度相对较大的快速波动。同时，沿等深流搬运方向，MD05-2905和MD05-2904这两个岩芯吕宋/台湾粘土贡献比值也在千年时间尺度上显示较好的相似性，但二者的变化幅度以及在更长时间尺度上的变化趋势差异显著。
为了进一步揭示南海北部MIS 2期粘土矿物对东亚夏季风快速变化响应的空间差异，我们结合邻近站位已经发表的粘土矿物数据进行深入对比剖析，主要包括5个岩芯GHE27L、KNG5、ODP1145、GeoB16601-6和GeoB16602-4[27, 30, 33, 41](图 1)。然而，由于不同实验室伊利石结晶度计算方法的不同，无法利用伊利石结晶度线性剥离法计算不同源区对这5个岩芯粘土的相对贡献量变化，但粘土矿物组合数据均是基于面积归一化法获取，所以对所有涉及数据均可进行去除Biscaye(1965)权重系数处理[42]，进而通过计算获得各岩芯蒙脱石/(伊利石+绿泥石)比值的时间序列变化，来探讨上述问题。结果显示，沿陆坡断面A和B随着水深的增加，蒙脱石/(伊利石+绿泥石)比值的快速波动强度和频率明显增加，规律性也更强(图 5)，这表示南海北部深水区粘土矿物对东亚夏季风快速变化的响应更为突出。对于两个断面上浅水区的KNG5和GeoB16601-6两个岩芯(约1000 m水深)，其蒙脱石/(伊利石+绿泥石)比值显示一定的快速波动。至陆坡断面中部水深1500~2000 m的两个站位MD05-2904和GHE27L，它们的蒙脱石/(伊利石+绿泥石)比值的快速波动幅度和频率明显增加，尤其在断面A上(图 5)。而至陆坡断面下部的MD12-3434岩芯，其粘土矿物比值显示更加显著且规律的快速波动，可与东亚石笋和格陵兰冰芯δ18O记录相比较，说明深水沉积环境更有利于保存粘土矿物记录的气候快速变化信息。同样地，这种现象在断面C上也有一定体现，尤其是末次冰期以来的粘土矿物记录(详见文献[18])，但受限于ODP1145粘土矿物较低的时间分辨率，在MIS 2期的表现并不显著。
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图 5 MIS 2期MD12-3432和MD12-3434岩芯蒙脱石/(伊利石+绿泥石)比的时间序列变化及其与邻近站位对比 GHE27L、KNG5、ODP1145、MD05-2904和MD12-3434岩芯粘土数据分别源自文献[41]、[30]、[27]、[12]和[18]；GeoB16601-6和GeoB16602-4岩芯粘土矿物数据源自文献[33] Fig. 5 Temporal variations of the smectite/(illite + chlorite)ratio of cores MD12-3432 and MD12-3434 and their comparison with other neighboring sediment cores. Clay mineral data of cores GHE27L, KNG5, MD05-2904, MD12-3434, and ODP Site 1145, after references [41], [30], [27], [12], and [18], respectively; while clay mineral data of cores GeoB16601-6 and GeoB16602-4 from reference [33] |
南海北部深水区粘土矿物对东亚夏季风快速波动的响应差异，主要与等深流活动密切相关[18]。考虑到等深流影响范围和MIS 2期海平面最大约120 m的下降[25, 31, 43~45]，等深流依然对MD05-2904和MD05-2905两个岩芯(水深分别为2066 m和1647 m)粘土矿物组合影响较大，较强的水动力条件不利于细颗粒蒙脱石的沉积。而对于相对深水的MD12-3434站位，受等深流影响较弱，这里相对稳定的沉积环境更有利于蒙脱石的沉积与保存，促使MD12-3434岩芯粘土矿物记录的东亚夏季风快速变化信息相对优于MD05-2904和MD05-2905两个陆坡中部站位。同时，等深流携带的大量源于台湾的伊利石和绿泥石又相对稀释了蒙脱石含量，导致沿其流向形成一个蒙脱石含量相对低值区[2~3](图 1)，表现为MIS 2期MD05-2904和MD12-3432这两个岩芯蒙脱石含量明显低于断面A上下两个站位(GeoB16601-6和MD12-3434)(图 3b)。另外，相对深水的MD12-3434岩芯较高含量的蒙脱石亦可能受蒙脱石差异沉降作用的影响，即4种主要粘土矿物中颗粒相对最细的蒙脱石更易于堆积在深海海盆[3, 54]。
同时，等深流对南海北部23.0~17.5 ka B. P.期间的粘土矿物组合变化具有重要的控制作用。该时期黑潮增强导致南海黑潮分支搬运能力加强[55~56]，吕宋贡献相对较多的蒙脱石，引起MD12-3434岩芯吕宋/台湾粘土贡献比值和蒙脱石/(伊利石+绿泥石)比值均明显增加；相对地，这种上层水体黑潮增强引起的粘土矿物比值和贡献量增加，甚至大于BA时期东亚夏季风降雨增强所带来的变化(图 4)，也从侧面说明了洋流搬运作用对粘土矿物气候变化信息记录的重要影响。然而，由于受近底强劲等深流搬运作用影响或扰动，MD05- 2904岩芯粘土矿物组合对该次黑潮增强事件的记录不甚突出，而MD05-2905和MD12-3432这两个岩芯则基本无明显响应。
南海北部MIS 2期浅水区蒙脱石/(伊利石+绿泥石)比值对东亚夏季风快速变化的响应并不突出，可能与华南贡献相对较多的伊利石和绿泥石有关。华南源区同样受强烈的东亚季风降雨控制，长期遭受强化学风化作用影响，主要提供高岭石和结晶度较差的伊利石和绿泥石，代表了不同时期的风化产物，不具备粘土矿物形成时的气候特征[19]。并且，华南对南海北部的粘土贡献量主要受冰期-间冰期海平面升降引起的搬运距离变化控制，表现为冰期时高岭石含量明显增加、伊利石结晶度变差和锶钕同位素的负偏[12, 18, 30]。这种海平面升降引起的南海北部粘土矿物组合的变化，对其记录的气候变化信息有明显影响，在断面A和B上均有显著体现。明显地，断面A上MD05-2904岩芯在MIS 2期接受更多来自华南的粘土矿物(图 3a)，其蒙脱石/(伊利石+绿泥石)比值的快速波动要弱于相对深水的MD12-3434岩芯；而除去华南贡献的部分伊利石和绿泥石之后，吕宋/台湾粘土贡献比值的快速变化显著增强。沿断面B，对于相对浅水站位KNG5，其接受来自华南贡献的粘土明显大于GHE27L岩芯(图 3b)，但KNG5岩芯蒙脱石/(伊利石+绿泥石)比值的快速波动明显不如GHE27L岩芯(图 5)，这种现象说明了冰期海平面降低引起的华南伊利石和绿泥石输入增加，在一定程度上限制了蒙脱石/(伊利石+绿泥石)比值对东亚夏季风快速波动的响应。通过上述分析，可以认为吕宋/台湾粘土贡献比值作为东亚夏季风快速波动的新指标，要相对优于蒙脱石/(伊利石+绿泥石)比值，但是实际上是否一直如此，仍需要开展更多高分辨的研究来进一步证实。
4 结论本文通过对南海北部MD12-3432和MD12-3434两个岩芯已发表粘土矿物数据开展再分析，利用伊利石结晶度线性剥离法定量计算了不同源区贡献粘土相对量的时间变化序列，结合邻近岩站位粘土矿物组合数据，揭示了南海北部MIS 2期粘土矿物对东亚夏季风快速变化的响应差异及其控制因素，主要获得以下结论：
(1) MD12-3432和MD12-3434这两个岩芯MIS 2期粘土矿物以来自台湾(36%~62%)和吕宋(28%~50%)的贡献为主，二者之和一般大于90%，而华南贡献的粘土相对最小(3%~17%)。其中，台湾和吕宋对两个岩芯贡献粘土的相对量呈现显著的千年时间尺度变化，二者具有明显的反向变化特征，而华南贡献量变化趋势则相对独立。
(2) 南海北部吕宋/台湾贡献量比值可以用于揭示同时期东亚夏季风的快速波动变化，清晰地记录了东亚季风系统对北半球高纬地区Heinrich、Bølling-Allerød和Dansgaard-Oeschger事件的快速响应。在Bølling-Allerød和Dansgaard-Oeschger 2事件期间，吕宋/台湾贡献量比值的增加反映了东亚夏季风的快速增强；而在Heinrich 1和Heinrich 2事件时期，该比值的减小则指示了东亚夏季风的快速减弱。与蒙脱石/(伊利石+绿泥石)比值相比，吕宋/台湾贡献量比值去除了MIS 2期华南贡献的显著影响，其指示的东亚夏季风快速变化相对更为突出。
(3) 南海北部MIS 2期粘土矿物对东亚夏季风快速变化的响应具有明显的空间差异性，深水区粘土矿物记录的东亚夏季风快速变化信息明显优于相对浅水区，主要受洋流搬运和物源控制影响，即深水区相对稳定的沉积环境更有利于保存物源区同时期的气候变化信息。
致谢: 本文研究所用样品由中法合作“MD190-CIRCEA”(Circulation in East Asian Seas)航次提供。诚挚感谢审稿专家提出的宝贵意见，同时感谢编辑部杨美芳老师细致的编辑工作。
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2 Laboratory of Ocean and Coast Geology, Third Institute of Oceanography, Ministry of Natural Resources, Xiamen 361005, Fujian)
Abstract
Clay mineralogy, as reflected by smectite/(illite + chlorite) ratio, provides a powerful tool to reconstruct high-resolution paleoclimatology and paleoceanography variations in the northern South China Sea. However, some proportion of South China-sourced illite and chlorite are strongly controlled by sea-level fluctuations that will further mask or obscure some climate change signals. To better reveal such an issue, a linear separation method for illite crystallinity was used to obtain time series of relative clay contribution from various sources at cores MD12-3432 and MD12-3434 during marine isotope stage (MIS) 2 based on their published available clay mineralogical data. These two sediment cores, retrieved from the northeastern part of the Pearl River canyon on the continental slope of northern South China Sea, are 50.80 m and 8.33 m long that can encompass the temporal records extending to 400 ka B. P. and 60 ka B. P. with average sedimentation rates of 12.7 cm/ka and 10.7 cm/ka, respectively. During MIS 2, a total of 31 and 78 clay mineralogical data points were obtained at depth intervals of 10 cm and 2 cm with average temporal resolution of 387 a and 154 a, respectively. The results of these data revisited show that Taiwan contributes the most clay minerals to these two sediment cores (36%~62%), followed by the contribution from Luzon (28%~50%). The sum of clay mineral contribution from these two sources is normally > 90%, while South China provides the lowest clay mineral contribution (3%~17%). Temporal variations of clay mineral contribution from Taiwan present clear millennial-scale changes that are anti-phased with that of clay contribution from Luzon. The abrupt increases or decreases of clay mineral contribution from Taiwan and Luzon are mostly attributed to rapid changes in the East Asian summer monsoon, and thus the Luzon/Taiwan clay contribution ratio provides an excellent proxy for such rapid climate changes. Abrupt increases of the Luzon/Taiwan clay contribution ratio indicate strengthened summer monsoon happened during Dansgaard-Oeschger 2 and Bølling-Allerød interstadials. Whereas rapid decreases of this ratio indicate relatively weakened summer monsoon occurred during Heinrich 1 and 2 stadials. By comparison with the smectite/(illite + chlorite) ratio, the Luzon/Taiwan clay contribution ratio is much better to constrain those rapid changes in the East Asian summer monsoon. The abrupt responses of clay minerals in the northern South China Sea to rapid changes in the East Asian summer monsoon indicate distinct spatial differences that are mainly under the influence from bottom current transportation and provenance control. In the relatively shallow water region, rapid changes in the East Asian summer monsoon documented by clay mineral are limited, while such abrupt climate change information can be better preserved in calm deeper-water sedimentary environments.