2021, Vol.41
近几十年来，在全球变暖背景与自身独特的内部气候响应机制的相互作用下，北极发生冰盖退缩、海冰消减等急速变化[1~2]，对北极乃至全球大气、大洋等气候-环境因素产生了重大的影响[3~5]。因此，深入研究北极气候在长时间尺度上的变化机制对正确认识全球气候系统和科学预测未来气候演变形势极其关键且迫切。
北冰洋不同区域、不同时期的沉积特征的区别反映出不同物质的来源以及物质输入方式上的差异，能为重建历史时期北极洋流及其周围冰盖的演化提供科学的依据[6~8]。研究表明，中-晚第四纪北冰洋中心沉积显示出明显的冰期-间冰期旋回：冰期以灰-黄色沉积为主，表现为高的冰筏碎屑(Ice Rafted Detrital，简称IRD)含量和极低或无生源组分；间冰期以粘土和粉砂质的褐色沉积为主，生源组分含量增加[9~11]。北冰洋沉积的IRD矿物成分分析结果显示晚更新世以来的间冰期北冰洋表层洋流模式与现代情况相当，主要由北冰洋西伯利亚海域流向弗拉姆海峡的穿极流和顺时针旋转的波弗特环流组成，前者将欧亚北极的陆源物质带至欧亚海盆或马卡洛夫海盆沉积，后者则将加拿大北极的陆源物质带至美亚海盆沉积下来[12]。然而，IRD沉积特征和数值模拟结果反映出中-晚更新世冰期不同的表层洋流模式，波弗特环流由加拿大北极地区更直接地向北朝北冰洋中心运动，继而与穿极流汇聚，转向弗拉姆海峡方向输出[13~15]。这反映了冰期北极冰盖的生长使得海平面下降，北冰洋表层洋流系统发生改变，从而导致北冰洋沉积的变化。同时，北冰洋沉积在不同冰期/冰消期的沉积也会有所区别，反映不同时期北极周边不同冰盖的发育以及北冰洋表层洋流模式的差异。北冰洋中心罗蒙诺索夫脊区域沉积(PS2185站位)的粘土和全岩矿物成分的变化指示了自晚更新世以来欧亚冰盖的多次扩张和排泄[6~7]；同样位于罗蒙诺索夫脊的96/12-1PC岩芯沉积的重矿物成分研究结果表明了该区域在深海氧同位素6/5期(MIS6/5)和MIS4/3冰消期沉积物源变变化和表层洋流模式的区别[16]。西北冰洋加拿大海盆的ARC4-BN05站位的IRD含量、全岩以及粘土矿物组成研究表明该区域在中-晚第四纪(MIS1~14)的冰期/冰阶主要受劳伦冰盖和波弗特环流的影响，但在某些欧亚冰盖生长规模较大的冰期，如MIS4、MIS6期，其沉积特征表现为由西伯利亚物源-穿极流主导[17]。
对西北冰洋沉积物物源变化的研究及其在冰盖演变历史、古洋流特征的重建上的应用，不仅限于对沉积的IRD含量、粘土和全岩矿物组成等方面的分析[16~19]，放射成因同位素(Sr、Nd、Pb)的应用也极大地促进了该研究工作的开展[20~24]。这些同位素组成(87Sr/86Sr、εNd、207Pb/206Pb等)受风化、搬运、沉积等过程的影响很小，直至搬运至深海沉积，仍保留了明显的源岩同位素组成特征[25~26]，因此可以有效地示踪海洋沉积的物质来源和输入路径。罗蒙诺索夫脊沉积物的放射成因同位素特征研究说明该区域在过去15Ma以来的沉积以欧亚物源-穿极流控制为主[27]；北冰洋中心阿尔法脊沉积记录的Sr-Nd-Pb同位素特征变化显示该区域中-晚更新世沉积物源由东西伯利亚逐渐向北美加拿大转变的趋势，反映劳伦冰盖发育规模的扩大[20]；ARC4-BN05岩芯IRD(>63μm)的Sr-Nd-Pb同位素特征的变化说明该区域自MIS13期以来主要受劳伦冰盖-波弗特环流的影响[24]。
尽管到目前为止，已建立多种可靠的物源指标用以北冰洋沉积的物源变化的研究，但针对年龄框架较好、长时间尺度、高分辨率的沉积记录的研究极其有限。本文的研究材料为中国第七次北极考察在西北冰洋加拿大海盆采取的中更新世以来的岩芯沉积ARC7-LIC(以下简称LIC)。此前，徐仁辉等[28]对其进行了粘土矿物组合的分析，发现了加拿大海盆长时间尺度(约1Ma以来)物源的变化：研究区的沉积物物源在中布容事件(约MIS12)前后发生了由西伯利亚向北美的转变，但MIS12期以来的冰期/间冰期的粘土矿物组合特征的整体趋势却不统一，特别是晚更新世MIS6、MIS4期的粘土矿物与之前的冰期粘土矿物组分不同[28]。因此，本研究通过综合该岩芯自MIS8期以来的粘土矿物和全样的放射成因Sr-Nd-Pb同位素组成分析结果，进一步明确该区域晚更新世前后冰期旋回过程中沉积物源的变化，并结合已有研究进行对比分析，重建晚更新世前后北极洋流和周边冰盖的演化历史。
1 区域地质与环境背景北冰洋是一个被大陆板块包围的近似封闭的大洋，其周边的陆壳岩石年龄跨度极大，岩性也极其复杂[29]，并由此形成具有不同的粘土矿物和Sr-Nd-Pb同位素特征的物源区域。
1.1 西北冰洋周边的粘土矿物物源特征西北冰洋周边海域的粘土矿物主要为伊利石、绿泥石、高岭石和蒙脱石[30]。因北极气候寒冷干燥，以物理风化为主，粘土矿物成分也多为初级风化产物(伊利石含量最高、绿泥石次之)，而高岭石多形成于温暖潮湿气候环境，蒙脱石源于基性火山岩的风化，因此在北极的大部分地区含量偏低[31]。
在北冰洋周边海域，伊利石的含量普遍较高(平均含量为47 %)，在阿拉斯加和东西伯利亚边缘最为集中(平均含量为65 %)[30, 32~36]。在斯瓦尔巴群岛北部和莫里斯-杰塞普隆起地区，其表层沉积粘土矿物中的伊利石含量也普遍分布在40 % ~70 % 范围内[37~38]。绿泥石在北极边缘海区域的分布较为均匀(< 20 %)，以白令海北部的绿泥石含量最高(>32 %)，高海平面时可通过白令入流影响楚科奇海-西北冰洋沉积的粘土矿物组合特征[18, 39]。北极地区较高含量的高岭石主要来源于法兰士约瑟夫地、巴伦支海中部[32, 38]以及加拿大和阿拉斯加北部沿岸地区的中-新生代岩层和古土壤[40~41]。蒙脱石含量较高的区域主要为喀拉海和拉普捷夫海的西部(>60 %)，两者都是源于西伯利亚大火成岩省-普托拉纳高原的溢流玄武岩的风化剥蚀，并分别由鄂毕河和叶尼塞河、哈坦加河携带入海，同时，喀拉海向东运动的沿岸流进一步增加了西拉普捷夫海的蒙脱石含量[10, 32~33, 42]。其次，鄂霍次克-楚科塔火山岩带的玄武岩露头以及美亚北极维多利亚岛的一些基性火山岩露头也是附近海域中蒙脱石的重要来源[30, 43]。
1.2 西北冰洋周边的Sr-Nd-Pb同位素物源特征西北冰洋周边陆壳岩石的Sr-Nd同位素特征表现为明显区分的两个端元[24, 44]：端元1以加拿大地盾(西北)的太古宙-元古宙结晶岩以及页岩、碎屑岩为代表，这些岩石普遍具有极低的εNd值和较高的87Sr/86Sr比值，平均值分别约为-27.5和0.730[24]；端元2以古生代-新生代的以幔源岩浆为主的火成岩为代表，这些岩石主要分布在欧亚北极的西伯利亚大火成岩省、鄂霍次克-楚科塔火山岩带和北美阿拉斯加内陆以及部分高纬北极大火成岩省地区，它们具有较高的εNd值(平均值>-7)和较低的87Sr/86Sr比值(平均值≤0.715)[24]。这两个相对的Sr-Nd同位素端元的Pb同位素比值也有很大的区别：加拿大地盾(西北)Nolan块体深成岩的206Pb/204Pb的平均值只有16.46[45]，而端元2的火成岩区的206Pb/204Pb的平均值均大于18[24]。西伯利亚克拉通(阿尔丹)地区结晶岩的Nd-Pb同位素特征也更接近于加拿大地盾(西北)地区[21]。此外，西北冰洋周边的岩石Sr-Nd-Pb同位素特征还存在着超出这两个端元范围内的地区，如阿拉斯加北部的布鲁克斯山脉，其变质岩的87Sr/86Sr的平均值高达0.888[46]。
由于洋流和海冰的搬运和混合作用，相较于周边的陆壳岩石，北极边缘海表层沉积物以及入海河流河口沉积的Sr-Nd-Pb同位素信号更加混杂，尤其是在陆架浅而宽广的欧亚北极海域[22~23, 47~51]。整体而言，北美物源具有较低的εNd值和较高的87Sr/86Sr比值，比如，劳伦冰盖主要排泄通道之一的麦克卢尔海峡(班克斯-维多利亚岛一侧)的沉积比麦肯齐河口的沉积εNd值更低，87Sr/86Sr比值更高，前者平均值为-15和0.74[23]，后者为-13和0.72[23, 47]；麦克卢尔海峡的沉积Pb同位素比值偏低，206Pb/204Pb的平均值接近19[23, 47]；波弗特海表层沉积的Nd-Pb同位素组成与麦肯齐河口沉积接近[22]；欧亚北极边缘海以及河口沉积的Sr-Nd-Pb同位素组成则表现为更高的εNd值以及较低的87Sr/86Sr和206Pb/204Pb比值，平均值范围分别在-12.7~-7.4、0.71~0.72和18.19~19.14之间[22~23, 48~51]。而且，以东拉普捷夫海为界，欧亚北极东西两侧的海域或河口的同位素特征也有所差异。即使εNd值相当，西侧沉积物的87Sr/86Sr和206Pb/204Pb平均比值也较东侧偏高[22~23, 48~51]。
2 材料与方法 2.1 材料来源重力岩芯样ARC7-LIC(简称LIC，见图 1和表 1)由中国第七次北极科学考察在加拿大海盆采集。岩芯总长3.17m，沉积物的主要成分为粘土质粉砂和粉砂质粘土，整体呈灰色-深褐色的颜色交替变化[28]。本文从LIC孔上部1m采集了13个样品用于全样样品的Sr-Nd-Pb同位素测试，分别代表了MIS3~8冰期-间冰期旋回中特征层位的物源输入情况(表 2)。
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图 1 研究站位以及北冰洋洋底地形和周围冰盖的分布[52~55] 圆点为本文研究站位(红色)和参考站位(黑色)(表 1)；黑色空心箭头表示现代北冰洋表层洋流(波弗特环流和穿极流)；黄色箭头指示河口位置；白色阴影区域代表更新世冰期北极冰盖最大范围 Fig. 1 Site map and environmental settings of the Arctic Ocean[52~55]. Dots mark studied(red)and referenced(black)sediment cores in this paper(Table 1). Black transparent arrows indicate the surface ocean circulations pattern in modern Arctic Ocean, consisting of the Beaufort Gyre and the Transpolar Drift. Major circum-Arctic rivers are presented by yellow arrows. White shaded areas indicate the maximum extent of Pleistocene glaciations in the Arctic region |
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表 1 本文中研究站位和参考站位信息 Table 1 Information of studied and referenced cores in this paper |
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表 2 ARC7-LIC岩芯的全样Sr-Nd-Pb同位素比值数据 Table 2 Sr-Nd-Pb radiogenic isotopes in bulk sediments from core ARC7-LIC |
徐仁辉等[28]通过浮游有孔虫Neoglaobaquadrina pachyderma(sin.)(Nps) 的AMS14C测年，XRF-Mn和Ca相对含量的变化、有孔虫丰度和地层标志种、IRD含量变化和Ca元素的峰值等多种指标的综合分析以及与ARC4-BN05[17]、PS2185[6~7]、全球海平面变化[58]对比，建立了LIC岩芯的地层年代框架(图 2)。Nps测年结果显示LIC岩芯的0~2和6~8cm的年龄分别为7.7kaB.P.(MIS1期)和40.8kaB.P.(MIS3期)[28]。这些14C年龄指示近40ka以来加拿大海盆沉积速率低，尤其是在MIS2(包含末次盛冰期)，在西北冰洋普遍存在沉积间断[11, 59~60]。Mn含量高的褐色层一般以细颗粒沉积为主，有孔虫壳体含量较高，代表间冰期和间冰阶的沉积，而Mn含量低的灰色-浅黄色层的IRD含量一般较高，几乎不含有孔虫壳体，代表冰期和冰阶的沉积。这一特征与西北冰洋中心海域的其他岩芯相似[11, 60~61]。LIC岩芯的XRF-Ca元素的峰值出现在44cm和96cm处，分别对应于北冰洋岩芯著名的粉白沉积层(Pink-White Layer，简称PWL)的PWL2(MIS5.4期)和PWL1(MIS8期)[61]。LIC岩芯中的底栖有孔虫Oridorsalis tener出现在0~48cm段，属于MIS1~5期[62]。通过与已建立的北冰洋阿尔法脊的年龄框架的各种参数之间的对比，LIC岩芯顶部1m的地层年龄为MIS1~8期(约300ka)，其中MIS2期存在沉积间断或沉积速率极低[28]。
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图 2 ARC7-LIC岩芯[28]与ACR4-BN05[17]、PS2185[6~7]以及全球海平面变化[58]的地层对比 Fig. 2 Stratigraphic alignments of cores ARC7-LIC[28], ACR4-BN05[17], PS2185[6~7], compared to global sea level record[58] |
粘土矿物分析：徐仁辉等[28]对LIC岩芯的粘土矿物组成的实验方法作了详细说明，其对粘土矿物百分含量的计算是基于乙二醇饱和条件下测得的曲线上的矿物晶面衍射峰的积分面积比。但为了更好地与其他的北极周边海域的粘土矿物数据进行对比，我们将徐仁辉等[28]中LIC岩芯粘土矿物数据用Biscaye[63]中的半定量方法对各晶面面积进行了加权计算，得到新的粘土矿物相对含量。
Sr-Nd-Pb同位素组成分析：根据Weis等[64]的同位素(Sr-Nd-Pb)分析方法，样品经预处理后在超净实验室中经过溶样消解、过柱分离和上机测试来得到最终测试数据。首先，需要对实验样品进行预处理。将0.2 N盐酸加入到样品粉末中去除碳酸钙和可能存在的铅污染，反复冲洗和烘干3次以备溶样。然后，取大约100mg的岩石粉末置于聚四氟乙烯溶样弹中，加入0.5ml浓硝酸与1.0ml浓氢氟酸，密封加热，使其彻底消解，再蒸干。之后，再将样品转化为1.5ml 0.2mol/L溴化氢与0.5mol/L硝酸介质溶液。样品溶液多次经过阴/阳离子交换柱，用(混合)酸液或纯水等分别将Pb、Sr和Nd组分淋洗提纯。最后，制成标准上机溶液，在Nu Plasma Ⅱ MC-ICP-MS仪器上测定Sr-Nd-Pb同位素比值。所有测试分析工作均在南京聚谱检测科技有限公司完成。实验过程中，采用86Sr/88Sr=0.1194、146Nd/144Nd=0.7219、205Tl/203Tl=2.3885(作为内标校正仪器质量分馏)和同位素国际标准物质NIST SRM 987、JNdi -1、NIST SRM 981(作为外标校正仪器漂移)来分别控制Sr、Nd、Pb同位素比值的测试质量。Nd同位素比值用球粒陨石(CHUR)标准化：
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其中(143Nd/144Nd)CHUR=0.512638[65]。
3 研究结果 3.1 粘土矿物组成经过Biscaye方法[63]重新计算的粘土矿物结果与徐仁辉等[28]的粘土矿物数据相比，呈现一致的变化趋势，但各组分的相对含量发生变化(图 3)。新计算结果显示，LIC岩芯自MIS8期以来的粘土矿物以伊利石为主，含量在42 % ~64 % 范围内，平均约为59 %。MIS1~8期的伊利石整体表现出间冰期高、冰期低的变化特征，但在MIS8期早期和MIS6期早期也表现出较高含量的伊利石组成。高岭石的含量在11 % ~23 % 范围之间，平均约为17 %，呈冰期/冰消期高、间冰期低的变化规律，基本与伊利石呈负相关关系。绿泥石的含量与高岭石相当，在14 % ~22 % 之间，平均约为18 %。蒙脱石的含量最少，在2 % ~14 % 之间，平均约为7 %。绿泥石和蒙脱石的含量波动幅度极小，较明显的变化都集中于MIS4期。
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图 3 全球海平面变化[58]与ARC7-LIC岩芯MIS8期以来的XRF-Ca/Ti和IRD(>250μm)中的碳酸盐岩含量、粗组分(粒径>154μm)百分含量、徐仁辉等[28](虚线)和重新计算后(实线)的粘土矿物百分含量以及全样Sr-Nd-Pb放射成因同位素的对比 Fig. 3 XRF-Ca/Ti, detrital carbonate abundance in 250μm fractions, IRD(>154μm)percent, clay mineral composition (original[28](dotted line) and new(solid line)) and Sr-Nd-Pb radiogenic isotopic data in bulk samples of core ARC7-LIC since MIS8, compared to global sea level record[58] |
LIC岩芯MIS3~8期的13个样品的全样放射成因同位素εNd、87Sr/86Sr以及206Pb/204Pb比值的范围分别为-14.7~-10.1、0.713~0.730和18.30~19.11(表 2和图 3)。其中，εNd值与87Sr/86Sr比值基本呈负相关变化，但未表现出明显的冰期-间冰期旋回规律。整体而言，间冰期的εNd值与87Sr/86Sr比值居于中间，MIS8期和MIS5.4期以及MIS3期中期具有明显偏负的εNd值和较大的87Sr/86Sr比值，而MIS6期和MIS4期Sr-Nd同位素组成特征与此相反，呈现偏正的εNd值和较小的87Sr/86Sr比值。Pb同位素比值的变化更加复杂，但间冰期的Pb同位素比值也相对趋于中间值，极值都出现在冰期或冰阶(最大值为MIS5.4期，最小值为MIS4期)。
4 讨论本文中粘土矿物和沉积物全样Sr-Nd-Pb同位素数据可以相互补充，为LIC沉积物源变化提供更加全面的信息。粘土矿物主要表征细颗粒物质的组成和来源[66~68]，而本文同位素数据来自全样沉积物。研究表明，用沉积物Sr-Nd-Pb同位素判断物源的方法可能会受到其粒度效应的影响[22, 48]。同一样品的全样或不同粒级组分之间的Sr-Nd-Pb同位素组成有一定的差异，细组分的87Sr/86Sr比值较粗组分更高，但εNd值的变化在不同的海域沉积中具有不同的趋势，这可能与物源或搬运介质相关[22, 48, 51, 69]。此外，全样样品的Pb同位素也可能略高于其细颗粒组分[22]。尽管如此，从这些同位素的变化仍可以判断出西伯利亚和加拿大两个物源端元对LIC沉积物贡献的变化(图 4)。
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图 4 ARC7-LIC岩芯MIS8期以来的粘土矿物相对含量与ARC4-BN05、PS2185岩芯粘土矿物组成[6~7, 17]以及全球海平面变化的对比[58] Fig. 4 Comparison of clay mineral composition in cores ARC7-LIC, ARC4-BN05[17]and PS2185[6~7]since MIS8, and global sea level[58] |
MIS8期以来，LIC岩芯的粘土矿物和Sr-Nd-Pb同位素特征变化显著，说明该区域沉积物质来源在中-晚更新世曾发生过明显的迁移。而对比加拿大海盆(靠近楚科奇一侧)的ARC4-BN05沉积记录，两个站位的粘土矿物组分的变化趋势基本一致[17](图 4)，指示两个站位受到相同的粘土物源输入的影响。
LIC岩芯的粘土矿物组合在MIS8期的最显著特征表现为早晚两个阶段的高岭石峰值，伴随Ca/Ti比值、碎屑碳酸盐岩含量以及IRD含量的升高(图 3)，与ARC4-BN05岩芯沉积特征一致[17](图 4)。在粘土矿物分布三角图中，该时期的粘土矿物分布主要落在楚科奇-波弗特海范围内[30, 32~36](图 5)。在西北冰洋周边，高岭石含量较高的地区主要包括阿拉斯加北部陆坡和麦肯齐河口三角洲[34, 36, 40]。西北冰洋沉积中的碎屑碳酸盐岩主要来源于加拿大北极班克斯岛-维多利亚岛以及加拿大西北部的碳酸盐岩[12, 70~71]，通过麦克卢尔海峡和阿蒙森湾排泄进入西北冰洋[13]。由此可见，MIS8期LIC的沉积物主要来自北美物源区。但是，MIS8期晚期的高岭石峰和碳酸盐岩峰出现的时期不完全吻合，这说明LIC在该时期的北美物源供给存在区域性的变化。在εNd-87Sr/86Sr和εNd-206Pb/204Pb关系图中，两高岭石峰值对应的同位素组成均靠近北美物源，但晚期比早期更接近麦克卢尔海峡(图 6)。由此可知，MIS8期LIC的沉积主要来自于北美，但早期以麦肯齐河口的物质供给为主，晚期班克斯-维多利亚岛的贡献可能增大。
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图 5 现代北极海域表层粘土矿物分布[30, 32~36]和ARC7-LIC岩芯自MIS8期以来的粘土矿物分布三角图 Fig. 5 Ternary diagram of clay mineral composition in modern Arctic surface sediments[30, 32~36]and core ARC7-LIC since MIS8 |
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图 6 ARC7-LIC岩芯自MIS8期以来的全样Sr-Nd-Pb同位素组成，及其与现代北冰洋周围大陆岩石[21, 24, 44~46]和边缘海域表层沉积物[22~23, 47~51]、海冰沉积物[51]的Sr-Nd-Pb同位素组成的关系 Fig. 6 Composition of the core ARC7-LIC data since MIS8 and potential sediment sources (surrounding continental rocks, shelf surface sediments and sea ice sediments) data[21~24, 44~51]in the εNd-87Sr/86Sr and εNd-206Pb/204Pb spaces |
MIS7期，LIC沉积的粘土矿物特征和变化趋势与ACR4-BN05[17]和PS2185[6~7]相似(图 3和4)，整体比较稳定，说明加拿大海盆和罗蒙诺索夫脊在该时期的粘土主要来源可能是一致的。粘土矿物三角图显示MIS7期LIC沉积的粘土物源以楚科奇-波弗特海为主(图 5)。MIS7.5期LIC的粘土矿物组合表现出伊利石的高含量和高岭石的谷值(图 3)，类似于东西伯利亚物源的特征[30, 32]。该层位的Sr-Nd-Pb同位素组成也更接近于西伯利亚陆架的表层沉积(图 6)。在MIS7出现的高岭石增加的层位(图 3)，可能对应MIS7.4冰阶[72]。这个时期在阿尔法脊-门捷列耶夫脊(96/12-1PC岩芯)都出现碎屑碳酸盐岩的增加[11, 57]，但这个特征在LIC中表现不明显。该时期高岭石含量的增加可能对应于该冷期麦肯齐流域的排泄事件，指示北美物源的增加。ARC4-BN05在MIS7.4期IRD的Sr-Nd-Pb同位素也显示明显的北美物源特征[24]，指示冰川排泄主要来自北美。不同阶段物源指标的差异可能指示MIS7期加拿大海盆物源供应主要来自西伯利亚，而在MIS7.4冷期的冰筏排泄主要来自北美。
MIS6期，LIC沉积的粘土矿物组合特征呈现多阶段的显著变化，初期以伊利石为主要成分，早期伊利石和绿泥石含量升高，中期高岭石含量明显增加，晚期则蒙脱石含量增加(图 3)。PS2185岩芯在MIS6期中-晚期也表现出与LIC相似的粘土矿物特征，但在MIS6期初期和早期蒙脱石或高岭石含量增加，与LIC有所区别，指示不同的物源[6~7](图 4)。在粘土矿物分布三角图中，MIS6期LIC的粘土分布初期落在楚科奇-波弗特海范围内，早期落在东拉普捷夫-楚科奇海范围内，中-晚期落在喀拉海范围内(图 5)。该时期伊利石和绿泥石的高含量体现了东西伯利亚和楚科奇海域的特征[18, 30, 32, 39]。因此，LIC的粘土物源可能发生了由初期楚科奇-波弗特海向早期东西伯利亚-楚科奇海的向西迁移。与LIC相比，ARC4-BN05岩芯在MIS6期早期并未出现IRD的增长，但其在MIS7期晚期阶段的沉积特征与LIC在MIS6期初期的沉积相似[17]，由于样品和时间分辨率的差别，二者可能指示同一时期的沉积。且MIS7期晚期至MIS6期早期ARC4-BN05的Sr-Nd-Pb同位素组成(IRD)指示由北美物源向西伯利亚物源的转变[24]，与LIC的粘土矿物指示的物源变化一致。中-晚期LIC的粘土物源为喀拉海，与PS2185岩芯一致[6~7]，说明中期的高岭石来自法兰式约瑟夫地而非北美[32]，晚期增加的蒙脱石来自喀拉海内陆架区域[10, 32~33, 42]。同时，Sr-Nd-Pb同位素特征指示MIS6期中-晚期LIC沉积的物质来源以西西伯利亚陆架为主，偏向于喀拉海域(图 6)，与同时期ACR4-BN05的IRD同位素物源指示一致[24]。综上，LIC岩芯所在区域在MIS6期的沉积物质来源由楚科奇-波弗特海为主逐渐向西迁移为西伯利亚物源。
MIS5期，LIC粘土矿物组成与ACR4-BN05岩芯相似[17]，但与PS2185岩芯的粘土有所区别[6~7](图 4)。粘土矿物分布三角图显示该时期LIC的物源区以楚科奇-波弗特海为主(图 5)。LIC在MIS5.4期、MIS5.1期出现的Ca或碎屑碳酸盐岩以及IRD含量增高，与其在MIS8期的特征相似(图 3)，显示北美物源的信号。在εNd-87Sr/86Sr和εNd-206Pb/204Pb关系图中，MIS5.4期、MIS5.3期的同位素组成均指向北美地区，而MIS5.2期的同位素特征却偏向于东西伯利亚陆架区域(图 6)。在MIS5.1期高碳酸盐岩含量的层位，其Sr-Nd-Pb同位素并没有显示明显的北美信号(图 6)。但在西北冰洋其他记录(PS72/340-5岩芯)中，除MIS5.4期外，MIS5.1期的同位素记录有很好的北美物源指示，其余阶段的同位素均指向西伯利亚物源[22]。LIC与这些记录的差别可能源于其位于更高纬度海域，MIS5.1期的物源更加混合。综上，LIC在MIS5.4期、MIS5.3期、MIS5.1期的物源以北美地区为主，MIS5期的其他阶段以东西伯利亚物质的输入为主。
MIS4期，LIC沉积的粘土矿物组合呈现多阶段的复杂变化，高岭石和蒙脱石的峰与伊利石的峰交替出现(图 3)。在粘土矿物分布三角图中，MIS4期LIC的粘土分布在喀拉海和楚科奇海之间迁移，初期和晚期落在喀拉海范围内，对应高岭石和蒙脱石的峰值，中期和末期则偏向于楚科奇海，对应伊利石的峰值(图 5)。在εNd-87Sr/86Sr和εNd-206Pb/204Pb关系图中，MIS4期LIC的同位素物源特征均靠近东西伯利亚陆架区域(图 6)。从Sr-Nd-Pb同位素组成表征的物源来看，早-晚期的绿泥石的高含量可能指示楚科奇陆架粘土物质的输入[18, 39]，而中、末期的伊利石峰可能来源于东西伯利亚海域的物质输入[30, 32]。ACR4-BN05岩芯IRD的Sr-Nd-Pb同位素组成在MIS4期显示为西伯利亚物源特征[24]，与LIC一致。综合上述信息推测，LIC沉积在MIS4期可能为西伯利亚陆架多区域的物质输入，初、晚期以喀拉海和楚科奇海为主，中、末期则以东西伯利亚-楚科奇海为主。
由于MIS2西北冰洋可能存在沉积间断[11, 60]，LIC的MIS3~1期部分可能主要体现MIS3和MIS1期的沉积特征。MIS3期中期，LIC的粘土中高岭石含量突出，同时伴随着碳酸盐岩和IRD的出现(图 3)。后期相似沉积特征出现的时期可能对应末次冰消期(图 3)。相较于同时期ACR4-BN05岩芯的粘土矿物特征，LIC与其具有相似的组分含量变化关系，但两者存在一定的时间差，这可能与年代框架的确定或样品测试分辨率差异有关(图 4)[17]。粘土矿物分布三角图显示LIC沉积在MIS3~1期的物源区以楚科奇海-波弗特海为主(图 5)。LIC在MIS3期的Sr-Nd-Pb同位素样品对应碎屑碳酸盐含量峰值，特征与MIS8期晚期相似，显示清晰的北美物源(图 6)，与ACR4-BN05岩芯IRD的Sr-Nd-Pb同位素特征一致[24]。
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图 7
北冰洋沉积物输入模式图示(箭头代表北冰洋表层洋流的运动路线；十字的相对大小代表冰盖扩张的规模)
(a) MIS8、MIS5.4、MIS5.1、MIS3期中期冰筏排泄事件和末次冰消期：劳伦冰盖大规模生长，北美物源主导模式；(b) MIS6、MIS4期：欧亚冰盖和东西伯利亚冰盖大规模生长，西伯利亚物源-穿极流主导模式；(c) MIS7、MIS5期的间冰期/间冰阶：西伯利亚物源-穿极流主导(实线箭头)，MIS3、MIS1期：北美物源-波弗特环流主导模式(虚线箭头) 红色和黑色圆点分别为研究站位和参考站位(图 1和表 1) Fig. 7 Schematic reconstruction of circulation(arrows)and ice sheet development(crosses)in the Arctic Region. (a) MIS8, MIS5.4, MIS5.1 and intra-MIS3 ice discharge events and the last deglaciation: Laurentide Ice Sheet(LIS)input pattern; (b) MIS6, MIS4:Eurasian Ice Sheet(EAIS)and East Siberian Ice Sheet(ESIS)-TPD input pattern; (c) Interglacial/interstadial of MIS7 and MIS5:Siberian provenance-TPD input pattern(solid arrow); MIS3, MIS1:North America provenance-BG input pattern(dashed arrow). Red and black dots mark the studied and referenced records, respectively(Fig. 1 and Table 1) |
LIC自MIS8期以来的沉积物源在北美和西伯利亚之间变化，与北冰洋东西两侧大陆冰盖的进退及表层洋流模式的演变相关。MIS8期、MIS5.4期、MIS5.1期、MIS3期中期以及末次冰消期，LIC沉积的粘土矿物以及Sr-Nd-Pb同位素呈现明显的北美物源特征，伴随的Ca/Ti比值和(或)碳酸盐岩含量、IRD含量的峰值，指示劳伦冰盖的大规模扩张与排泄以及波弗特环流主导的洋流模式(图 7a)。而在其他的冰期/冰阶(MIS6期、MIS4期)，LIC沉积表现为以西伯利亚物源为主，并因欧亚冰盖和/或东西伯利亚冰盖的发育导致物源在欧亚一侧的迁移，指示该区域在穿极流主导的洋流模式下的沉积(图 7b)。
LIC岩芯在MIS8期、MIS5.4期、MIS5.1期、MIS3期中期以及末次冰消期的北美物源特征以及伴随的Ca和(或)碳酸盐岩含量的增长、IRD含量的上升(图 3)，反映了这些时期劳伦冰盖的扩张并向沉积区域排泄冰筏。这些来自班克斯岛-维多利亚岛的碳酸盐岩同样出现在许多西北冰洋同时期的其他沉积记录中[6~7, 11, 16~17, 22, 61]。对比这些记录中出现碳酸盐岩和Ca峰的时期，MIS8期劳伦冰盖通过波弗特环流排泄的影响范围局限于门捷列夫脊[11, 73~74]和加拿大海盆。而在MIS5.4期、MIS5.1期和MIS3期北美排泄的信号可达马卡洛夫海盆[11]，甚至是罗蒙诺索夫脊[6~7]，说明这些时期劳伦冰盖相对发育，且波弗特环流的影响向东北冰洋扩张。此外，在LIC沉积中，高岭石作为北美物源(麦肯齐河口一侧)贡献的重要指标[34, 36, 40]，它的含量增长与Ca、碳酸盐岩含量的增加并不总是同步的(图 3)，反映了劳伦冰盖区域性的排泄差异。
LIC岩芯MIS6期初期的粘土矿物物源以楚科奇-波弗特海为主，伴随IRD峰的出现，说明在该时期LIC的沉积主要受到冰盖排泄和波弗特环流的影响，且可能与楚科奇-波弗特海域附近发育的冰盖或冰架有关。近些年来，地球物理海底探测在阿拉斯加-波弗特边缘和楚科奇边缘地发现冰川刨蚀痕迹，其中包括MIS6期，刨蚀方向和范围显示可能是劳伦冰盖西北端向该区域延伸发育的冰架或在楚科奇边缘地独立存在的接地冰盖所致[75~77]。因此，LIC在MIS6期初期的沉积可能指示劳伦冰盖在该时期向楚科奇边缘地的扩张发育冰架或楚科奇边缘地独立发育冰盖并通过波弗特环流向北冰洋中心的排泄。MIS6期早期LIC的物源西迁至东西伯利亚-楚科奇海，IRD含量很低，说明初期冰架/盖撤退，穿极流的范围向西北冰洋扩张，影响加拿大海盆的沉积。地球物理和地质记录结果也揭露了MIS6期东西伯利亚边缘冰盖的发育[54]，但显然该时期东西伯利亚冰盖的排泄并未影响至加拿大海盆。
在MIS6期中-晚期，LIC岩芯的粘土和同位素物源向喀拉海转移，伴随着IRD含量的升高，与欧亚冰盖的进一步扩张有关。研究表明，MIS6期是欧亚冰盖大发展的时期[10, 78]。海洋沉积中罗蒙诺索夫脊PS2185以及96/12-1PC岩芯记录了该时期欧亚冰盖的排泄信号[6~7, 16, 57]。从LIC沉积特征可以看出，MIS6期早期欧亚冰盖的生长排泄并未影响到研究区域。在MIS6期中期，欧亚冰盖进一步生长，覆盖至喀拉海外陆架-法兰士约瑟夫地区域，加拿大海盆受到其崩塌排泄以及穿极流的影响(图 7b)，由此形成LIC在该时期高岭石和IRD含量增高、蒙脱石含量降低的沉积特征(图 3)。在MIS6期晚期，LIC岩芯的物源同样为喀拉海域，但与中期不同的是，其高岭石含量很低，蒙脱石含量升高(图 3)。这可能指示欧亚冰盖撤退消融至内陆架后的排泄，与罗蒙诺索夫脊的沉积记录保持一致[6~7]。
LIC在MIS4期初、晚期的沉积以喀拉海和楚科奇海物源为主，IRD含量高，指示欧亚冰盖和东西伯利亚冰盖的发育和排泄，沉积区域受穿极流的影响(图 7b)。PS2185和ACR4-BN05岩芯的沉积记录了MIS4期欧亚冰盖的发育和向罗蒙诺索夫脊、加拿大海盆的排泄[6~7, 17]。同时，包括门捷列夫脊南端(ARC7-E23岩芯)在内的沉积记录也指示了MIS4期东西伯利亚冰盖的生长[56, 79~80]。欧亚冰盖与东西伯利亚冰盖发育，并同时向加拿大海盆排泄，形成LIC在MIS4期初、晚期的沉积特征。在MIS4期中期和末期，LIC岩芯沉积以东西伯利亚-楚科奇海物源为主，伴随着低的IRD含量，区别与PS2185岩芯同期的沉积特征[6~7]，代表该时期欧亚冰盖和东西伯利亚冰盖规模的减小。
LIC在MIS7和MIS5期的间冰期/间冰阶的物源以西伯利亚为主，受穿极流的控制(图 7c)。而在MIS3期和全新世，LIC沉积表现出明显的北美物源特征，与现代北冰洋环境下该区域由波弗特环流主导的沉积模式相一致(图 7c)[10]。由此可见，晚更新世前后的间冰期/间冰阶北冰洋表层洋流也可能因气候差异发生类似于全新世北极涛动正相位的模式迁移，从而将西伯利亚物质搬运至西北冰洋[81]。
5 结论本文通过中国第7次北极科学考察在西北冰洋加拿大海盆(靠近阿尔法脊)获取的ARC7-LIC岩芯沉积物自MIS8期以来的粘土矿物和全样Sr-Nd-Pb同位素组成的物源变化研究，并用以推测中-晚更新世以来北极洋流和冰盖的演化历史。研究结果显示：
(1) LIC岩芯沉积自MIS8期以来的物源包括北美和西伯利亚两大区域。北美物源沉积以较高的高岭石和Ca、碳酸盐岩含量，偏低的εNd值和偏高的87Sr/86Sr比值为特征；相对地，西伯利亚物源沉积的粘土中蒙脱石和高岭石含量可能居高，而其Sr-Nd同位素一般表现为较高的εNd值和较低的87Sr/86Sr比值。
(2) 根据LIC岩芯的粘土矿物组合和全样Sr-Nd-Pb同位素组成的物源判断，北美劳伦冰盖和欧亚以及东西伯利亚冰盖自MIS8期以来的不同冰期/冰阶发育上的差异：劳伦冰盖在MIS8期、MIS5.4期、MIS5.1期、MIS3期中期以及末次盛冰期发育规模较大，向北冰洋中心排泄，并通过波弗特环流将沉积物带至加拿大海盆；而欧亚冰盖和(或)东西伯利亚冰盖在MIS6期、MIS4期发育规模较大，由此形成LIC所在研究区域以西伯利亚物源-穿极流主导的沉积模式。
(3) LIC岩芯在MIS7期、MIS5期的间冰期/间冰段的沉积由西伯利亚物源-穿极流主导，而在MIS3期和全新世的沉积则由北美物源-波弗特环流主导。这一差异说明中-晚第四纪间冰阶段北冰洋表层洋流的位置在晚更新世前后发生了变迁。
致谢: 感谢第七次北极考察全体科考队员，并感谢中国极地研究中心提供宝贵样品。感谢审稿人和编辑老师详尽的审阅，帮助作者完善本文。
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Abstract
The advance and retreat of ice sheets around the Arctic Ocean during the Pleistocene drive the global climate variations through the glacial-interglacial cycles. However, detailed ice sheet development, and related Arctic Ocean circulation changes are poorly resolved due to the lack of stratigraphically well-constrained high resolution record.In this study, sediment provenance proxies including clay mineral composition and Sr-Nd-Pb radiogenic isotopes were analyzed from the upper section(1 m) of core ARC7-LIC(82°49'37″N, 159°08'51″W; 3018 m water depth), retrieved during the 7th Chinese National Arctic Research Expedition from the Canada Basin(off Alpha Ridge), western Arctic Ocean, in order to reveal the changes in the Arctic glaciation and surface ocean circulation since Marine Isotope Stage(MIS) 8. The results show sediment provenances shifts at glacial-interglacial and stadial-interstadial time scales, indicating different configurations of Arctic ice sheets and circulation patterns over the last ca. 300 ka in the Canada Basin. Strong influences of North American provenance were in MIS 8, MIS5.4, MIS5.1, intra-MIS 3 ice discharge events, and the last deglaciation, suggesting Laurentide Ice Sheet discharge during these periods. In comparison, the Eurasian provenance increases significantly during MIS 6 and MIS4, indicating a dominance of a Transpolar Drift delivery and remarkable Ice Sheet enlargement on the Eurasian continent. Our data also suggests a major Siberian provenance and a Transpolar Drift input during interglacial/interstadial periods of MIS 7 and MIS5, which is different from MIS 3, MIS1 and the modern surface ocean circulation pattern in the Arctic Ocean.