2021, Vol.41
2 同济大学海洋地质国家重点实验室, 上海 200092;
3 Byrd Polar and Climate Research Center, Columbus OH 43210)
北极地区的古气候重建表明, 在过去的4Ma, 北极地区气温变化是全球平均气温变化的3~4倍[1]。这种极地对于全球气候变化的敏感响应机制也被称为“极地放大效应”[2]。尤其是近30年来, 由于全球气候变暖, 北冰洋地区的海冰迅速消融, 此前受到常年海冰覆盖的西北冰洋楚科奇边缘地区和加拿大海盆的部分地区夏季海冰已经消融[3](图 1a)。海冰覆盖范围减小影响反照率, 进而影响全球能量平衡[4~5], 以此同时冰融水的增加淡化北冰洋的大西洋水和太平洋水, 进而影响全球大洋温盐循环系统[6~9]。因此, 北冰洋的海洋与环境的变化越来越受到国际社会的关注, 已经成为国内外海洋与气候变化研究的热点地区。为了更好地理解现代北冰洋的气候变化, 需要对过去北冰洋不同时间尺度的气候变化方式进行详细研究[10]。
过去的冰期中, 北冰洋周边的欧亚大陆和北美大陆分别被欧亚冰盖和劳伦冰盖覆盖[11~12]。欧亚冰盖演化历史的重建结果表明, 深海氧同位素6期(Marine Isotope Stage 6, 简称MIS6)是晚更新世以来欧亚冰盖范围最大的时期, 其覆盖范围包括了欧亚大陆北部的大部分地区, 以及北冰洋的巴伦支海、喀拉海整个陆架区[11]。末次冰期以来, 欧亚冰盖两次明显的扩张出现于MIS4期和MIS3期过渡期(MIS4/3, 约60ka)以及末次冰盛期(26~19ka, Last Glacial Maximum, 简称LGM)[11~12]。末次冰期时, 劳伦冰盖覆盖了北美大陆北部的大部分地区, 包括了现在美国北部大部分以及几乎整个加拿大地区[13~14]。其中末次冰盛期(LGM)劳伦冰盖的扩张范围达到最大, 其马更些前缘(Mackenzie Lobe)可能扩张到波弗特海, 进而显著影响北冰洋西部, 尤其是楚科奇边缘地区的沉积模式(图 1a)[14~17]。
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图 1
(a) 北冰洋主要洋底地形和海洋学特征[22, 25~29](北冰洋地形图来源于International Bathymetric Chart of the Arctic Ocean (IBCAO))和(b)北冰洋附近陆地主要岩性分布特征简图[30~32](北冰洋地形图来源于Ocean Data View)
(a)中, 红色圆点指示本文研究的4个柱状沉积物站位(C15、P12、P25和8JPC), 黄色圆点表示引用站位(M03、P37、MA01和NP26)[22, 25~26]；白色阴影区域表示更新世冰期时推测的北冰洋最大冰盖范围[27~28]；深蓝色和粉色虚线分别表示1979~2006年平均夏季海冰覆盖范围以及2012年最小海冰覆盖范围[29] LR：罗门诺索夫脊；MR：门捷列夫脊；AR：阿尔法脊；NR：北风脊；EB：欧亚海盆；CB：加拿大海盆；CAA：加拿大北极群岛；EI：埃尔斯米尔岛；BG：波弗特环流；TPD：穿极流；EAIS：欧亚冰盖；GIS：格陵兰冰盖；LIS：劳伦冰盖；ESIS：东西伯利亚海冰盖 Fig. 1 (a)Location map with major Arctic Ocean sea-floor and oceanographic features(Arctic bathymetry referred from International Bathymetric Chart of the Arctic Ocean(IBCAO)). Red circles stand for research sites in this paper(C15, P12, P25 and 8JPC), yellow circles stand for referred sites(M03, P37, MA01 and NP26)[22, 25~26]. Light shaded areas indicate maximum extent of Pleistocene glaciations around the Arctic Ocean[27~28]. Dark blue and pink dashed lines indicate the average(1979~2006)and recent minimum (2012) September sea ice extent, respectively[29]. (b)Schematic structural map showing the distribution and the main lithology of the different terrains adjacent to the Arctic Ocean(Arctic bathymetry referred from Ocean Data View)[30~32]. In this figure, LR: Lomonosov Ridge; MR: Mendeleev Ridge; AR: Alpha Ridge; NR: Northwind Ridge; EB: Eurasian Basin; CB: Canada Basin; CAA: Canadian Arctic Archipelago; EI: Ellesmere Island; BG: Beaufort Gyre; TPD: Transpolar Drift; EAIS: Eurasian Ice Sheet; GIS: Greenland Ice Sheet; LIS: Laurentide Ice Sheet; ESIS: East Siberian Ice Sheet |
冰筏碎屑(Ice Rafted Debris, 简称IRD)是北冰洋沉积物中的常见组分, 岩石碎屑经风化剥蚀后, 被从陆地冰川分离出来进入海洋的冰山和大冰块携带, 通过表层洋流搬运并最终卸载到海洋沉积物中成为IRD[18~19]。因此, 沉积物中IRD的岩矿组成, 不仅能指示这些IRD的来源, 还能指示过去冰期-间冰期旋回中北冰洋周围冰盖以及表层洋流的变化历史[15, 20~24]。对于北冰洋现代表层沉积物中IRD分布的研究表明(章陶亮等, 未发表数据), 加拿大海盆受到波弗特环流(Beaufort Gyre)的强烈影响, 其中的IRD主要来源于波弗特环流的搬运, 沉积物主要来源于加拿大北极群岛以及马更些河流域；楚科奇海IRD沉积主要以北美和西伯利亚的河流输入为主；阿拉斯加边缘陆架区以及波弗特海陆架区的IRD主要来源于附近的马更些河以及阿拉斯加北部的河流搬运。但对地质历史时期冰盖和洋流影响下IRD岩矿组成变化研究方面仍比较缺乏。
本文通过西北冰洋的北风脊至门捷列夫脊4个柱状沉积物组成的岩芯断面(图 1a中C15、P12、P25和8JPC, 具体站位信息见表 1), 分析MIS5期以来粗颗粒(>250μm)IRD的岩矿组成, 并结合该地区前人已经发表的IRD研究成果[21], 揭示西北冰洋不同时期IRD的来源和搬运过程, 进而重建冰期-间冰期旋回中欧亚冰盖和北美冰盖的消长以及北冰洋海盆中表层洋流的演化历史。
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表 1 本文研究岩芯及参考岩芯的站位信息汇总 Table 1 Detailed information of research sites and reference sites in this paper |
前人对于环北冰洋周围陆地(包括欧亚大陆、北美大陆)以及格陵兰岛周边的岩性地质调查结果表明, 北冰洋周边的岩石类型以碎屑岩(包括砂岩、粉砂岩、泥岩、砾岩等)、碎屑碳酸岩(包括灰岩、白云岩)、侵入岩、火山岩以及变质岩为主(图 1b)[30~32]。
碎屑碳酸岩是北冰洋最有来源指示意义的岩石[18]。在西北冰洋, 碎屑碳酸岩露头仅出现于加拿大北极群岛(图 1b), 尤其是群岛中的班克斯岛(Banks Island)和维多利亚岛(Victoria Island), 这些地区广泛分布着古生代(主要为泥盆纪-石炭纪)的碳酸岩露头, 并且是西北冰洋附近唯一的碳酸岩来源[21, 33~35]。受到波弗特环流影响, 来源于加拿大北极群岛的碎屑碳酸岩, 被冰山携带, 随波弗特环流搬运至北冰洋的海盆中, 并沉积下来[18, 21, 36]。
碎屑岩, 包含砾岩、砂岩、粉砂岩、泥岩等, 是北冰洋周围分布最广泛的岩石[32]。在美亚海盆周边, 碎屑岩主要分布于俄罗斯北部东西伯利亚地区, 以及阿拉斯加北部陆坡地区和马更些河流域及其入海口附近[18](图 1b)。此外, 在加拿大北极群岛以及格陵兰岛之间也有碎屑岩露头。在欧亚海盆, 碎屑岩主要分布在欧亚大陆北部喀拉海以及巴伦支海地区[18](图 1b)。
1.2 北冰洋表层洋流分布现代北冰洋主要受到波弗特环流和穿极流两大表层洋流的影响(图 1a), 其中波弗特环流受到风力驱动, 主要影响美亚海盆地区(包括加拿大海盆和马卡罗夫海盆), 以加拿大海盆为中心顺时针流动, 将携带沉积物的海冰和冰山搬运到美亚海盆, 并卸载沉积物[16]。因此, 美亚海盆沉积物中一个显著特征为来源于加拿大北极群岛的碎屑碳酸岩含量较高[18, 36~38]；而穿极流从俄罗斯北极的边缘海陆架穿越北极点, 沿格陵兰岛东侧流向北大西洋(图 1a), 并将沉积物搬运至欧亚海盆和北大西洋[39]。这两个表层洋流控制着北冰洋地区的冰流方向以及现代沉积模式, 其交汇地区为马卡罗夫海盆[18]。此外, 北极涛动(Arctic Oscillation, 简称AO)也会改变穿极流的影响范围, 在北极涛动处于正相位时, 穿极流的影响范围扩大, 可能影响到门捷列夫脊海域, 波弗特环流的影响范围相对减小[40]；相反, 北极涛动负相位时, 穿极流仅影响欧亚海盆, 而波弗特环流影响范围增大[40]。北冰洋沉积物中的地质证据或是气候模拟都表明, 在地质历史时期, 北冰洋的表层环流的流向和强度都会发生变化[38, 40~41], 进而影响北冰洋的沉积模式[17, 32, 42]。
2 材料与方法 2.1 研究材料本次研究的材料来源于中国第六次(2014年)和第七次(2016年)北极科学考察在西北冰洋楚科奇海台南部取得的ARC6-C15和楚科奇海台北部的ARC7-P12岩芯沉积物, 以及美国地质调查局(USGS)的北极考察航次(P1-92-AR和HLY0503)分别在北风脊南部和门捷列夫脊北部取得的P1-92-AR-P25和HLY0503-8JPC岩芯(见表 1和图 1a)。这4个岩芯均以2cm间隔取样, 总计获得814个样品, 组成了一个从北风脊-楚科奇海台-门捷列夫脊的断面。此外, 本研究中位于楚科奇海盆的ARC2-M03岩芯IRD含量和IRD岩矿组成的数据来源于文献[21]。
2.2 研究方法本文中对西北冰洋C15、P12、P25和8JPC这4个岩芯沉积物所做的分析包括：XRF元素相对含量扫描, 粗组分(>63μm、>154μm和>250μm)含量统计, 浮游有孔虫Neogloboquadrina pachyderma(sin.)(Nps)的AMS14C测年以及>250μm粗组分的岩石学与矿物学鉴定和统计。
XRF元素扫描：将岩芯剖开后, 每段切割成1m左右, 随后将表面刮平整, 将专业测试薄膜(SPEX CertiPrep 3525 Ultralene foil)覆盖在岩芯表面。用AVAATECH公司的XRF Core-Scanner荧光光谱岩芯扫描仪进行元素含量无损扫描测试, 分辨率为1cm, 测试时间为30 s, 测得从元素Al至U元素的相对含量。数据单位是counts/30 seconds。XRF元素扫描在同济大学海洋地质国家重点实验室完成。
粗组分含量统计：取10~15g烘干的岩芯沉积物样品置于坩埚中, 加入适量的水浸泡后, 再使用孔径为63μm的筛子水洗, 将冲洗后的样品放入坩埚中置于50℃的烘箱中烘干, 收集残余样品并称重。再将收集得的>63μm的屑样依次通过150μm和250μm筛子干筛, 依次称重, 由此分别得到>63μm、>150μm和>250μm的粗组分含量。
浮游有孔虫AMS14C测年：在岩芯不同深度的样品冲洗后所得的屑样中挑出10mg左右, 个体大小在154~250μm之间的浮游有孔虫Nps壳体进行AMS14C测年, 在美国Radiocarbon Laboratory of Earth System Science Department, University of California Irvine实验室完成。AMS14C测年结果运用碳储库标准：末次冰期中碳储库年龄为为1400年, 全新世以来的碳储库年龄为790年[45]。
岩石学与矿物学鉴定和统计：在40倍的体视显微镜下, 对岩芯沉积物样品经过冲洗、筛样所得的>250μm屑样中的IRD岩屑进行岩石学与矿物学鉴定。IRD岩矿鉴定的种类包括：石英、碎屑碳酸岩(包括灰岩和白云岩)、碎屑岩(包括粉砂岩、砂岩、泥岩等)、变质岩、燧石、火成岩、煤屑以及铁锰结核, 并计算各个岩屑的丰度和相对含量。为了统计学的准确性, 我们对每个样品中至少200颗>250μm的IRD颗粒进行岩矿鉴定和统计。本研究只针对碎屑碳酸岩、碎屑岩、煤屑和铁锰结核的含量进行讨论。其中, 4个岩芯深度0~150cm的IRD丰度、XRF-Mn以及IRD岩矿组成的数据引自文献[22]。
3 结果 3.1 地层年代框架北冰洋沉积物的地层划分与低纬度的海区相比困难得多[46]。由于北冰洋中大面积、长时间的海冰覆盖导致钙质生物生产力低下, 使得保存在沉积物中的有孔虫较少, 并且不连续[10, 21]；此外, 北冰洋海水中的有孔虫氧同位素会受到氧同位素偏轻的融冰水和结冰时形成的轻同位素卤水影响, 因此, 有孔虫中的氧同位素记录与反应冰量信号的全球底栖有孔虫氧同位素曲线存在很大差异[1, 7, 34]。
北冰洋深海沉积物的研究表明, 岩芯中沉积物的颜色和Mn元素的含量表现出明显的旋回性特征, 可结合Mn元素含量和颜色旋回的变化建立地层年代框架[47~49]。间冰期或间冰段中, 北冰洋水体通风作用强, 呈现出氧化的环境, 有利于Mn元素的富集和沉淀；反之冰期或冰段, 通风作用下降, 河流输入中断, 不利于Mn元素的沉淀, 沉积物呈现灰色[50]。据此, 可以根据沉积物本身的颜色, 进行区域地层对比, 划分研究区岩芯的地层年代框架[49]。
我们将北冰洋沉积物的深褐色层位, 从顶部开始计数, 第一个出现的褐色层计为B1；第二个褐色层为B2；第三个褐色层为B3；向下以此类推。前人基于北冰洋褐色层的区域地层对比[26, 35, 49]以及其中浮游有孔虫的AMS14C测年结果[26, 33, 35, 49], 确定西北冰洋沉积物中褐色层B1出现于MIS1期, 褐色层B2(部分岩芯中B2可以进一步分为B2a和B2b)出现于MIS3；褐色层B3~B4出现于MIS5.1期, 褐色层B5~B6出现于MIS5.2~5.4期, 褐色层B7指示了MIS5.5期[49](图 2)。
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图 2 通过IRD含量、Mn元素含量和褐色层对比建立的4个岩芯的地层年代框架 其中深灰色色方块表示褐色层B1~B7, 浅灰色方块表示LGM时期沉积；数字表示浮游有孔虫AMS14C测年结果(表 2), 纵向条带表示底栖有孔虫标志种B.aculeata的峰值 Fig. 2 Stratigraphic correlations of 4 cores according to the IRD content, XRF-Mn area and lithological correlation. In this figure, dark gray units indicate the brown layer B1~B7, light gray units indicate LGM sediment, and the numbers indicate the AMS14C results of Nps(Table 2). Vertical bars indicate the peak of foraminifer B.aculeata |
本文研究的P25岩芯中, 褐色层B1出现于深度0~10cm；褐色层B2出现于124~178cm；褐色层B3出现度290~324cm；褐色层B4出现于350~370cm；褐色层B5出现于392~410cm；褐色层B6出现于434~458cm；未见褐色层B7(图 2)。因此, 推测P25岩芯的底部年龄为MIS5.5期。C15岩芯中, 褐色层B1出现于0~18cm；褐色层B2a出现于166~180cm；褐色层B2b出现于213~240cm；未见褐色层B3(图 2)。因此, 推测C15岩芯的底部年龄约为MIS4/3过渡期。P12岩芯中, 褐色层B1出现于0~5cm；褐色层B2a出现于66~72cm；褐色层B2b出现于77~89cm；褐色层B3出现于150~179cm；褐色层B4出现于181~190cm；褐色层B5出现于224~232cm；褐色层B6出现于240~256cm, 正好对应岩芯底部(图 2)。因此, 推测P12岩芯的底部年龄为MIS5.4期。岩芯8JPC中, 褐色层B1出现于0~9cm；褐色层B2a出现于30~36cm；褐色层B2b出现于44~68cm；褐色层B3出现于100~117cm；褐色层B4出现于131~148cm；褐色层B5出现于172~198cm；褐色层B6出现于222~232cm；褐色层B7出现于236~242cm(图 2)；深度270~350cm为滑塌沉积[10], 研究层位底部为402cm, 对应于MIS7期[10]。
此外, 生物地层学也是北冰洋地层对比的重要依据[26, 33, 51~52]。例如, MIS5.1期出现底栖有孔虫标志种Bulimina aculeata丰度的高峰[9, 52~53], 可以作为地层划分的标志种。
在本文中, 我们通过4个岩芯的XRF-Mn元素、粗组分含量, 结合有孔虫AMS14C测年结果(表 2), 以及岩芯褐色层的区域地层对比, 建立了P25、C15、P12和8JPC的地层年代框架(图 2)。其中, >250μm的IRD含量与>63μm的IRD含量变化趋势几乎完全一致, 本文使用>63μm的IRD含量进行地层划分和讨论(图 2)。
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表 2 本文研究的4个岩芯中浮游有孔虫Nps的AMS14C测年结果 Table 2 Results and calibration of Nps-AMS14C dating data of 4 sediment cores in this study |
位于门捷列夫脊的8JPC岩芯深度25.5cm和32.5cm的沉积物中浮游有孔虫Nps的AMS14C年龄分别为12.9ka和41.4ka(表 2)[10], 表明该岩芯中MIS2期的沉积物极少或者为沉积间断。此前对于该地区MIS2的研究也表明, 与楚科奇边缘地区的岩芯沉积物相比, 门捷列夫脊地区在MIS2中沉积速率极低, 甚至可能出现沉积间断[12, 16, 49]。本研究将根据这些岩芯IRD的岩矿组成, 讨论MIS5以来西北冰洋的冰盖和洋流的演化历史。
3.2 岩芯沉积物IRD的矿物学特征对比西北冰洋4个岩芯以及岩芯M03[21], MIS5以来石英、碎屑碳酸岩和碎屑岩为IRD的主要成分, 这3种岩屑占到IRD总量的约90 %, 其平均含量分别为59.6 %, 10.6 % 和19.1 % (图 3~4)。作为主要造岩矿物, 石英颗粒在北冰洋周边的岩石露头中几乎是普遍存在的[36], 可能来源于不同源区的碎屑岩或火成岩中(图 1b), 对于其来源的指示意义, 不及碎屑碳酸岩或碎屑岩。因此, 本研究不对石英含量进行深入讨论。
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图 3 西北冰洋MIS5以来4个岩芯和对比站位M03岩芯[21]碎屑碳酸岩丰度和含量的对比 Fig. 3 Detrital carbonates abundance and content correlation in 4 sediment cores and reference core M03[21] since MIS5 |
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图 4 西北冰洋MIS5以来4个岩芯和对比站位M03岩芯[21]碎屑岩丰度和含量的对比 Fig. 4 Clastic sedimentary rocks abundance and content correlation in 4 sediment cores and reference core M03[21] since MIS5 |
西北冰洋5个岩芯中碎屑碳酸岩含量变化范围为0~88.2 %, 平均含量为10.6 % (图 3)。MIS5以来碎屑碳酸岩的含量呈现显著的冰期-间冰期旋回特征, 在间冰期(MIS5、MIS3和MIS1)中碎屑碳酸岩的平均含量为14.9 %；相反, 冰期(MIS4和MIS2)中碎屑碳酸岩的平均含量仅为2.55 %。
根据这5个岩芯之间的地层对比, 发现碎屑碳酸岩绝对丰度和相对含量的高峰出现于MIS5.5的褐色层B6~B7, MIS5.4褐色层B5, MIS5.1的褐色层B3, MIS3的褐色层B2(包括B2a和B2b)以及MIS1的褐色层B1中, 其余层位碎屑碳酸岩含量极低, 几乎为零(图 3)。
在MIS1, 北风脊岩芯P25的碎屑碳酸岩含量为20.7 %, 楚科奇海台和深海平原(包括C15、M03和P12这3个岩芯)碎屑碳酸岩平均含量为16.8 %, 门捷列夫脊8JPC岩芯的碎屑碳酸岩含量为9.23 %；在MIS3, 北风脊岩芯P25的碎屑碳酸岩含量为24.6 %, 略高于MIS1；楚科奇海台和深海平原碎屑碳酸岩平均含量为15.6 %, 与MIS1相近；而门捷列夫脊8JPC岩芯的碎屑碳酸岩含量为5.5 %, 显著低于MIS1。因此, 呈现出从北风脊向门捷列夫脊碎屑碳酸岩含量递减的趋势。在MIS5, 北风脊与门捷列夫脊碎屑碳酸岩含量均高于MIS1, 由于楚科奇地区和深海平原没有完整的MIS5沉积记录(图 3), 因此难以进行海区之间的对比。
3.2.2 碎屑岩碎屑岩含量变化范围为0~82.5 %, 平均含量为19.1 %。其中冰期碎屑岩的平均含量为26.8 %, 而间冰期中碎屑岩的平均含量为11.8 %。与碎屑碳酸岩的变化趋势相反, MIS5以来碎屑岩总体呈现冰期高间冰期低的变化特征(图 4)。
根据这5个岩芯间的地层对比, 发现碎屑岩绝对丰度和相对含量的最高峰出现于MIS1的褐色层B1以及LGM之间, 即末次冰消期的沉积物中(图 4)。在MIS1, 北风脊P25岩芯碎屑岩平均含量为16.5 %, 楚科奇海台和楚科奇深海平原碎屑岩平均含量为13.1 %, 门捷列夫脊8JPC碎屑岩平均含量为13.71 %；末次冰消期中, 北风脊P25岩芯碎屑岩平均含量为28.4 %, 楚科奇海台和楚科奇海盆碎屑岩平均含量为28.2 %, 门捷列夫脊8JPC碎屑岩平均含量为12.5 %。因此, 碎屑岩含量分布随海区间的变化趋势不明显。
3.2.3 煤屑尽管含量较低, 但煤屑是西北冰洋沉积物中具有来源指示意义的岩屑[18, 22]。在表层沉积物中, 煤屑仅出现于靠近阿拉斯加北部陆坡的站位中, 指示了来源于阿拉斯加北部陆坡的河流输入[22]；在柱状沉积物中, 冰消期煤屑含量的高峰与碎屑岩含量高峰同时出现, 指示了来源于马更些河流域的冰融水事件[22]。
本研究的5个岩芯中, 位于楚科奇深海平原的M03岩芯和门捷列夫脊的8JPC岩芯中未发现>250μm的粗颗粒煤屑, 仅在P25、C15和P12这3个岩芯中发现了煤屑沉积(图 5)。在这3个岩芯中, 煤屑相对的含量变化范围为0~56.5 %, MIS5以来煤屑绝对丰度和相对含量的高峰仅出现于MIS1和LGM之间的末冰消期的沉积物中(图 5), 与碎屑岩高峰出现的层位一致(图 4)。
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图 5 西北冰洋MIS5以来P25、C15和P12岩芯煤屑丰度和含量的对比在M03[21]和8JPC岩芯中未发现煤屑 Fig. 5 Coal fragments abundance and content correlation in core P25, C15 and P12. Core fragments are absent in core M03[21] and 8JPC |
在末次冰消期中, 北风脊地区P25岩芯中煤屑含量平均值为13.2 %, 而楚科奇海台的C15和P12岩芯煤屑平均值分别为4.9 % 和2.6 %, 呈现明显的从北风脊向门捷列夫脊递减的趋势。
3.2.4 铁锰结核本文研究的5个岩芯中, 除了楚科奇海台北部的P12岩芯, 其他4个岩芯沉积物中都发现了自生铁锰结核矿物(图 6), 其相对含量变化范围为0~100 %。MIS5期以来, 自生铁锰结核仅出现于3个时期：MIS6/5过渡期, MIS4/3过渡期以及末次冰消期中, 其他时期IRD中几乎不含铁锰结核。
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图 6 西北冰洋MIS5以来P25、C15、M03[21]和8JPC岩芯铁锰结核丰度和含量的对比在P12岩芯中未发现铁锰结核 Fig. 6 Fe-Mn nodule abundance and content correlation in core P25, C15, M03[21] and 8JPC. Fe-Mn nodules are absent in core P12 |
在北风脊南部的P25和门捷列夫脊的8JPC岩芯中, 自生铁锰结核仅出现于MIS6/5过渡期, 其中P25岩芯和8JPC岩芯的铁锰结核相对含量分别为60.5 % 和20.2 %。MIS5期以来的其他层位中, 这两个海区几乎未发现自生铁锰结核(图 6)。
在楚科奇海台的C15岩芯和楚科奇深海平原南部的M03岩芯中, 自生铁锰结核出现于MIS4/3过渡期和末次冰消期中, 并且MIS4/3过渡期中铁锰结核的绝对丰度和相对含量均高于末次冰消期(图 6)。MIS4/3过渡期中, C15和M03岩芯铁锰结核相对含量分别为80.2 % 和62.3 %；在末次冰消期中, 其铁锰结核相对含量分别为30.9 % 和12.0 % (图 6)。由于底部年龄未达到MIS6/5过渡期, 因此无法确定该时期楚科奇海台和楚科奇深海平原南部是否存在自生铁锰结核。
4 MIS5以来北冰洋周边冰盖和洋流演化历史前文已经提及, 现代北冰洋主要受到波弗特环流和穿极流两大表层洋流的影响(图 1a), 其控制着北冰洋地区的冰流方向以及现代沉积模式, 控制范围的交汇地区现代为马卡罗夫海盆[18]。对于北冰洋的古环境研究和数值模拟证据都表明, 波弗特环流在冰期时的强度和影响范围可能明显减小, 流向也可能发生变化[38, 41]。例如, 门捷列夫脊北部现代70 % 的沉积物来源于波弗特环流, 30 % 来源于穿极流, 而在冰期中穿极流的沉积物贡献达到70 % 以上[32]。因此在本节中, 我们将讨论沉积物IRD中来源于加拿大北极群岛, 被波弗特环流搬运至北冰洋海盆的IRD岩矿组成以及沉积物沉积速率、冰川浊积物厚度的变化趋势等指标, 重建MIS5期以来北冰洋周边冰盖和洋流的演化历史。
4.1 MIS5期此前对于北冰洋古环境的重建表明, 晚更新世以来的末次间冰期(MIS5期), 尤其是MIS5.1期, 北冰洋的环境与现代环境最相似[10, 54]。在MIS5期间, 5个岩芯的碎屑碳酸岩的含量显著高峰出现于褐色层B3~B4中以及B6~B7之间, 分别对应于MIS5.5和MIS5.1[10, 25, 49]。这两个时期西北冰洋IRD中碎屑碳酸岩的含量相近, 均明显高于MIS1(图 3), 表明在MIS5.5和MIS5.1期间, 波弗特环流的影响范围扩大。此外, 前人的研究也表明, 现代波弗特环流影响较弱的马卡罗夫海盆和罗门诺索夫脊地区, 在MIS5.5和MIS5.1的沉积物中出现了来自加拿大北极群岛的碎屑碳酸岩沉积[55], 因此, 我们定性推测出劳伦冰盖(LIS)扩张的方向(无法定量得出扩张强度), 结果表明此时波弗特环流的影响范围大于现代(图 7), 导致整个西北冰洋碎屑碳酸岩的含量增加, 同时也能影响到现代波弗特环流影响较弱的马卡罗夫海盆与罗门诺索夫脊；相反, 在褐色层B4与B6之间的沉积物中, 即MIS5.4~5.2时期, 碎屑碳酸岩含量较低(图 3), 表明在此时波弗特环流的影响范围弱于现代(图 7)。
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图 7
MIS5~1西北冰洋周边冰盖与表层洋流模式示意图
图中蓝色、白色箭头表示冰盖扩张方向, 箭头长度表示其扩张方向 LIS：劳伦冰盖；ESIS：东西伯利亚海冰盖；EAIS：欧亚冰盖；BG：波弗特环流；TPD：穿极流；CP：楚科奇海台；NR：北风脊 Fig. 7 Sketch maps of the ice sheet and surface currents during MIS5~MIS1 in the western Arctic Ocean. In this figure, blue and white arrows indicate the advance direction of ice sheets and the length of arrows indicate the intensity of ice sheet advancing. LIS: Laurentide Ice sheet; ESIS: East Siberian Ice Sheet; EAIS: Eurasian Ice Sheet; BG: Beaufort Gyre; TPD: Transpolar Drift; CP: Chukchi Plateau; NR: Northwind Ridge |
在过去的冰期中, 北冰洋周边的欧亚大陆和北美大陆都受到冰盖覆盖, 其扩张与消退会显著影响北冰洋的沉积模式[56]。此外, 冰期中北冰洋海盆中很大一部分区域被厚达1km的冰架覆盖[56]。此前北冰洋的研究认为, 在LGM时期, 西北冰洋的楚科奇海和东西伯利亚海的大部分地区没有冰盖[11, 57]。但是, 最新的地质与地球物理证据表明, 在晚更新世的冰期中, 东西伯利亚海地区存在一个单独的冰盖[27](图 1a), 该冰盖覆盖了东西伯利亚海、门捷列夫脊南部及楚科奇边缘地区的大部分区域。
根据本研究5个岩芯中的IRD含量对比结果, MIS4沉积物粒度极细, >63μm IRD含量几乎为零(图 2和8), 这是西北冰洋距陆架较近的海区冰期沉积物的显著特征[15]。MIS4期中, 海平面比现代降低了约110m[58], 随着陆地冰盖的扩张, 长时间的冰盖磨蚀作用将陆源IRD磨为颗粒极细的沉积物, 在随后冰盖消融事件中通过颗粒流或重力流快速沉积并扩散, 形成几乎不含有孔虫和粗颗粒IRD, 并且沉积速率极快的冰川浊积物[15, 17]。这些冰川浊积物为MIS4的冰盛期或者冰盛期刚结束时的快速沉积[15]。
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图 8 西北冰洋MIS5以来4个岩芯和对比站位M03岩芯[21] MIS5以来 < 63μm细颗粒组分的含量 Fig. 8 Correlation of < 63μm sediments content in 4 sediment cores and reference core M03[21] |
在MIS4期间, 楚科奇海台和楚科奇深海平原的C15和M03岩芯有着较厚的冰川浊积物(>1.5m, 见图 2和8), 由于C15岩芯的底部位于MIS4的细颗粒冰川浊积物中, 因此, 无法确定其完整厚度。相反, 位于楚科奇海台北部的P12岩芯和门捷列夫脊的8JPC岩芯MIS4的厚度较小, 分别仅有40cm和16cm, 暗示其冰川浊积物来源于研究区南部。在北风脊南部的P25岩芯此时的冰川浊积物厚度为50cm(图 2和8), 远低于西侧的楚科奇海台C15岩芯和楚科奇深海平原M03岩芯冰川浊积物厚度。此外, 北风脊北部其他岩芯中, 冰川浊积物厚度显著低于南部[43, 51~52], 这进一步表明MIS4期冰川浊积物的主要来源为欧亚大陆一侧的欧亚冰盖或东西伯利亚海冰盖, 其沉积物贡献量大于北美的劳伦冰盖。尽管目前还没有直接证据表明MIS4期东西伯利亚冰盖的存在时间和覆盖范围[27, 59], 但大量沉积物的证据已经表明, 在MIS4/3过渡期楚科奇边缘地区和门捷列夫脊南部受到来自欧亚北部冰盖的沉积物输入[12, 60]。
此外, 值得注意的是, MIS4/3过渡期西北冰洋沉积物中的IRD岩矿组成明显不同。楚科奇边缘地区南部的C15和M03岩芯中的IRD几乎全为自生铁锰结核矿物(图 6)；相反, 该时期位于北风脊的P25岩芯、楚科奇海台北部的P12岩芯和门捷列夫脊的8JPC岩芯中并未发现铁锰结核(图 6)。在北冰洋研究中, 铁锰结核首先在喀拉海地区的海底被发现, 此后在巴伦支海、东西伯利亚海以及楚科奇海地区的浅水区海底都陆续发现了铁锰结核[61]。铁锰结核在古海洋学的研究中有着重要意义, 可以指示古洋流情况、生物生产力以及海水的氧化还原环境变化等[62~64]。此前对于北冰洋的铁锰结核研究表明, 铁锰结核可能的形成机制为：洋底水动力和通风作用发生反复变化, 从而引起洋底氧化环境发生变化, 进而导致了沉积物的化学组分变化, 最终导致水体中的铁离子与锰离子相互结合并沉淀[61, 64~65]。
MIS4/3时铁锰结核出现于离欧亚冰盖或东西伯利亚海冰盖较近的地区, 其出现的时间与欧亚冰盖在60ka的扩张时间一致[10~11]；相反, 离北美劳伦冰盖较近的岩芯中没有铁锰结核。
我们推测MIS4期间东西伯利亚海冰盖或欧亚冰盖的前缘可能扩张至楚科奇边缘地区南部(图 7), 范围小于Niessen等[27]推测的晚更新世最大冰盖范围(图 1a), 冰盖扩张改变了附近底层水的水动力以及通风作用, 进而改变了水体中的氧化还原环境, 最终导致了该地区出现了铁锰结核沉积。这也解释了冰盖前缘附近的岩芯(C15和M03岩芯)在MIS4时期的冰川浊积物厚度远大于其他地区(图 2)。不过, 铁锰结核在北冰洋的沉积过程、其在地质历史时期的分布, 以及与东西伯利亚海冰盖或欧亚冰盖的扩张的关系, 有待进一步研究。
4.3 MIS3期在MIS3期间, 西北冰洋岩芯沉积物中的IRD岩矿组成总体上与MIS1期相似(图 3~6), 其中碎屑碳酸岩的含量较高, 表明MIS3期间西北冰洋仍然受到波弗特环流的控制[18, 38, 60]。与MIS1期相比, 北风脊地区的岩芯P25中MIS3期的碎屑碳酸岩含量上升, 尤其是在褐色层B2(或B2a与B2b)中的碎屑碳酸岩含量明显高于MIS1期(图 3)。同样, 在北风脊北部的岩芯P37中也发现MIS3期褐色层中碎屑碳酸岩的含量高于MIS1期(章陶亮等, 未发表数据)。楚科奇海台MIS3期与MIS1期的平均碎屑碳酸岩含量几乎相同, 而门捷列夫脊MIS3期的碎屑碳酸岩含量显著低于MIS1期[25](图 3)。此外, 门捷列夫脊NP26岩芯和MA01岩芯在MIS3期的石英含量显著高于MIS1期(章陶亮等, 未发表数据), 表明门捷列夫脊在MIS3受到穿极流的影响增强, 但此时波弗特环流的影响范围弱于MIS1期(图 7)。
尽管MIS3期北冰洋周边冰盖的覆盖范围小于LGM和MIS4期, 但仍然覆盖了北美大陆的大部分地区[66~68]。此时, 劳伦冰盖的扩张使得其前缘断裂的冰架可以将更多沉积物搬运至波弗特海, 随后被波弗特环流搬运至西北冰洋其他海区[15, 25, 51]。由于波弗特环流的强度减弱, 更多的碎屑碳酸岩在离北美大陆更近的北风脊地区沉积；相反, 离劳伦冰盖较远的门捷列夫脊地区的MIS3期碎屑碳酸岩含量显著低于现代(图 3)。此外, 波弗特环流的减弱使得门捷列夫脊受到穿极流的影响相对增强, 导致了更多来源于欧亚大陆的石英颗粒[18]通过穿极流搬运至门捷列夫脊地区。
4.4 MIS2期西北冰洋MIS2期的沉积物主要由LGM以及末次冰消期两个时期组成。其中LGM的沉积物几乎不含粗颗粒的IRD(图 2和8)。
LGM时期研究区的沉积模式与MIS4期有着显著区别。距离北美劳伦冰盖前缘较近的阿拉斯加边缘地区[22]和楚科奇边缘地区南部P25和C15岩芯中(图 3), 在LGM有粒度较细的沉积物。而离劳伦冰盖较远的门捷列夫脊地区8JPC岩芯中, LGM时期出现沉积间断(表 2), 表明了此时来源于欧亚冰盖或西伯利亚冰盖的沉积物输入相对MIS4期较少。因此, 可以判断西北冰洋LGM时期的沉积物主要来源于北美劳伦冰盖的扩张, 其沉积物的贡献量远大于欧亚冰盖。LGM期间劳伦冰盖的大范围、长时间的强烈磨蚀作用将来自陆地的岩屑磨蚀为颗粒极细的沉积物, 并将其搬运至冰盖前缘地区, 随后在冰盖消融时大量冰川浊积物沉积下来, 从而形成颗粒极细的主要来源于劳伦冰盖的冰川浊积物[15, 17](图 2)。
在LGM之后的末次冰消期(19~11ka)中, 所有5个岩芯均出现了MIS5期以来碎屑岩含量的最高值(图 4)；此外, 靠近北美大陆一侧的C15、P25和P12岩芯中发现了煤屑沉积[22](图 5), 这表明了在末次冰消期中, 西北冰洋发生了一次来源于北美劳伦冰盖的冰融水排泄事件, 将马更些河流域大量的粗颗粒碎屑沉积岩和煤屑搬运至波弗特海, 随后通过波弗特环流输入至楚科奇边缘地区, 这是一个快速的沉积事件, 沉积速率极高[22]。同时, 全岩矿物学的证据[17, 32]表明, 此时沉积物中细颗粒(＜63μm)碎屑碳酸岩含量较高, 符合马更些河流域来源沉积物的特征[32]。
4.5 MIS1期西北冰洋MIS1期的岩芯沉积物指示的沉积主要受到波弗特环流的控制, 将加拿大北极群岛冰架断裂的冰山携带的富含碎屑碳酸岩的IRD输入北冰洋[21, 69~70], 同时也携带着来自马更些河的富含石英以及碎屑沉积岩的IRD注入北冰洋[18](图 7)。因此, 西北冰洋5个岩芯中IRD主要由石英、碎屑碳酸岩和碎屑沉积岩组成, 其他岩屑的含量较低。除了波弗特环流的影响外, 此前的研究也表明, 门捷列夫脊地区可能受到穿极流的影响[32, 49], 将欧亚大陆的富含石英和碎屑沉积岩[18, 71~72]的IRD搬运至该地区。不过穿极流的贡献量仍需进一步研究。
5 结论本文研究了西北冰洋由5个岩芯组成的北风脊-楚科奇海台-门捷列夫脊断面的沉积物。通过结合>63μm的IRD含量, XRF-Mn含量, 生物地层学, 有孔虫AMS14C测年以及褐色层区域对比等方法, 建立了这些岩芯的地层年代框架。根据这些岩芯中MIS5期以来的IRD岩矿组成的变化, 重建了西北冰洋MIS5期以来表层洋流和冰盖的变化历史(图 7), 得出以下结论：
在MIS5.5和MIS5.1期间, 波弗特环流的影响范围大于MIS1期。而在MIS5.4~5.2期间, 波弗特环流的影响范围小于现代。
在MIS4期间, 岩芯中出现了大量来源于欧亚冰盖或东西伯利亚海冰盖的冰川浊积物, 沉积物的贡献量大于劳伦冰盖。说明东西伯利亚海冰盖或欧亚冰盖的前缘可能扩张至楚科奇边缘地区南部, 覆盖范围小于Niessen等[27]推测的晚更新世最大冰盖。在楚科奇边缘地区南部的岩芯中IRD几乎全部为铁锰结核, 可能受到了欧亚冰盖或东西伯利亚海冰盖的影响, 但铁锰结核与欧亚冰盖的关系仍需进一步研究。
在MIS3期间, 波弗特环流的影响范围和强度略弱于现代环境；同时, 劳伦冰盖仍然覆盖了北美大陆的大部分地区, 扩张的劳伦冰盖以及减弱的波弗特环流导致更多来自劳伦冰盖的碎屑碳酸岩在距离较近的北风脊沉积下来。
在LGM期间, 研究区受到以劳伦冰盖为主要来源的冰川浊积物输入, 这可能是受到此时劳伦冰盖扩张的影响；在末次冰消期, 研究区发生了一次来源于北美劳伦冰盖的冰融水排泄事件, 将马更些河流域大量的碎屑沉积岩和煤屑搬运至波弗特海, 随后被波弗特环流输入至楚科奇边缘地区。
在MIS1期间, 西北冰洋主要受到波弗特环流的控制。波弗特环流将加拿大北极群岛冰架断裂的冰山/大冰块中携带的富含碎屑碳酸岩, 同时将携带马更些河注入波弗特海的富含石英以及碎屑沉积岩一起输入到西北冰洋, 并沉积下来。
致谢: 对中国第五、第六和第七次北极科考队的全体科考队员和“雪龙”号全体船员为沉积物样品的采集所付出的艰辛努力表示诚挚谢意。
| [1] |
Miller G, Alley R, Brigham-Grette J, et al. Arctic Amplification: Can the past constrain the future?[J]. Quaternary Science Reviews, 2010, 29: 1779-1790. DOI:10.1016/j.quascirev.2010.02.008 |
| [2] |
Winton M. Amplified Arctic climate change: What does surface albedo feedback have to do with it?[J]. Geophysical Research Letters, 2006, 33: L03701. DOI:10.1029/2005GL025244 |
| [3] |
Harada N. Review: Potential catastrophic reduction of sea ice in the western Arctic Ocean: Its impact on biogeochemical cycles and marine ecosystems[J]. Global and Planetary Change, 2016, 136: 1-17. DOI:10.1016/j.gloplacha.2015.11.005 |
| [4] |
Lemke P, Alley R, Allison I, et al. Observations: Changes in snow, ice and frozen ground[M]//Solomon S, Qin D, Manning M, et al. eds. Climate Change 2007: The Scientific Basis: Contribution of Working Group Ⅰ to the Fourth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change. New York: Cambridge University Press, 2007: 1-996.
|
| [5] |
Francis J, Chan W, Leathers D, et al. Winter Northern Hemisphere weather patterns remember summer Arctic sea-ice extent[J]. Geophysical Research Letters, 2009, 36: L07503. DOI:10.1029/2009GL037274 |
| [6] |
Dickson R, Yashayaev I, Meincke J, et al. Rapid freshening of the deep North Atlantic Ocean over the past four decades[J]. Nature, 2002, 416(6883): 832-837. DOI:10.1038/416832a |
| [7] |
Smith L, Miller G, Otto-Bliesner B, et al. Sensitivity of the Northern Hemisphere climate system to extreme changes in Holocene Arctic sea ice[J]. Quaternary Science Reviews, 2002, 22: 645-658. DOI:10.1016/S0277-3791(02)00166-X |
| [8] |
Holland M, Bitz C, Tremblay B. Future abrupt reductions in the summer Arctic sea ice[J]. Geophysical Research Letters, 2006, 33: L23503. DOI:10.1029/2006GL028024 |
| [9] |
Rashid H, Polyak L, Mosley-Thompson E. Abrupt climate change revisited[J]. Geophysical Monograph Series, 2011, 193: 1-14. DOI:10.1016/j.gloplacha.2006.06.019 |
| [10] |
Adler R, Polyak L, Ortiz D, et al. Sediment record from the western Arctic Ocean with an improved Late Quaternary age resolution: HOTRAX core HLY0503-8JPC, Mendeleev Ridge[J]. Global and Planetary Change, 2009, 68(1-2): 18-29. DOI:10.1016/j.gloplacha.2009.03.026 |
| [11] |
Svendsen J, Alexanderson H, Astakhov V, et al. Late Quaternary ice sheet history of Northern Eurasia[J]. Quaternary Science Reviews, 2004, 23(11-13): 1229-1272. DOI:10.1016/j.quascirev.2003.12.008 |
| [12] |
Schreck M, Nam S, Polyak L, et al. Improved Pleistocene sediment stratigraphy and paleoenvironmental implications for the western Arctic Ocean off the East Siberian and Chukchi margins[J]. Arktos, 2018, 4(1): 1-20. DOI:10.1007/s41063-018-0057-8 |
| [13] |
Dyke A, Andrews J, Clark P, et al. The Laurentide and Innuitian ice sheets during the Last Glacial Maximum[J]. Quaternary Science Reviews, 2002, 21: 9-31. DOI:10.1016/S0277-3791(01)00095-6 |
| [14] |
Dyke A. An outline of North American deglaciation with emphasis on central and northern Canada[M]//Ehlers J, Gibbard P L eds. Quaternary Glaciations-Extent and Chronology. Part Ⅱ: North America (Developments in Quaternary Sciences). Amsterdam: Elsevier, 2004: 373-424.
|
| [15] |
Polyak L, Darby D, Bischof J, et al. Stratigraphic constraints on Late Pleistocene glacial erosion and deglaciation of the Chukchi margin, Arctic Ocean[J]. Quaternary Research, 2007, 67: 234-245. DOI:10.1016/j.yqres.2006.08.001 |
| [16] |
Polyak L, Bischof J, Ortiz J, et al. Late Quaternary stratigraphy and sedimentation patterns in the western Arctic Ocean[J]. Global and Planetary Change, 2009(1-2): 68. |
| [17] |
Dong L, Liu Y, Shi X, et al. Sedimentary record from the Canada Basin, Arctic Ocean: Implications for Late to Middle Pleistocene glacial history[J]. Climate of the Past, 2017, 13: 511-531. DOI:10.5194/cp-13-511-2017 |
| [18] |
Phillips R, Grantz A. Regional variations in provenance and abundance of ice-rafted clasts in Arctic Ocean sediments: Implications for the configuration of Late Quaternary oceanic and atmospheric circulation in the Arctic[J]. Marine Geology, 2001, 172: 91-115. DOI:10.1016/S0025-3227(00)00101-8 |
| [19] |
Darby D, Myers W, Jakobsson M, et al. Modern dirty sea ice characteristics and sources: The role of anchor ice[J]. Journal of Geophysical Research, 2011, 116: C09008. DOI:10.1029/2010jc006675 |
| [20] |
Darby D, Zimmerman P. Ice-rafted detritus events in the Arctic during the last glacial interval and the timing of the Innuitian and Laurentide ice sheet calving events[J]. Polar Research, 2008, 27(2): 114-127. DOI:10.1111/j.1751-8369.2008.00057.x |
| [21] |
Wang R, Xiao W, Mälrz C, et al. Late Quaternary paleoenvironmental changes revealed in multi-proxy records from the Chukchi Abyssal plain, western Arctic ocean[J]. Global and Planetary Change, 2013, 108: 100-118. DOI:10.1016/j.gloplacha.2013.05.017 |
| [22] |
Zhang T, Wang R, Polyak L, et al. Enhanced deposition of coal fragments at the Chukchi margin, western Arctic Ocean: Implications for deglacial drainage history from the Laurentide Ice Sheet[J]. Quaternary Science Reviews, 2019, 218: 281-292. DOI:10.1016/j.quascirev.2019.06.029 |
| [23] |
豆汝席, 邹建军, 石学法, 等. 3万年以来日本海西部海冰活动变化[J]. 第四纪研究, 2020, 40(3): 690-703. Dou Ruxi, Zou Jianjun, Shi Xuefa, et al. Reconstructed changes in sea ice in the western Sea of Japan over the last 30000 years[J]. Quaternary Sciences, 2020, 40(3): 690-703. |
| [24] |
吴东, 刘焱光, Jón Eiríksson, 等. 3万年以来挪威海南部冰岛-苏格兰溢流变化及其对海冰活动的响应[J]. 第四纪研究, 2019, 39(4): 845-862. Wu Dong, Liu Yanguang, Jón Eiríksson, et al. Changes of Iceland-Scotland Overflow Water in Southern Norwegian Sea and the responses to sea ice activities since 30 ka B. P.[J]. Quaternary Sciences, 2019, 39(4): 845-862. |
| [25] |
Polyak L, Curry W, Darby D, et al. Contrasting glacial/interglacial regimes in the western Arctic Ocean as exemplified by a sedimentary record from the Mendeleev Ridge[J]. Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology, 2004, 203(1-2): 73-93. DOI:10.1016/S0031-0182(03)00661-8 |
| [26] |
Xiao W, Polyak L, Wang R, et al. Middle to Late Pleistocene Arctic paleoceanographic changes based on sedimentary records from Mendeleev Ridge and Makarov Basin[J]. Quaternary Science Reviews, 2020, 228: 1-19. DOI:10.1016/j.quascirev.2019.106105 |
| [27] |
Niessen F, Hong J, Hegewald A, et al. Repeated Pleistocene glaciation of the East Siberian continental margin[J]. Nature Geoscience, 2013, 6(10): 842-846. DOI:10.1038/ngeo1904 |
| [28] |
Jakobsson M, Nilsson J, Anderson L, et al. Evidence for an ice shelf covering the central Arctic Ocean during the penultimate glaciation[J]. Nature Communications, 2016, 7: 10365. DOI:10.1038/ncomms10365 |
| [29] |
Parkinson C, Cavalieri D. Arctic sea ice variability and trends, 1979-2006[J]. Journal of Geophysical Research, 2008, 113: C07003. DOI:10.1029/2007jc004558 |
| [30] |
Cocks L, Torsvik T. Siberia, the wondering northern terrane, and its changing geography through the Palaeozoic[J]. Earth-Science Reviews, 2007, 82: 29-74. DOI:10.1016/j.earscirev.2007.02.001 |
| [31] |
Tikhomirov P, Kalinina E, Kobayashi K, et al. Late Mesozoic silicic magmatism of the North Chukotka area(NE Russia): Age, magma sources, and geodynamic implications[J]. Lithos, 2008, 105: 329-346. DOI:10.1016/j.lithos.2008.05.005 |
| [32] |
Fagel N, Not C, Gueibe J, et al. Late Quaternary evolution of sediment provenances in the Central Arctic Ocean: Mineral assemblage, trace element composition and Nd and Pb isotope fingerprints of detrital fraction from the Northern Mendeleev Ridge[J]. Quaternary Science Reviews, 2014, 92: 140-154. DOI:10.1016/j.quascirev.2013.12.011 |
| [33] |
Wang R, Polyak L, Wenshen X, et al. Late-Middle Quaternary lithostratigraphy and sedimentation patterns on the Alpha Ridge, central Arctic Ocean: Implications for Arctic climate variability on orbital time scales[J]. Quaternary Science Reviews, 2018, 181: 93-108. DOI:10.1016/j.quascirev.2017.12.006 |
| [34] |
章陶亮, 王汝建, 陈志华, 等. 西北冰洋楚科奇海台08P23孔氧同位素3期以来的古海洋与古气候记录[J]. 极地研究, 2014, 26(1): 46-57. Zhang Taoliang, Wang Rujian, Chen Zhihua, et al. Paleoceanographic and paleoclimatic records of core 08P23 from the Chukchi Plateau, western Arctic Ocean, since MIS 3[J]. Advances in Polar Science, 2014, 26(1): 46-57. |
| [35] |
章陶亮, 王汝建, 肖文申, 等. 西北冰洋Chukchi Borderland晚第四纪冰筏碎屑记录及其古气候意义[J]. 海洋地质与第四纪地质, 2015, 35(3): 49-60. Zhang Taoliang, Wang Rujian, Xiao Wenshen, et al. Ice rafted detritus records and paleoclimatic meaning of Chukchi Borderland, western Arctic Ocean[J]. Marine Geology & Quaternary Geology, 2015, 35(3): 49-60. |
| [36] |
Bischof J, Clark D, Vincent J. Origin of ice-rafted debris: Pleistocene paleoceanography in the western Arctic Ocean[J]. Paleoceanography, 1996, 11(6): 743-756. DOI:10.1029/96PA02557 |
| [37] |
Clark D, Hanson A. Central Arctic Ocean sediment texture: A key to ice transport mechanisms[M]//Molnia B F ed. Glacial-marine Sedimentation. New York: Plenum Press, 1983: 301-330.
|
| [38] |
Bischof J, Darby D. Mid-to Late Pleistocene ice drift in the western Arctic Ocean: Evidence for a different circulation in the Past[J]. Science, 1997, 277(5322): 74-78. DOI:10.1126/science.277.5322.74 |
| [39] |
Jones E. Circulation in the Arctic Ocean[J]. Polar Research, 2001, 20(2): 139-146. DOI:10.1111/j.1751-8369.2001.tb00049.x |
| [40] |
Darby D, Ortiz J, Grosch C, et al. 1500-year cycle in the Arctic Oscillation identified in Holocene Arctic sea-ice drift[J]. Nature Geoscience, 2012, 5: 897-900. DOI:10.1038/ngeo1629 |
| [41] |
Stälrz M, Gong X, Stein R, et al. Glacial shortcut of Arctic sea-ice transport[J]. Earth and Planetary Science Letters, 2012, 357-358: 257-267. DOI:10.1016/j.epsl.2012.09.033 |
| [42] |
Proshutinsky A, Bourke R, McLaughlin F. The role of the Beaufort Gyre in Arctic climate variability: Seasonal to decadal climate scales[J]. Geophysical Research Letters, 2002, 29(23): 2100. DOI:10.1029/2002GL015847 |
| [43] |
段肖, 王汝建, 肖文申, 等. 西北冰洋北风脊氧同位素5期以来的水体结构变化: 来自有孔虫组合及其氧碳同位素的证据[J]. 海洋地质与第四纪地质, 2015, 35(3): 61-71. Duan Xiao, Wang Rujian, Xiao Wenshen, et al. Water column structure changes on the Northwind Ridge, western Arctic Ocean since Marine Isotope Stage 5:Evidences from foraminiferal assemblages and their oxygen and carbon isotopes[J]. Marine Geology & Quaternary Geology, 2015, 35(3): 61-71. |
| [44] |
黄晓旋, 王汝建, 肖文申, 等. 西北冰洋西北冰洋楚科奇海台晚第四纪以来陆源沉积物搬运机制及其古环境意义[J]. 海洋地质与第四纪地质, 2018, 38(2): 52-62. Huang Xiaoxuan, Wang Rujian, Xiao Wenshen, et al. Transportation mechanisms of terrigenous sediment and its paleoenvionmental implications on the Chukchi Plateau, western Arctic Ocean during Quaternary[J]. Marine Geology & Quaternary Geology, 2018, 38(2): 52-62. |
| [45] |
Hanslik D, Jakobsson M, Backman J, et al. Quaternary Arctic Ocean sea ice variations and radiocarbon reservoir age corrections[J]. Quaternary Science Reviews, 2010, 29: 3430-3441. DOI:10.1016/j.quascirev.2010.06.011 |
| [46] |
Backman J, Jakobsson M, Løvlie R, et al. Is the central Arctic Ocean a sediment starved basin?[J]. Quaternary Science Reviews, 2004, 23(11-13): 1435-1454. DOI:10.1016/j.quascirev.2003.12.005 |
| [47] |
Jakobsson M, Løvlie R, Al-Hanbali H, et al. Manganese and color cycles in Arctic Ocean sediments constrain Pleistocene chronology[J]. Geology, 2000, 28(1): 23-26. DOI:10.1130/0091-7613(2000)28<23:MACCIA>2.0.CO;2 |
| [48] |
Spielhagen R, Baumann K, Erlenkeuser H, et al. Arctic Ocean deep-sea record of northern Eurasian ice sheet history[J]. Quaternary Science Reviews, 2004, 23(11-13): 1455-1483. DOI:10.1016/j.quascirev.2003.12.015 |
| [49] |
Stein R, Matthiessen J, Niessen F, et al. Towards a better(litho-) stratigraphy and reconstruction of Quaternary paleoenvironment in the Amerasian Basin(Arctic Ocean)[J]. Polarforschung, 2010, 79(2): 97-121. |
| [50] |
Løwemark L, Jakobsson M, Mørth M, et al. Arctic Ocean manganese contents and sediment color cycles[J]. Polar Research, 2008, 27(2): 105-113. DOI:10.1111/j.1751-8369.2008.00055.x |
| [51] |
Polyak L, Best K, Crawford K, et al. Quaternary history of sea ice in the western Arctic Ocean based on foraminifera[J]. Quaternary Science Reviews, 2013, 79: 145-156. DOI:10.1016/j.quascirev.2012.12.018 |
| [52] |
Cronin T, DeNinno L, Polyak L, et al. Quaternary ostracode and foraminiferal biostratigraphy and paleoceanography in the western Arctic Ocean[J]. Marine Micropaleontology, 2014, 111: 118-133. DOI:10.1016/j.marmicro.2014.05.001 |
| [53] |
Ishman S, Polyak L, Poore R. An expanded record of Pleistocene deep Arctic change: Canada Basin, western Arctic Ocean[J]. Geology, 1996, 24(2): 139-142. DOI:10.1130/0091-7613(1996)024<0139:EROQOC>2.3.CO;2 |
| [54] |
Otto-Bliesner B, Marshall S, Overpeck J, et al. Simulating Arctic climate warmth and icefield retreat in the last interglaciation[J]. Science, 2006, 311: 1751-1753. DOI:10.1126/science.1120808 |
| [55] |
马通. 北冰洋中部地区晚第四纪的沉积物源分析及古海洋学研究[D]. 上海: 同济大学硕士学位论文, 2017: 1-75. Ma Tong. Sediment Source Analysis and Paleoceanography Research in the Central Arctic Ocean during the Late Quaternary[D]. Shanghai: The Master's Thesis of Tongji University, 2017: 1-75. |
| [56] |
Polyak L, Edwards M, Coakley B, et al. Ice shelves in the Pleistocene Arctic Ocean inferred from glaciogenic deep-sea bedfroms[J]. Nature, 2001, 410: 453-457. DOI:10.1038/35068536 |
| [57] |
Stauch G, Gualtieri L. Late Quaternary glaciations in northeastern Russia[J]. Journal of Quaternary Science, 2008, 23: 545-558. DOI:10.1002/jqs.1211 |
| [58] |
Siddall M, Rohling E, Almogi-Labin A, et al. Sea-level fluctuations during the last glacial cycle[J]. Nature, 2003, 423: 853-858. DOI:10.1038/nature01690 |
| [59] |
Brigham-Grette. A fresh look at Arctic ice sheets[J]. Nature Geoscience, 2013, 6: 807-808. DOI:10.1038/ngeo1960 |
| [60] |
徐仁辉, 王汝建, 肖文申, 等. 西北冰洋中更新世以来粘土矿物变化特征及其反映的洋流和冰盖演化[J]. 海洋学报(中文版), 2020, 42(9): 50-60. Xu Renhui, Wang Rujian, Xiao Wenshen, et al. Variations in clay mineral composition in the western Arctic Ocean since the mid-Pleistocene: Implications on changes in circulation and ice sheet development[J]. Acta Oceanological Sinica, 2020, 42(9): 50-60. DOI:10.3969/j.issn.0253-4193.2020.09.006 |
| [61] |
Baturin G, Dubinchuk V. The composition of Ferromanganese nodules of the Chukchi and East Siberian Seas[J]. Doklady Earth Sciences, 2011, 440: 1254-1264. DOI:10.1134/s1028334x11090029 |
| [62] |
German C, Klinkhammer G, Edmond J, et al. Hydrothermal scavenging of rare-earth elements in the Ocean[J]. Nature, 1990, 345: 516-518. DOI:10.1038/345516a0 |
| [63] |
Hein J, Bohrson W, Schulz M, et al. Variations in the fine-scale composition of a Central Pacific ferromanganese crust: Paleoceanographic implications[J]. Paleoceanography, 1992, 7: 63-77. DOI:10.1029/91PA02936 |
| [64] |
Winter B, Johnson C, Clark D. Geochemical constrains on the formation of Late Cenozoic ferromanganese micronodules from the central Arctic Ocean[J]. Marine Geology, 1997, 138: 149-169. DOI:10.1016/S0025-3227(97)00013-3 |
| [65] |
Bogdanov Y, Gurvich E, Bogdanova O, et al. Ferromanganese nodules of the Kara Sea[J]. Oceanology, 1995, 34(5): 722-732. |
| [66] |
Dalton A, Finkelstein S, Barnett P, et al. Constraining the Late Pleistocene history of the Laurentide ice sheet by dating the Missinaibi formation, Hudson Bay lowlands, Canada[J]. Quaternary Science Reviews, 2016, 146: 288-299. DOI:10.1016/j.quascirev.2016.06.015 |
| [67] |
Pico T, Creveling J, Mitrovica J. Sea-level records from the U. S. Midatlantic constrain Laurentide ice sheet extent during marine isotope stage 3[J]. Nature Communications, 2017, 8: 15612. DOI:10.1038/ncomms15612(2017) |
| [68] |
Pico T, Birch L, Weisenberg J, et al. Refining the Laurentide Ice Sheet at Marine Isotope Stage 3:A data-based approach combining glacial isostatic simulations with a dynamic ice model[J]. Quaternary Science Reviews, 2018, 195: 171-179. DOI:10.1016/j.quascirev.2018.07.023 |
| [69] |
Stokes C, Clark C, Darby D, et al. Late Pleistocene ice export events into the Arctic Ocean from the M'Clure Strait Ice Stream, Canadian Arctic Archipelago[J]. Global and Planetary Change, 2005, 49(3-4): 139-162. DOI:10.1016/j.gloplacha.2005.06.001 |
| [70] |
Ye L, Zhang W, Wang R, et al. Ice events along the East Siberian continental margin during the last two glaciations: Evidence from clay minerals[J]. Marine Geology, 2020, 428: 1-13. DOI:10.1016/j.margeo.2020.106289 |
| [71] |
Viscosi-Shirley C, Mammone K, Pisias N, et al. Clay mineralogy and multi-element chemistry of surface sediments on the Siberian-Arctic shelf: Implications for sediment provenance and grain size sorting[J]. Continental Shelf Research, 2003, 23. DOI:10.1016/S0278-4343(03)00091-8 |
| [72] |
Viscosi-Shirley C, Pisias N, Mammone K. Sediment source strength, transport pathways and accumulation patterns on the Siberian-Arctic's Chukchi and Laptev shelves[J]. Continental Shelf Research, 2003, 23: 1201-1225. DOI:10.1016/S0278-4343(03)00090-6 |
2 State Key laboratory of Marine Geology, Tongji University, Shanghai, 200092;
3 Byrd Polar and Climate Research Center, the Ohio State University, Columbus, 43210)
Abstract
In this article, Ice Rafted Debris(IRD) petrological and lithological identification were performed on 4 gravity cores collected in the Chukchi Borderland, western Arctic Ocean, including core ARC6-C15(75.62°N, 163.23°W, 2016 m water depth, 418 cm core length, bottom age MIS 4), core ARC7-P12(78.29°N, 162.69°W, 2086 m water depth, 256 cm core length, bottom age MIS 5), core P1-92-AR-P25 (74.82N, 157.37°W, 1625 m water depth, 550 cm core length, bottom age MIS 5) and core HLY0503-8JPC(79.59°N, 172.50°W, 2792 m water depth, 402 cm core length, bottom age MIS 5). Our research purpose is to determine the IRD provenances by the IRD composition(variation in detrital carbonates, clastic rocks, coal fragments and Fe-Mn nodules content), and further indicate the Eurasian Ice Sheet(EAIS) and Laurentide Ice Sheet(LIS) evolution and surficial circulation variability since MIS 5.During MIS 5.5 and MIS 5.1, the Beaufort Gyre(BG) expanded compare to modern condition. During MIS 4, thick glacioturbidites from EAIS or East Siberia Ice Sheet(ESIS) were found in sediments which indicate that EAIS or ESIS may expand to southern Chukchi Borderland. At the same time, abundant Fe-Mn nodules were found in MIS 4 sediments. We assume they were affected by the EAIS or ESIS expansion. Meanwhile, the relationship between Fe-Mn nodules and EAIS or ESIS is uncertain and more works are required. During MIS 3, the BG slightly shrink and the range is smaller than current BG. During Last Glacial Maximum(LGM), sediments are mainly composed by glacioturbidites originated from LIS, and a drainage event from LIS were found in study area within the last deglaciation. During MIS 1, the study area is controlled by BG and carbonate-rich IRD from the Canadian Arctic Archipelago(CAA) are transported by BG into the Arctic Basin.