2021, Vol.41
2 上海交通大学海洋学院, 上海 200240)
北极的冰-海-气之间的正反馈效应使全球气候波动在北极地区呈现显著变化，使北极地区成为全球气候变化的放大器，气候变暖造成北极大气和海洋环境的改变，对生态、北半球气候和全球大洋环流产生深远的影响[1]。预测未来北极环境的变化对全球环境的反馈和驱动，有赖于对地质历史时期北极环境变化的深入了解。
北极地区以发育的冰盖、冰川和海冰为显著特征。第四纪以来，冰期-间冰期的全球气候变化主要以北半球冰盖的消长所主导[2]。北极冰盖的消长在改造北冰洋洋流系统和沉积环境的同时，通过大气和海洋环流影响全球气候[3]。现今北极冰盖主要分布在格陵兰、加拿大北极群岛以及北欧等环北极陆地的冰川；而晚更新世的冰期，发育有北美劳伦冰盖、欧亚冰盖等大型冰盖，且在东西伯利亚海陆架也曾存在过冰盖，陆架冰盖的发育甚至延伸入海形成冰架，并对洋脊、海台等海底地形高地造成侵蚀[4~5]。由于陆地冰盖发育记录常常受到后期冰川侵蚀的破坏，其研究主要集中在深海氧同位素MIS6期以来的冰盖发育历史[6]。而海洋沉积物提供了相对更连续和完整的长时间尺度的冰川发育信息。
北冰洋由罗蒙诺索夫脊分为欧亚北冰洋和美亚北冰洋，前者通常被称为东北冰洋而后者为西北冰洋。现代北冰洋大尺度表层环流以西北冰洋美亚海盆顺时针流动的波弗特环流(Beaufort Gyre，简称BG)和欧亚海盆从西伯利亚陆架向弗拉姆海峡流动的穿极流(Transpolar Drift，简称TPD)为特征[7](图 1)。这两个洋流系统控制着携带陆源物质的海冰和冰山的漂流方向，因此控制了北冰洋沉积物的分布[8]。目前二者的交界处在门捷列夫脊附近[7]。沉积记录和数值模拟显示，在末次冰期，穿极流的影响范围向西北冰洋扩张，而波弗特环流则被导向弗拉姆海峡[9~10]。而在更早的时期，对两个洋流系统的边界和影响范围尚知之甚少。
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图 1
站位(表 1)、北冰洋表层洋流和环北冰洋陆地岩性分布(据Fagel等[8]重绘)
BG：波弗特环流；TPD：穿极流；SCC：东西伯利亚沿岸流；Mackenzie：马更些河；Kolyma：科雷马河；Lena：勒拿河；Indigirka：印迪吉尔卡河；Ob：鄂毕河；Yenisey：叶尼塞河；Beaufort Sea：波弗特海；Chukchi Sea：楚科奇海；E. Siberian Sea：东西伯利亚海；Laptev Sea：拉普捷夫海；Kara Sea：喀拉海；Barents Sea：巴伦支海；Fram Strait：弗拉姆海峡 红色五角星为本文研究站位，黑色圆点为参考站位(表 1) Fig. 1 Arctic Ocean physiographic and oceanographic settings and lithology of circum-Arctic terrains(modified from Fagel et al. [8])with locations of reported(red stars)and referenced(black dots)sediment cores(Table 1). BG: Beaufort Gyre; TPD: Transpolar Drift; SCC: Siberian Coastal Current; Circum-Arctic rivers are indicated |
北冰洋周围的陆地地质情况复杂，分布着不同时期形成的不同岩性的岩石[11]。例如，西伯利亚西部靠近大西洋处主要由侵入岩和变质岩组成；自鄂毕河附近向东主要由碎屑岩组成；阿拉斯加地区大部分为侵入岩、变质岩和碎屑岩，加拿大北极群岛的露头主要由碳酸盐岩和碎屑岩组成，而侵入岩和碎屑岩是格陵兰岛的主要特征[11]。冰盖/冰川的崩塌使大量冰山携带陆源物质输入到北冰洋深海[12]。冰山携带的陆源物质的典型特征是含有大量的粗颗粒冰筏碎屑(Ice Rafted Debris，简称IRD)[12]。这些IRD反映了源区母岩的特征。因此，通过IRD的岩性、矿物研究，可以追踪环北冰洋冰盖发育的历史及洋流变化[13~14]。
前人通过全岩矿物、粘土矿物、Sr-Nd-Pb同位素等手段对北冰洋中更新世以来沉积物物源分析做了大量工作，反映北极冰盖和洋流的演化规律[15~19]，但对不同海域和不同指标的综合对比的研究尚欠缺。本文旨在通过对北冰洋阿尔法脊和马卡洛夫海盆钻取的两根沉积物岩芯中IRD含量及矿物组成进行定量研究，并综合对比西北冰洋其他沉积记录的物源信息，获得晚第四纪北冰洋中心海区冰山运移和物源情况等信息，进而重建晚第四纪冰期-间冰期西北冰洋中心海区表层洋流和筏冰输入的演化历史。
1 材料与研究方法 1.1 材料本次研究材料来源于中国第四次和第五次北极考察采集的ARC4-BN10(长度240cm)和ARC5-ICE6(长度426cm)重力柱状样岩芯(以下简称BN10和ICE6)(表 1和图 1)。BN10与ICE6分别位于阿尔法脊和马卡洛夫海盆，在现代西北冰洋的洋流模式下，二者在波弗特环流与穿极流的边界处，BN10主要受到波弗特环流的影响而ICE6主要受到穿极流的影响。因此，二者矿物组成的变化对冰期-间冰期中心海区洋流系统的变化敏感。样品按照2cm间隔取样烘干(BN10共120个样品，ICE6共213个样品)，用于后续分析。
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表 1 研究材料及参考站位的信息 Table 1 Information of studied and referenced cores |
本文所研究材料BN10和ICE6沉积物已做过多项分析，包括XRF元素扫描、粗组分含量、有孔虫丰度统计和地层标志种鉴定以及浮游有孔虫Neogloboquadrina pachyderma的AMS14C测年等(表 2)，并由此建立了各自的地层框架[20~21]。日历年的计算采用Calib 7.04软件和Marine 13校正曲线[26~27]；全新世和末次冰期碳储库年龄分别采用700a和1400a[28]；校正计算的误差精度为2 σ。在此基础上，本文重点分析了冰筏碎屑岩矿的组成。
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表 2 BN10和ICE6岩芯的浮游有孔虫的AMS14C测年[20~21] Table 2 Radiocarbon datings on planktonic foraminifera Neogloboquadrina pachyderma from cores BN10 and ICE6[20~21] |
具体方法为：将约10g干样泡开，用水通过63μm的筛子冲洗，烘干后进一步干筛依次获得>150μm和>250μm的粗组分屑样，两个组分的屑样计算成百分含量，用于指示冰筏碎屑IRD的含量；将>250μm屑样放在显微镜下鉴定并统计其岩矿组成，之后计算各类岩屑的百分含量与丰度。为便于对比前人研究，岩屑组分分为石英、碳酸盐岩、碎屑岩、结晶岩以及燧石[13]；碎屑岩包含砾岩、砂岩、粉砂岩、泥岩等，结晶岩包含变质岩和火成岩等。
2 地层框架北冰洋深海沉积物的地层划分和对比与其他海区相比困难得多。由于低生产力和强溶解作用，沉积物中有孔虫记录不连续。此外，北冰洋的有孔虫氧同位素受到融冰水以及海冰形成时卤水生成的影响，呈现与全球标准氧同位素曲线(如LR04)不一致的变化[22, 29]。因此，在低纬地区的地层划分和对比中广泛运用的有孔虫氧同位素记录[29]在北冰洋往往并不适用。在北极地区年代框架主要是通过多指标综合区域对比来建立。同时在北冰洋地区每一种方法在最终确定年代框架时都需要考虑到区域性因素对于该方法的影响。
在用于北冰洋沉积物年代框架建立的众多指标中，沉积物中Mn含量的变化是使用最广泛的一个指标[20~21, 30]，北冰洋深海沉积物Mn元素的含量表现出明显的旋回性特征，呈现冰期、冰阶含量低，间冰期、间冰阶含量高的特征，Mn含量变化结合生物地层学、岩性地层学等指标的变化进行地层划分[21, 23]。
本文研究材料BN10、ICE6的年龄框架已发表[20~21]。二者年龄框架的建立利用了AMS14C、岩性地层、生物地层和古地磁信号的区域对比，在此基础上将Mn含量旋回性变化对比全球底栖氧同位素标准曲线LR04[20~21]，综合得出BN10与ICE6的地层框架(图 2)。结果显示：BN10底部年龄为深海氧同位素(Marine Isotope Stage，简称MIS)9期(约330ka)，ICE6底部年龄为MIS13期(约500ka)，两根岩芯的顶部年龄均为MIS1期(表 2)。两个岩芯基于Mn含量旋回的年龄框架与北冰洋中央海盆其他对比岩芯(表 1)保持一致[21]，由此确保沉积记录在同一年龄框架中进行区域对比。
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图 2 BN10与ICE6岩芯XRF-Mn/Ti变化，对比全球底栖氧同位素标准曲线LR04[29]，建立地层框架[20~21] Fig. 2 Stratigraphic alignment of cores BN10 and ICE6 using XRF-Mn/Ti variations[20~21], in comparison to the global benthic oxygen isotope LR04 record[29] |
BN10中，>150μm的IRD在0~20 % 范围内变化，>250μm的IRD在0~10 % 范围内变化，大致呈现冰期、冰阶和冰消期高，间冰期、间冰阶低的特征。两个组分含量变化趋势基本一致，但变化幅度有显著差别。在间冰期二者含量相当，而在冰期>150μm组分的含量显著高于>250μm组分。IRD在MIS9~8、MIS6、MIS4前期、MIS3含量较多，MIS7和MIS5相对较少。IRD中各岩矿组分绝对含量的变化较为一致，都呈现间冰期含量低，冰期含量高的特点，而相对含量的变化呈现差异。石英的百分含量呈现冰期高、间冰期低的特点，碎屑岩与碳酸盐岩的百分含量均呈现冰期低、间冰期高的特点。MIS9和MIS7的IRD主要为碎屑岩，MIS8以及MIS6~1的IRD主要为石英。结晶岩与燧石百分含量都在5 % 以下，总体呈现冰期低、间冰期高的特点，与碳酸盐岩变化趋势较为相近。在MIS3，40ka左右时IRD含量达到峰值，此时石英、碳酸盐岩与碎屑岩的丰度同步增高；在MIS8/7，碳酸盐岩、碎屑岩、结晶岩与燧石的丰度同步出现含量峰值(表 3和图 3a)。我们以BN10和ICE6岩芯>250μm的数据结果进行分析。
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表 3 BN10及ICE6岩芯>250μm屑样中各岩矿绝对丰度与百分含量汇总 Table 3 The absolute and relative abundances of lithic grains in the >250μm fraction in cores BN10 and ICE6 |
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图 3 BN10(a)和ICE6(b)岩芯冰筏碎屑含量及>250μm屑样中岩矿绝对丰度(黑色曲线)和相对丰度(灰色曲线)对比全球底栖氧同位素LR04曲线[29] Fig. 3 IRD contents, absolute (black)and relative(gray) abundances of lithic grains in the >250μm fraction in cores BN10 (a)and ICE6 (b)compared to the LR04 record[29] |
ICE6中，>150μm IRD在0~20 % 范围内变化，>250μm IRD在0~10 % 范围内变化，大致呈现冰期、冰阶和冰消期高，间冰期、间冰阶低的特征。两个组分变化趋势一致，且含量在大部分层位相当，仅在MIS6和MIS4，>150μm组分达到>250μm组分的两倍左右。IRD在MIS13~7较少，MIS6~1增多。IRD中各岩矿组分绝对含量的变化较为一致而相对含量的变化呈现差异。石英的百分含量呈现冰期高、间冰期降低的特点，碎屑岩与碳酸盐岩的百分含量均呈现冰期低、间冰期高的特点。MIS6~1的IRD主要为石英。结晶岩与燧石平均百分含量在5 % 以下，总体呈现冰期低、间冰期高的特点，与碳酸盐岩变化趋势较为相近。在MIS4左右时IRD含量达到峰值，此时石英、碳酸盐岩与碎屑岩的丰度同步增高；在MIS5b处，碳酸盐岩、碎屑岩、结晶岩与燧石的丰度同步出现含量峰值；在MIS5d处，碳酸盐岩含量出现峰值而此时石英含量较低(表 3和图 3b)。
4 讨论 4.1 岩矿组成对冰筏来源的指示BN10与ICE6中的岩矿主要包含石英、碎屑碳酸岩、碎屑岩、结晶岩和燧石。为了得到其物源信息，需对比环北冰洋陆地和边缘海中这些岩矿的分布以及它们的搬运途径。
石英是两个岩芯的IRD中最主要的成分。区域地质调查显示，拉普捷夫海沿岸以及东西伯利亚的基岩中富含石英[31]。这些石英通过海岸侵蚀进入拉普捷夫海和东西伯利亚海，并随着沿岸流被带入东西伯利亚海以及楚科奇海东部(图 1)；另外东西伯利亚海附近的科雷马河以及其他西伯利亚河流也对石英输入有贡献(图 1)。此外，加拿大伊丽莎白皇后岛西部也分布有富含石英的砂岩[13, 32~33]。其次在马更些河流域以及阿拉斯加北部部分地区的陆地基岩也是以砂岩和粉砂岩为主[31]。
碳酸岩包含灰岩和白云岩，其露头主要分布在加拿大北极群岛，尤其是班克斯岛和维多利亚岛[13, 32](图 1)。富含碳酸盐岩的IRD被当地冰山携带，通过麦克卢尔等海峡的冰流被输送到波弗特海，随波弗特环流搬运并主要沉积在西北冰洋[13, 31]。由于穿极流几乎不会携带富含碳酸盐岩的IRD[8]，因此北冰洋沉积物中的碎屑碳酸岩可以作为判断受到波弗特环流影响和区分北冰洋欧亚海盆和美亚海盆不同沉积模式的重要依据[10, 13, 34]。
碎屑沉积岩，包含砾岩、砂岩、粉砂岩、泥岩等。在欧亚大陆，碎屑岩的露头可沿东西伯利亚海岸和弗兰格尔岛附近地区发现[35](图 1)，通过河流、海岸侵蚀随洋流运输到北冰洋海盆[36~37]。在北美大陆上，碎屑沉积岩的分布较为广泛，包括马更些河流域的白垩纪碎屑粉砂岩和砂岩露头、加拿大北极群岛中的斯瓦尔德鲁普盆地和伊丽莎白皇后岛以及阿拉斯加北部的页岩和砂岩露头[31~32](图 1)。
结晶岩主要包含了变质岩和火成岩。变质岩主要存在于阿拉斯加以及马更些河流域的部分地区的地层中，以及加拿大北极群岛的埃尔斯米尔岛和格陵兰北部地区，主要通过波弗特环流带入北冰洋的美亚海盆中[8, 32]。火成岩的露头分布于鄂霍茨克-楚科奇火山带上以及阿拉斯加北部的部分地区[32]。这些火成岩被海岸侵蚀以及通过附近科雷马河进入东西伯利亚海，另外白令海入流水也有一定的贡献[37]。此外，西伯利亚普托纳拉地区(Putorana)是环北冰洋火成岩的重要分布区域，然而其沉积物主要卸载在喀拉海和拉普捷夫海西部[36, 38]，对西北冰洋的IRD输入十分有限。
在西北冰洋，燧石的来源主要是阿拉斯加布鲁克斯山脉[39]。此外，在阿拉斯加的育空河(Yukon River)北部地区以及马更些河(Mackenzie River)流域的部分地区分布着含燧石岩层[13, 40]。携带燧石的冰筏通过河流进入楚科奇海以及波弗特海的陆架区，随后被搬运至楚科奇海南部地区[31]。
4.2 洋流和冰盖演化历史BN10和ICE6岩芯的>250μm的IRD的绝对丰度在MIS7前后发生显著变化(图 4a)，表现为MIS7之后IRD含量的明显增加，指示北冰洋周边冰盖的扩张。据此，我们将沉积记录分为MIS13~8和MIS7~1进行讨论。
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图 4 岩矿组分在BN10岩芯(黑色曲线)与ICE6岩芯(灰色曲线)>250μm粗组分中绝对丰度(a)和相对丰度(b)对比 Fig. 4 Comparisons of absolute (a) and relative (b) abundances of lithic grains in the >250μm fraction in cores BN10(black)and ICE6(gray) |
两根岩芯的IRD中各组分绝对丰度同步增加(图 4a)，指示不同来源的筏冰输入在冷期同时增加，反映北极周边冰盖整体增长的情况。MIS13~8，ICE6中的IRD含量很低(图 3b)，与罗蒙诺索夫脊中部的记录一致(如PS2185和AO96/12-1PC岩芯)[15, 22~23]，指示马卡洛夫海盆南部和罗蒙诺索夫脊均没有明显受到周边冰盖发育的影响。这个时期，BN10岩芯有较高的IRD含量(图 3a)，与ARC4-BN05岩芯[18]类似，说明加拿大海盆在这个时期接受大量的冰筏输入。来自阿尔法脊和门捷列夫脊更长的岩芯记录也显示，在MIS12和MIS10期沉积了大量冰筏碎屑，指示劳伦冰盖发育[20~21]。BN10与ICE6岩芯的IRD的区别也指示了在这个时期，马卡洛夫海盆和罗蒙诺索夫脊区域与加拿大海盆和阿尔法脊区域受不同洋流系统的控制。
各岩矿组分百分含量的消长反映周边冰盖发育不平衡，及洋流系统发生改变。这个时期石英在ICE6的IRD中含量总体占60 % 以上，且冰期含量略高、间冰期含量略低；碎屑岩的含量与石英呈现反相关的关系(r=-0.93)；这个特征同样存在于BN10(r=-0.96)。BN05岩芯的IRD的Sr-Nd-Pb同位素数据显示[19]，MIS7以前的冰期物源主要来自于北美地区，间冰期时主要来自西伯利亚地区。全岩XRD分析显示，ARC4-BN05岩芯的石英/长石比值在MIS10和MIS12明显升高，指示此阶段石英的来源主要是北美地区而碎屑岩的来源主要是西伯利亚地区物源[18]。据此可推断波弗特环流在冰期增强而穿极流在间冰期增强的规律。由于ICE6在这个时期的IRD组分变化较BN10弱，说明波弗特环流在此阶段对马卡洛夫海盆影响较小。
ICE6中结晶岩和燧石的正相关(r=0.51)指示它们来自同一源区。由于结晶岩和燧石源区的地域分布相对局限，可以判断它们主要来自阿拉斯加北极沿岸的冰川排泄。阿拉斯加在更新世没有大的冰盖形成，仅以布鲁克斯山脉为中心发育冰川[41]。因此也导致结晶岩和燧石在IRD中绝对丰度和百分含量较低。碎屑岩在MIS9的BN10中呈现相对高丰度和百分含量(图 3a)。这个时期碎屑岩与燧石和结晶岩变化趋势一致，因此指示其阿拉斯加来源[13, 32, 40]，受到波弗特环流搬运至阿尔法脊。而上文提到MIS10和MIS12碎屑岩的来源主要是西伯利亚地区[35]，所以推断碎屑岩在冰期与间冰期时的主要来源不同。
碳酸岩作为加拿大北极群岛的物源指标，其含量的变化反映了劳伦冰盖的发育和波弗特环流的搬运[10, 13, 34]。在BN10中，碳酸岩的第一个峰值出现在MIS8/7(图 3a)，反映了劳伦冰盖在这次冰消期的一次排泄事件影响范围到达阿尔法脊。碳酸岩含量在ICE6中总体很低，在相同层位并没有显示其含量的增高(图 3b)，说明加拿大北极群岛物源和波弗特环流基本没有影响到该站位。
综合观察BN10和ICE6岩芯的石英、碳酸岩和碎屑岩的百分含量在此阶段的变化趋势，可以发现碳酸盐岩百分含量较低且规律不明显，而石英与碎屑岩含量较高且反相关(图 4b)。根据前文讨论的物源信息，推断加拿大北极群岛处冰盖的发育比马更些河流域冰盖的发育差。这也解释了MIS9时期BN10岩芯碎屑岩、结晶岩和燧石含量较高而碳酸盐岩含量较低的现象。
BN10岩芯在MIS8表现出>150μm的IRD含量显著高于>250μm组分的现象(图 3a)。IRD搬运的载体通常为海冰和冰山[31, 42~44]。海冰搬运的IRD一般是粉砂级[43]，而冰山搬运通常为砂级以上的粗组分[12]。因此，>150μm组分和>250μm组分的差别体现的不是冰山搬运能力的大小，而可能反映的是冰山所携带的IRD来自不同物源区，即陆地和陆架。由于陆架区沉积物粒径相对较细，而陆地原岩区有更丰富的粗颗粒物质，因此推断IRD粒级的变化反映了冰盖发育的大小：冰期更多的相对更细的IRD反映了冰盖向陆架延伸，携带陆架沉积物向海盆搬运。这个现象同样存在于MIS6、MIS4等晚更新世其他冰期，指示在冰期时，冰盖发育至陆架区域，冰山在垮塌时就会携带陆架上的沉积物随洋流进入北冰洋中心海区[31]；而间冰期时冰盖后退、没有覆盖陆架，冰山主要携带陆地粗颗粒物质进入洋盆。
我们根据上述讨论可得出在MIS13~8的冰期，劳伦冰盖总体发育良好，其中马更些河流域冰盖比加拿大北极群岛处冰盖更加发育。波弗特环流的影响在冰期较强，将北美地区的携带着大量沉积物的冰山输入到加拿大海盆和阿尔法脊处沉积，导致BN10岩芯的数据有明显的美亚海盆沉积物的规律。欧亚冰盖发育较差，穿极流的影响范围在间冰期较大，导致ICE6岩芯IRD较低而阿尔法脊与部分加拿大海盆区域在间冰期接受来自西伯利亚的冰筏沉积。除此之外，波弗特环流在此阶段对马卡洛夫海盆的影响一直较小，指示波弗特环流与穿极流的界线在冰期时大概为阿尔法脊-门捷列夫脊一带而在间冰期时大概为加拿大海盆区域。
4.2.2 MIS7BN10岩芯的IRD含量在MIS7期显著增加，而此时ICE6岩芯的IRD含量依旧较低(图 4b)，显示从约MIS8/7时期开始，北美地区冰盖发育迅速而欧亚冰盖发育依旧较差。楚科奇边缘地(P1-93AR-P23、P1-92AR-P39)、加拿大海盆(ARC4-BN05)和门捷列夫脊(ARC5-MA01、ARC7-E26)岩芯记录均表现出IRD含量升高[18, 21, 24]，与BN10岩芯相似。而位于罗蒙诺索夫脊的AO96/12-1PC岩芯则并没有明显的IRD含量升高现象[23]，与ICE6岩芯相似，指示欧亚冰盖仍然不发育。两个站位IRD含量的不同变化也指示了环北冰洋不同区域冰盖发育的不平衡。此外，这个时期IRD含量的增加与北冰洋环境中更新世以来整体变冷，季节性海冰向永久海冰的转变趋势一致[24]。
此阶段BN10岩芯的IRD中各岩矿的比例与MIS9类似，石英的含量低，碎屑岩的含量与石英呈现反相关的关系(r=-0.98)。结晶岩与燧石的含量在此阶段明显升高(图 3a)，可指示此阶段来自阿拉斯加及马更些河流域的IRD明显增多[31]。此阶段ARC4-BN05岩芯在MIS7期的IRD同位素和全岩石英/长石比值指示西伯利亚和北美地区混合来源的物质输入[18~19]。同理，我们推断阿尔法脊地区同时受到波弗特环流和穿极流的影响，接收北美和西伯利亚的冰筏输入。
ICE6岩芯在此阶段的IRD中石英与碎屑岩的含量与BN10岩芯相似但结晶岩和燧石含量并无明显增高(图 3b)，指示波弗特环流在此阶段对马卡洛夫海盆的影响较小。
综合来看，此阶段马卡洛夫海盆的物源主要为西伯利亚地区而阿尔法脊地区的物源受到北美和西伯利亚的综合影响。波弗特环流与穿极流的界线大概在阿尔法脊-门捷列夫脊一带。
4.2.3 MIS6和MIS4MIS6时期ICE6和BN10岩芯的IRD含量增多，与西北冰洋和罗蒙诺索夫脊多个沉积记录在此阶段显示高IRD含量相符(如岩芯ARC5-MA01、ARC7-E26和PS2185)[20~22]，指示该时期北冰洋周边冰盖较发育(图 4b)。
在BN10与ICE6岩芯中，碳酸岩的百分含量极低(图 4b)，说明此阶段来自劳伦冰盖的冰筏碎屑很少，指示劳伦冰盖在此阶段的发育情况比欧亚冰盖弱，或波弗特环流在该区域的影响很弱，与ARC4-BN05岩芯的记录相符[18]。
两根岩芯在MIS6时期均出现明显的结晶岩和燧石绝对含量的升高，指示阿拉斯加区域冰筏输入的增加(图 4a)。而由于此时绝大部分IRD都是石英，使得结晶岩和燧石的百分含量依旧较低且无明显变化(图 4b)。同时，ARC4-BN05全岩XRD分析显示，石英/长石比值在此阶段低于1，指示西伯利亚物源。这个时期对应了欧亚冰盖晚更新世最大发育[5, 45]。地球物理和沉积记录证据也表明，在东西伯利亚存在一个独立的冰盖[46]。这个时期，穿极流在此阶段的影响范围大幅增加，甚至影响部分加拿大海盆地区[18]。这个洋流模式与BN10和ICE6显示出来的信息一致。两根岩芯的相似变化可以指示穿极流在MIS6期的影响范围可到达阿尔法脊地区。
MIS4时期ICE6岩芯和BN10岩芯的变化模式基本相同，IRD含量均有所升高，且都表现为石英绝对丰度的升高，碳酸盐岩和碎屑岩的含量很低(图 4b)。根据与ARC4-BN05岩芯和AO96/12-1PC岩芯的矿物以及同位素参数对比[16, 18~19]，指示MIS4阿尔法脊和马卡洛夫海盆的冰筏碎屑来源主要是西伯利亚，与MIS6相似。此时穿极流能够影响到阿尔法脊区域和部分加拿大海盆地区，而波弗特环流的影响范围较小。
这两个时期，位于罗蒙诺索夫脊的AO96/12-1PC岩芯的重矿物分析显示，代表北美物源的白云岩和磷灰石含量明显降低而代表西伯利亚物源的角闪石和石榴石明显增多[16]，指示此阶段北冰洋中心海区的主要物质来源是西伯利亚。与上文讨论的BN10、ICE6和ARC4-BN05几乎主要的IRD来源是西伯利亚相符合[18]。
4.2.4 MIS5MIS5时期，ICE6和BN10两根岩芯分辨率显著提高，使冰阶-间冰阶的变化得以呈现。MIS5期二者的IRD含量变化较大，在冰阶含量较高，间冰阶含量较低(图 3b)。
MIS5时期ICE6和BN10的IRD成分主要是石英，但在MIS5d和MIS5a时期，碳酸岩含量明显上升，石英的含量随之降低(图 4b)。这个现象指示在MIS5d和MIS5a时期，北冰洋中心海区主要接受来自劳伦冰盖的冰筏碎屑而其他时期主要接受来自西伯利亚地区的冰筏碎屑[31]。
对比BN05和AO96/12-1PC岩芯的重矿物信息，白云岩含量在MIS5d和5a有明显升高现象，指示其北美物源[16, 18]。这一点也由ARC4-BN05岩芯IRD的Sr-Nd-Pb同位素[19]和门捷列夫脊南部PS72/340-5岩芯相同层位的Nd-Pb同位素数据佐证[17]。MIS5d时期劳伦冰盖的排泄事件在西北冰洋广泛区域沉积大量碎屑碳酸盐，形成粉白层[20~21, 25]。这个显著的北美物源物质输入信号指示波弗特环流在此阶段能够影响到马卡洛夫海盆一带，相较于MIS6影响范围明显增大。这一推论与前人推断此阶段波弗特环流增强，影响范围增大相符[17~18]。
在MIS5b时期，两根岩芯中石英的百分含量明显升高而碳酸岩的百分含量随之降低，指示其西伯利亚来源，与同样是冰阶的MIS5d时期的IRD组分迥异(图 4b)。由此推断，在MIS5b时期，穿极流在阿尔法脊与马卡洛夫海盆处的影响较波弗特环流强。在这个时期，加拿大海盆ARC4-BN05和罗蒙诺索夫脊AO96/12-1PC孔的重矿物组成显示，白云岩含量明显降低而指示西伯利亚物源的斜长石与辉石的含量明显增加[16, 18]。ARC4-BN05岩芯的IRD同位素同样指示此阶段主要的沉积物来源为西伯利亚地区[19]。
4.2.5 MIS3~1MIS3~1时期，ICE 6的IRD含量较低，而BN10的IRD含量较高(图 4b)，与门捷列夫脊的岩芯ARC5-MA01和ARC7-E26以及加拿大海盆的岩芯ARC4-BN05记录一致[18~19, 21]，指示欧亚冰盖发育较差而北美冰盖发育较好。
在此阶段，BN10的IRD成分主要是石英和碳酸岩，碎屑岩含量极低。MIS3期出现明显的碳酸岩绝对丰度和百分含量的增加(图 4a和4b)，其峰值对应西北冰洋沉积物该时期广泛存在的白色层位W3[47]，这个特征与PS72/392-5和ARC4-BN05岩芯的白云岩信息有着良好的对应[18, 25]，指示MIS3劳伦冰盖向西北冰洋的一次大的排泄事件。然而，这个信号在ICE6中没有明显的体现，说明阿尔法脊比马卡洛夫海盆接受到更多来自北美地区的冰筏物质，波弗特环流没有延伸到马卡洛夫海盆。
MIS2期包含末次冰盛期，西北冰洋出现广泛的沉积间断[20~21, 48]，这也在BN10的14C测年中有所体现(表 2)。可能反映了这个时期西北冰洋整个被浮冰盖住，阻碍了海冰、冰山等向深海的物质搬运和沉积。因此，MIS2阶段的物源信息无法准确提取。
5 结论本文研究了位于阿尔法脊的BN10岩芯和位于马卡洛夫海盆的ICE6岩芯中IRD含量和>250μm的IRD中的岩矿组成，重建了北冰洋中心海区MIS13期(约500ka)以来的洋流演变以及周边陆地冰盖演化。得出以下结论：
(1) 西北冰洋中心海区的冰筏碎屑(IRD)主要集中在冰期、冰阶和冰消期。北美地区的冰盖在冰期一直较发育，向加拿大海盆和阿尔法脊地区输送大量筏冰物质；MIS7以来IRD含量增多，指示北极冰盖增大，与北冰洋永久海冰的形成时期一致。
(2) MIS13~7，劳伦冰盖发育较好而欧亚冰盖发育较差。冰期时西北冰洋中心海区主要接受来自北美地区的冰筏碎屑而间冰期时主要接受来自西伯利亚的物源输入。此阶段波弗特环流对马卡洛夫海盆的影响较小，其与穿极流的界线在冰期大概为阿尔法脊-门捷列夫脊一带而在间冰期大概为加拿大海盆区域。
(3) MIS6和MIS4期，北冰洋中心海区主要接受由穿极流搬运的来自西伯利亚地区的冰筏碎屑。穿极流在此阶段影响范围扩大，可达到阿尔法脊甚至部分加拿大海盆地区。
(4) MIS5a、5d时期，北冰洋中心海区主要接受由波弗特环流搬运的来自北美地区的冰筏碎屑，指示波弗特环流在此阶段影响范围扩大，可达到马卡洛夫海盆地区；MIS5b期北冰洋中心海区主要接受由穿极流搬运的来自西伯利亚的冰筏碎屑，显示不同冰阶搬运冰盖发育和洋流模式的差别。而MIS3期波弗特环流并未影响到马卡洛夫海盆地区。
致谢: 这项工作是中国第四和第五次次北极考察的一部分。感谢第四次和第五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。感谢审稿人和编辑部杨美芳老师对本文详尽的审阅意见!
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2 School of Oceanography, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240)
Abstract
Since the Pleistocene, the development of the Arctic ice sheet has significant impacted on the circulation and sedimentary environment of the Arctic Ocean, and further influenced the global climate evolution. Based on quantitative analysis of the Ice Rafted Debris(IRD) contents and its lithogenic composition in cores ARC4-BN10(85°30.21'N, 178°38.60' W; 240 cm, Marine Isotope Stage 9~1) from the Alpha Ridge and ARC5-ICE6(83°37.696'N, 161°45'E; 426 cm, MIS 13~1) from the Makarov Basin, this study reveals the evolution history of the Arctic ice sheet and the surface circulation in the western Arctic Ocean since MIS 13. Under modern conditions, the two cores are located under the influence of the Beaufort Gyre(BG) and the Transpolar Drift(TPD), respectively. Changes in IRD lithogenic composition suggests heterogeneous development of ice sheets on North American and Eurasian continents. During the studied time interval, the Laurentide Ice Sheet on North American developed during the glacial periods of MIS 12, 10 and 8, discharging North America material to the Canada Basin by the BG. In contrast, the Eurasian ice sheet was most developed during MIS 6 and 4, when TPD expanded and delivered Siberian sediments to the Canada Basin. The increase in IRD since MIS 7 signifies the overall cooling with the establishment of perennial sea ice cover in the Arctic Ocean. Two distinct LIS discharge events are recorded in both cores in estimated MIS 5d and 5a, suggesting BG extension to the Makarov Basin. In contrast, a TPD and Eurasian provenance dominate the sediment discharge during MIS 5b. During MIS 3, LIS discharge barely reach Makarov Basin.