15 ka以来罗斯海陆架岩心沉积学记录及古海洋学意义

赵仁杰，陈志华*，刘合林，唐正，黄元辉，李云海，葛淑兰

(1.国家海洋局第一海洋研究所 海洋沉积与环境地质国家海洋局重点实验室, 山东 青岛 266061；2.青岛海洋科学与技术国家实验室 海洋地质过程与环境功能实验室, 山东 青岛 266061；3.国家海洋局第三海洋研究所，福建 厦门 361005)

15 ka以来罗斯海陆架岩心沉积学记录及古海洋学意义

赵仁杰1,2，陈志华1,2*，刘合林1,2，唐正1,2，黄元辉1，2，李云海3，葛淑兰1,2

(1.国家海洋局第一海洋研究所 海洋沉积与环境地质国家海洋局重点实验室, 山东 青岛 266061；2.青岛海洋科学与技术国家实验室 海洋地质过程与环境功能实验室, 山东 青岛 266061；3.国家海洋局第三海洋研究所，福建 厦门 361005)

本文对取自罗斯海陆架的JB04岩心沉积物进行AMS14C测年、粒度、有机碳等测试，结合沉积物粒度组分因子分析，研究该岩心的沉积学记录，探讨其古海洋学意义。结果显示：JB04岩心沉积物的底部年龄为15 ka；沉积物粒度组分因子分析提取出3个环境敏感粒级，分别代表正常冰海沉积、低能海洋沉积和高能海洋沉积；综合沉积物岩相及沉积物组成特征，可以将岩心分为4段，从底部到顶部依次为主要受冰盖刮蚀影响的冰盖下沉积、属低能海洋环境的冰架下沉积、属高能海洋环境的冰架前缘沉积和主要受冰山影响的季节性海冰区沉积。该岩心的沉积地质记录及其古海洋学研究对全面认识罗斯海的海洋环境演变具有重要的意义。

罗斯海；粒度；因子分析；沉积环境

1 引言

由于特殊的地理位置、环境和气候特征，南极(包括南极大陆和南大洋)对全球气候变化的驱动和响应是地球系统科学研究的热点之一，在全球气候变化研究中具有特殊的意义。罗斯海位于世界上最大冰架罗斯冰架的北部，其大陆架面积占整个南极大陆架的18%[1]，沟通连接南太平洋和南极大陆，周边海域的海冰季节变化十分显著，其海洋环境变化对南极以及全球气候均有显著影响[2]，罗斯海成为全球气候变化及海洋环境演化研究的热点。20世纪60年代以来，在罗斯海及周边海域开展了包括海洋沉积、构造及海洋环境等方面的大量工作，在冰碛物、冰川沉积物以及冰期历史重建等方面取得了一系列创新性成果，完善了对罗斯海海洋沉积过程等的认识[3—5]。如Alley等[6]研究表明在罗斯海大陆架上广泛分布冰碛物和近端冰海沉积物，揭示了罗斯海冰盖扩张到大陆架的演化历史。Shipp和Anderson[7], 及Domack等[8]对大量罗斯海地球物理资料和地质资料研究表明，冰盖接地线在末次冰盛期可扩张到陆架边缘附近。Mosola和Anderson[9]研究表明，冰架在13.8 ka BP之前已经到达大陆架边缘，很可能是在21 ka BP以后以一个相对稳定的速率后退，最终在6.6 ka退至罗斯岛附近。Mckay等[10]和Anderson等[11]对取自西罗斯海的活塞岩心样品研究表明，典型向上的连续地层为冰碛物-冰盖接地线前端-冰盖接地线末端，其显著的特点是硅藻丰度的增加。这些研究从不同的角度揭示了全新世以来罗斯海周边海洋环境的演化过程。然而，根据沉积物岩心地层的连续变化来揭示罗斯海全新世以来的古环境和古气候演化研究仍相对缺乏，在罗斯海运用沉积物柱状样开展沉积学研究，将为罗斯海的古海洋环境演化研究提供新证据和有益参考。

沉积物粒度分析是追溯沉积物来源、反映沉积物输运与沉积过程和重建沉积环境与历史的重要手段，已广泛应用于海洋古环境和古气候研究[12—14]。由于沉积物粒度参数只能近似反映沉积环境的变化，且一般具有多解性，难以准确判定复杂的物源和搬运、沉积过程等古海洋环境变化[15]。基于统计学原理的沉积物粒度因子分析可以弥补粒度参数在古海洋环境演化上应用的不足，被成功应用于探讨海底沉积物物源和输运等海洋沉积(动力)问题[16—17]，获得了良好的效果[18—19]，因此，结合沉积物粒度分析与因子分析能更好的反演海洋沉积环境和沉积过程的演化。

本文拟利用罗斯海西部古冰蚀海槽Joides海盆区(Joides Basin)获得的JB04岩心沉积物，利用沉积物有机碳、粒度和AMS14C测年等的综合分析，揭示罗斯海西部15 ka以来的古海洋环境演化。

2 研究区概况

罗斯海位于72°S～85°S，160°E～160°W之间，西靠维多利亚地，东临爱德华七世地，南界为罗斯冰架，北界至大陆架外缘，面积约96×104km2[1, 9]。罗斯冰架主要由东南极冰盖(East Antarctic Ice Sheet, EAIS)和西南极冰盖(West Antarctic Ice Sheet，WAIS)供给，东南极冰架的面积约1.65×106km2，西南极冰架的面积约0.75×106km2[20]。罗斯海大陆架面积约45 000 km2，平均水深530 m，陆架坡折处位于水深700 m左右。陆架上存在过去冰期冰流产生的一系列北-南向的海槽[9](图1)。

图1 罗斯海JB04岩心取样位置及环流图Fig.1 Location of core JB04 and circulation patterns of Ross Sea

罗斯海陆架上存在3个主要的水团，分别为陆架水(Shelf Water，SW)、绕极深层水(Circumpolar Deep Water，CDW)和南极表层水(Antarctic Surface Water，AASW)[1,21—22]。陆架水是冬季表层水结冰析出的盐水，南极表层水是由于海冰融化产生的低盐水团，而绕极深层水又转变成向南的变性绕极深层水(Modifified Circumpolar Deep Water，WCDW)[22]。罗斯海陆架区最重要的物理海洋过程是绕极深层水在陆架上分散成变性绕极深层水，来自变性绕极深层是的两条“水舌”注入陆架区(图1)。东部水舌在高盐陆架水团表面(约250 m深处)、低盐陆架水团以下流入陆架；西部水舌则遭遇更高密度的高盐陆架水团，通常以表层流方式进入陆架；受气旋式环流影响，水舌向南偏移。西部暖心水舌主体位于彭内尔浅滩(Pennell Bank)以东，厚达300 m，向南可扩展到麦克默多湾[21]。陆架水盐度控制着暖心水舌的垂向分布范围及表层水体营养物质供给[23]。

3 样品和方法

本研究所用样品为2014—2015年中国第31次南极科学考察获取的1根沉积物柱状样(JB04)，其采样点位于罗斯海西部Joides海盆区(图1)，水深510 m，岩心长度314 cm。岩心按照2 cm间隔取样，分别进行粒度分析和有机碳测试，同时挑取岩心中适合的测年样品进行AMS14C测年。各测试分析方法如下：

使用Malvern 2000型激光粒度分析仪进行粒度测试，取样间距为2 cm。样品的前处理包括去除有机质、钙质生物和生物硅。仪器检测范围为0.02～2 000.00 μm，测量准确性达99%(国际标准粒子检验)，重复性误差小于1%。其中大于2 mm颗粒数是将冷冻干燥后的样品过孔径为2 mm的标准分样筛，筛选出大于2 mm样品并统计其数量。沉积物含水率测量是先对各层位湿样进行称重，将称重后样品进行冷冻干燥并对干燥后样品及样品袋称重，计算出沉积物中水的质量，用水的质量除以净湿重来计算质量含水率。上述分析测试在国家海洋局第一海洋研究所海洋沉积与环境地质国家海洋局重点实验室完成。

使用DELTA V Advantage质谱仪对沉积物进行全样有机碳测试，取样间距为4 cm。样品先通过加酸加热去除无机碳，然后将处理后的样品过滤加蒸馏水洗涤至中性进行测试，测试误差为0.2‰，仪器误差为0.06‰。有机碳测试在国家海洋局第二海洋研究所完成。

AMS14C测年以有机碳中酸不溶组分(Acid Insoluble Organic fraction，AIO)和贝壳为材料，测试分析在美国Beta实验室完成。

4 结果

4.1 年代框架

罗斯海沉积物中钙质含量很少，在JB04岩心中没有找到有孔虫壳体，贝壳也只是在特定层位出现，所以JB04岩心年代框架是在有机碳中酸不溶组分和贝壳的AMS14C测年结果上建立的。岩心有机碳和贝壳的碳储库校正是在Beta实验室完成，其中有机碳中的14C受到碳储库年龄和老碳年龄的共同影响，贝壳中的14C只受碳储库年龄的影响，而沉积物老碳年龄是通过比对同一层位(197 cm)两种材料测年结果的基础上获得的。两种材料的年龄差作为岩心的老碳年龄，老碳年龄为3 630 a。测年结果见表1。

表1 JB04岩心AMS14C测年结果及校正后的日历年龄

从时间序列来看，33 cm和127 cm处有机碳测年得到的日历年龄是(5 315±30) cal a BP和(8 915±113) cal a BP，发生年龄的倒转，可能是受老碳污染等的影响，所以不作为地层年代控制点。因此，JB04岩心年龄控制点共有8个，通过线性内插及外推，得到岩心底部年龄为15 000 cal a BP(图2)。线性沉积速率结果显示，各阶段的沉积速率不一，其中沉积速率最高的时期出现于9 138 cal a BP～8 700 cal a BP，可达80 cm/ka。

图2 JB04岩心深度—年龄模式及沉积速率Fig.2 The depth-age model and sedimentation rate of core JB04

4.2 沉积地层特征

由沉积物粒度特征，确定JB04岩心岩性主要为砂质粉砂，如图3所示，根据JB04沉积物岩心颜色、粒级组成(黏土、粉砂、砂)、粒度参数(平均粒径MZ、分选系数δ)、含水率及TOC等变化特点，可将该岩心沉积物分为4层，具体分层描述见表2。

表2 JB04岩心层位描述表

图3 JB04岩心岩性地层和主要沉积学指标的变化Fig.3 Lithostratigraphy and temporal variations in major sedimentary indexes of core JB04

4.3 环境敏感因子的提取

粒度数据是利用激光粒度仪获得的粒径为0.02～2 000.00 μm的沉积物百分含量，采用因子分析法提取敏感粒级组分，以不同粒级组分的百分含量为变量，利用SPSS19软件对JB04岩心进行因子分析，结果表明3个主因子的累积方差达到93.02%，因子提取结果见表3。

表3 JB04岩心因子提取结果

由JB04岩心沉积物粒度主成分因子荷载分析可以得出，因子一在初始因子中所占的方差贡献为46.858%，经过最大方差法旋转后所占的方差贡献为46.784%。因子二在初始因子中所占的方差贡献为36.926%，经过最大方差法旋转后所占的方差贡献29.178%。因子三在初始因子中所占的方差贡献为9.238%，经过最大方差法旋转后所占的方差贡献17.060%。筛选出3个主因子得分大于0.876的值(表4)，并提取3个因子相对应的敏感粒级组分。其中，因子一对应敏感粒级为小于3.9 μm的黏土组分，因子二对应敏感粒级为63～125 μm的组分，因子三对应敏感粒级为250～500 μm的组分。3组分沉积物所代表的沉积(动力)环境在讨论部分进行详细描述。

表4 JB04岩心沉积物粒度主成分因子荷载分析

5 讨论

5.1 沉积物敏感粒级组分的环境制约

根据沉积物粒度参数因子分析获得的3个环境敏感粒级分别是小于3.9 μm的黏土组分，介于63～125 μm的组分和250～500 μm的组分。在极地海洋沉积物中，粗颗粒的冰筏碎屑较为常见，主要来源于大量从陆地冰川分离出来的冰山和大冰块携带、搬运并卸载入海沉积的陆源碎屑。已有研究表明大于63 μm的砂粒级组分是冰筏碎屑的指示粒级[24—26]，虽然63～125 μm和250～500 μm都是冰筏碎屑的组分，但是它们指示的环境因素是不同的。已有研究表明，海冰主要携带的是小于250 μm以下的细砂级，而大于250 μm主要是有大冰块及冰山搬运进入海洋[27—28]。同时，Anderson等在对南极陆架沉积物分类时指出，冰架下沉积指示了低能的海洋环境，而冰架前缘沉积指示了高能的海洋环境[29]，海洋环境不同携带砂粒级的能力也有所不同。沉积物中小于3.9 μm的组分为黏土组分，其变化通常与河流、风尘物质输入及冰海沉积作用过程有关[28—31]，而在南极地区，河流和风尘物质的影响很小，所以黏土组分代表正常的冰海沉积。

5.2 15 ka以来沉积相变化

根据柱状沉积物特征，将其划分为4层(图3)，利用各层沉积物粒度参数及其组合来探讨不同层位的沉积相，由于岩心砾石百分含量不足以参加分类，故选用无砾福克法[32]，并作出各层粒度频率曲线，结果如图4。根据福克三角分类图可以看出，岩心岩性为黏土质粉砂，但是其各层位集中趋势有明显的差别。本研究结合敏感粒级曲线分布对各层位进一步分析研究，着重讨论不同层的古海洋学意义。

5.2.1 15.0 ka BP～11.7 ka BP

从沉积物剖面的变化(图3)可知，层1为橄榄灰色混杂沉积，无分层无结构，分选较差；如图4所示，黏土沉积较其他层位较高，且其频率分布曲线为明显的单峰，指示影响沉积过程的因素较为单一。Domack等[8]，Anderson和Balshaw[29]研究表明，混杂沉积岩可能来源于冰盖下沉积、冰海沉积和开放性海域沉积。而层1含水率和TOC含量在整段岩心中处于最低值，并且变化趋势不明显，根据Licht和Dunbar研究冰盖下沉积和冰海沉积的区别时指出，冰盖下沉积相对冰海沉积由于冰盖隔绝有机质的输入，TOC含量较低[33]；Domack等对几个取自罗斯海的岩心进行对比发现，在冰盖下沉积物含水率在25%～35%之间波动[8]，推测是由于上覆冰盖的压实作用，沉积物密实。因此，层1应是冰盖下沉积，代表着单一来源的冰盖下环境[34]。

由岩心敏感粒级年代学变化(图5)得出，63～125 μm和250～500 μm组分变化趋势基本相同，黏土组分变化较为明显。黏土组分在13.0 ka BP～11.7 ka BP期间逐渐增大，表明在13.0 ka BP时沉积环境发生变化。Halld等对默克麦多湾沿岸的环境和注出冰川冰厚度研究表明：18.0 ka BP～13.0 ka BP，冰厚度处于较厚的时期，在13.0 ka BP之后冰盖开始发生消融，冰厚度开始变薄[35—36]。而根据Dome C冰心氘同位素温差研究表明，在15.0 ka BP～12.5 ka BP期间，温度低，在12.5 ka BP之后温度上升[37]。推测岩心粒级组分在13.0 ka BP的变化是由于冰盖消融，冰厚度减小，减小了底部的刮蚀而造成[19, 34]。

图4 JB04岩心福克三角分类图和粒度频率曲线Fig.4 Textual classification of sediments by Folk and grain size frequency curves of core JB04

图5 JB04岩心敏感粒级年代学变化Fig.5 The chronolgy change of sensitive grain size of core JB04

因此，结合沉积物特征分析和相同地质年龄的前人成果，认为该时期气候寒冷，岩心为冰盖覆盖，层1是冰川下沉积，冰盖搬运沉积为单一的沉积物来源。

5.2.2 11.7 ka BP～9.5 ka BP

由沉积物剖面变化(图3)可知，层2为深灰绿色混杂沉积岩，具有分层结构，砾石含量较少，含水率较层1明显增大，推测该阶段由冰盖下沉积转变成冰架下沉积。TOC含量较层1开始出现轻微波动，且沉积物粒度有变粗趋势，表明此时沉积物来源发生变化；从福克三角图和频率曲线可以看出，层2频率曲线变化大，指示了影响沉积过程的因素较为复杂。

Domack等通过研究冰盖-冰架-开放性海域沉积过程得出，冰架下沉积物分选好于冰架前缘沉积物，且沉积物具有分层[8]。如图3层2中含水率的增大，此时岩心受到的压实作用较小，由于上覆的冰架较厚阻隔阳光，限制了生物生长所需主要物质来源，生产力低。因此，认为层2为冰架下沉积。

Anderson和Balshaw[29]，及Mckay等[34]研究表明，冰盖接地线前端沉积物主要沉积由低能水环境从底部碎屑层带来的沉积物，在层2中，63～125 μm组分的百分含量增大趋势明显，而250～500 μm组分的百分含量基本不变(图5)，也说明了层2为冰架下沉积环境。

5.2.3 9.5 ka BP～7.0 ka BP

由沉积物剖面变化(图3)可知，层3为深灰绿色无分层的混杂沉积岩，砾石含量较多，分选明显变差，含水率比层2略有下降，推测是分选性较差沉积物孔隙度减小造成的，但整段趋势与TOC相同，呈增大趋势。从福克三角图和频率曲线可以看出，层3的砂含量较其他层位较高，该阶段沉积物中250～500 μm组分百分含量增大趋势明显。该层以上特征都说明了该阶段水动力和生产力都呈增大趋势发展。

综上，该时期水动力环境呈增强趋势发展，推测是该时期气候渐暖，冰架退缩，冰架解体形成冰山，冰山融化造成大量冰筏碎屑沉积，沉积速率明显增大；同时，生产力略呈上升趋势发展。

5.2.4 7.0 ka BP～2.6 ka BP

根据柱状样剖面层位变化(图3)可知，层4主要为黄绿色的硅质泥或软泥，无分层结构，岩性无明显变化，大于2 mm颗粒数和直径为1 cm的砾石在整段不规律出现，推测是冰山携带成因、较大水动力的冰川融水搬运带来或较大的海水动力作用形成；从福克三角图中可以看出，粉砂含量较高，而其频率曲线显示双峰曲线，指示影响沉积物过程为混合沉积，推测有多种沉积物搬运作用造成的。

前人研究结果表明，罗斯海季节性海冰区典型沉积相为泥或者砂质泥，呈橄榄灰色，岩性均一[33,38]。从图5可以看出，冰筏碎屑含量呈减小的趋势，表明罗斯冰架南撤，冰架进一步解体，且到达岩心位置的冰山也将越来越少[9,39—40]。而250～500 μm组分百分含量变化剧烈，由上文可知，250～500 μm的粗砂部分指示了高能的海洋环境，指示了此时岩心处沉积受季节性和冰山作用影响。

综上分析，在7.0 ka BP～2.6 ka BP期间，岩心受季节性海冰作用。季节性的冰川融水造成了水动力变化解释了双峰的粒度频率曲线；大颗粒的砾石则是冰山或强的季节性冰川融水带来的。

6 结论

(1)利用沉积物粒度因子分析法提取了沉积物中3个环境敏感粒级组分，分别为小于3.9 μm、63～125 μm和250～500 μm分别指示了正常的冰海沉积、低能的海洋环境和高能的海洋环境。

(2)根据岩心沉积物岩相特征，可将岩心划分为4层。15.0 ka BP～11.7 ka BP层，为冰盖下沉积，沉积主要受冰盖刮蚀影响；11.7 ka BP～9.5 ka BP层，为冰架下沉积，属于低能的海洋环境；9.5 ka BP～7.0 ka BP层，为冰架前缘沉积，属于高能的海洋环境；7.0 ka BP～2.6 ka BP层，为季节性海冰区沉积，沉积主要受冰山影响。

致谢：感谢中国极地研究中心极地沉积物样品库提供样品，同时感谢中国第31次南极科学考察队，特别是后甲板工作组人员在艰难的条件下付出辛苦的劳动，以及同济大学王汝建教授对文章提出的宝贵意见。

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Sedimentary record and paleoceanographic implications of the core on the continental shelf off the Ross Sea since 15 ka

Zhao Renjie1,2, Chen Zhihua1,2, Liu Helin1,2, Tang Zheng1,2,Huang Yuanhui1,2, Li Yunhai3，Ge Shulan1,2

(1.KeyLaboratoryofMarineSedimentologyandEnvironmentalGeology,FirstInstituteofOceanography,StateOceanicAdministration,Qingdao266061,China; 2.LaboratoryforMarineGeology,QingdaoNationalLaboratoryforMarineScienceandTechology,Qingdao266061,China;3.ThirdInstituteofOceanography,StateOceanicAdministration,Xiamen361005,China)

In this study, based on the multi-parameters measurements, including AMS14C dating, organic carbon, grain size and factor analysis of grain size data, of gravity core JB04, collected in the continental shelf of the Ross Sea during the 31stChina Antarctic scientific expedition, the sedimentary strata and processes were studied and the paleocenography significance was discussed. The results shown that the age of the core sediment is 15 ka, and the core sediment can be divided into 3 types, namely as the normal ice-sea deposition, low marine hydrodynamic deposition and high marine hydrodynamic deposition, respectively. According to the distributions of sediment deposition strata, the core can be divided into 4 layers. From the bottom to the top, the first deposited layer was formed in the marine environment while the ocean was covered by ice sheet, and so the sedimentation process was mainly dominated by glacial scraping corrosion. The second deposition layer was formed under the ice shelf in low marine hydrodynamic environment and the third deposition layer was formed in front of the ice shelf in high marine hydrodynamic environment. The top deposition layer was formed in seasonal sea ice environment and was affected by iceberg. The study of marine sedimentary processes of the Ross Sea is very siginificant to complately understanding the evolution of marine environment in the Antarctica.

Rose Sea; grain size; factor analysis; sedimentary environment

10.3969/j.issn.0253-4193.2017.05.008

2016-10-11；

2016-11-14。

南北极环境综合考察与评估专项(CHINARE20150102，CHINARE20150401，CHINARE20160102，CHINARE20160401)；国家自然科学基金项目(4167191，40176136，41106166，41406220)。

赵仁杰(1990—)，男，新疆沙湾县人，主要从事南极海洋沉积学研究。E-mail:zhaorenjiemail@163.com

*通信作者：陈志华(1970—)，男，湖南省宁乡县人，研究员，主要从事极地海洋地质学与沉积物地球化学研究。E-mail:chenzia@fio.org.cn

P736.21

A

0253-4193(2017)05-0078-11

赵仁杰，陈志华，刘合林, 等. 15 ka以来罗斯海陆架岩心沉积学记录及古海洋学意义[J]. 海洋学报, 2017, 39(5): 78-88,

Zhao Renjie, Chen Zhihua, Liu Helin, et al. Sedimentary record and paleoceanographic implications of the core on the continental shelf off the Ross Sea since 15 ka[J]. Haiyang Xuebao, 2017, 39(5): 78-88, doi：10.3969/j.issn.0253-4193.2017.05.008