瓊東海域沉積物元素組成變化揭示的全新世華南地區風化強度演變

楊嘉雯，彭詩云，許嘉莉，馮偉家，孔德明

（廣東海洋大學海洋與氣象學院/廣東省近海海洋變化與災害預警重點實驗室，廣東 湛江 524088）

南海復雜的沉積物來源和獨特的地理位置為古海洋學研究提供重要載體。陸源風化產物是南海沉積物的主要成分，東北部沉積物主要來源于珠江流域、臺灣島和呂宋島，而瓊東南海域沉積物除此之外，還有雷瓊地區的風化產物[1-2]。降雨量增加使陸地化學風化作用增強，并提高河流對沉積物的運輸能力，這些變化會反映在海底陸源沉積物的元素含量上[2]。近年來，前人利用元素組合特征示蹤沉積物來源，認為Al、K、Fe、Ti、Si、Mn 具有陸源特征，而Ca、Mg、Na、Sr 則具有海源特征[1]；Al/Ti、K/Ti和Na/Ti 元素相對含量比值可用來指示化學風化強度和降水強度，從而指示夏季風強度[3]；Zr/Rb 元素相對含量比值可作為冬季沿岸流和東亞冬季風強度的代用指標[4]；Ba/Ti 元素相對含量比值的變化可用來揭示古海洋生產力、上升流的變化，進而揭示東亞季風的演變[5]。元素變化不僅取決于物源，還受到沉積過程和成巖環境的影響。前人對于華南古氣候研究多基于南海的東北部和南部深海海底沉積物開展研究[5-6]，對于西北地區特別是瓊東陸架沉積物中元素的研究報道較少。瓊東陸架位置獨特，是瓊東上升流發育和廣東沿岸流的必經之處，其海流存在季節性變化，夏季盛行西南風形成東北向流，冬季盛行東北風轉變為西南向流，并對北部陸架沉積物產生搬運作用。因此，該區域沉積物元素能夠為華南地區風化作用歷史提供信息。X射線熒光（XRF）掃描是沉積物元素地球化學的研究手段之一，可測出沉積物樣品的主要元素和次要元素的相對含量，具有快速、無損的優點，能夠重建構造千百年時間尺度的沉積變化[7-8]。本研究使用XRF 掃描對瓊東陸架GH7 沉積柱進行元素變化分析，結合浮游有孔蟲碳14年齡框架，探討全新世以來華南地區陸地化學風化強度的變化及其控制因素。

1 樣品采集和實驗方法

GH7沉積柱由廣州海洋地質調查局于2018年3月在瓊東陸架海區（18°56.550?N，111°7.864?E，水深120 m）采集（圖1），沉積物巖芯長度212 cm，頂部為黃色，中間為青灰色，底部為灰色黏土質粉砂，巖性變化均勻，表明未受擾動（圖2）。挑選5個層位的浮游有孔蟲送至美國Beta Analytic 實驗室進行加速器同位素質譜（AMS）14C 年代測定。原始測年數據分別用Calib 8.1.0軟件和Marine 20數據庫進行校正[9]，區域碳庫矯正年齡ΔR為（-125±50）a，取自西沙3個巖芯的平均值[10]，隨后用Rstudio 軟件Bacon 程序對年代和深度進行多項式擬合來建立GH7的年齡框架[11]。將沉積柱切成兩半進行平整處理，在廣州海洋地質調查局用瑞典Cox Analytical System 公司與英國Southampton Oceanographic Centre 合作開發的Itrax XRF巖芯掃描儀以5 mm間隔進行掃描，元素相對含量以每秒X射線熒光的記數為單位（s-1）。

圖1 研究區域和沉積柱GH7位置Fig.1 Study area and site of sediment core GH7

圖2 GH7沉積柱照片Fig.2 Photographs of sediment core GH7

2 結果與分析

2.1 年齡框架和沉積速率

根據Bacon 年齡-深度模型[11]結果，結合沉積速率線性外插法獲得GH7 沉積柱底部AMS14C 校正年齡約為13.2 ka BP，表層有孔蟲F03 的14C 含量為（101.63 ± 0.38）pMC (Percent modern carbon，現代碳比例)，表明表層沉積物為現代的。因此，GH7沉積記錄涵蓋整個全新世（表1，圖3）。從老到新沉積速率整體呈上升趨勢，其中，13.2—6.7 ka BP 沉積速率大約為9.0 cm/ka；6.7—3.1 ka BP 期間稍上升，至15.0 cm/ka；31.0 ka BP 至今顯著增至29.0 cm/ka。近3.0 ka 來的沉積速率與鄰近站點相似，例如，S20站位在2.3 ka BP 以來沉積速率29.0 cm/ka[4]，X2 站點4.0 ka BP以來的沉積速率約為28.6 cm/ka[1]，說明瓊東海域全新世以來沉積物通量不斷增加。

表1 GH7沉積柱有孔蟲AMS 14C年齡結果Table 1 AMS 14C ages of foraminifera in GH7

圖3 GH7沉積柱基于Bacon建模方法構建的年齡-深度模型Fig.3 Age-depth of sediment core GH7 based on Bacon modeling

2.2 元素變化特征及其多元分析

2.2.1 元素變化特征 選取數據齊全且信號峰較強的K、Ti、Fe、Mn、Si、Rb、Ca、Sr、Br 和Zr 共10 個元素進行分析。XRF 巖芯掃描的強度可近似反映對應元素含量的變化[12]。13.2 ka BP 以來K、Ti、Fe、Mn、Si、Ca 和Sr 元素具有相似的變化趨勢，13.2—10.5 ka BP 期間，除Ca 和Sr 元素外其余元素變化呈下降趨勢，在11.5—11.0 ka BP 期間均出現突變，對應著新仙女木事件（Younger Dryas event，YD）；10.5—6.0 ka BP期間出現大幅度振蕩，8.2 ka事件和9.2 ka事件清晰可見；6.0—3.0 ka BP期間除Ca和Sr元素變化平穩外，其余元素呈逐漸上升趨勢；3.0 ka BP以來，除Si、Ca和Sr元素外，其余元素處于高值且上升趨勢。Zr、Br 和Rb 元素變化趨勢相似，13.2 ka BP以來Zr 和Br 元素變化總體呈反相關，Rb 和Br 元素在13.2—3.0 ka BP 期間呈緩慢上升，3.0 ka BP 至今，Zr 和Br 元素分別呈下降、上升變化趨勢；而Rb元素處于全新世高值階段，整體波動不大（圖4）。

圖4 GH7沉積柱元素序列變化Fig.4 Element sequence change s of sediment core GH7

2.2.2 元素多元分析 將GH7沉積柱K、Ti、Fe、Mn、Si、Rb、Ca、Sr、Br 和Zr 共10 個元素進行相關性分析、聚類分析和主成分分析，以便更好揭示瓊東海域沉積物元素地球化學特征。GH7 沉積物中有兩組元素的相關性顯著。其中，第一組元素相關性高達0.8及以上，為K 和Ti，Sr和Ca，Mn和Ti，Fe和Ti，Fe 和Mn；第二組元素是K 和Si，K 和Mn，K 和Fe，K和Rb，元素之間相關系數約0.6～0.8（圖5）。R型聚類分析得到兩種元素組合，組合1 為Fe、Ti、K、Mn、Rb、Si、Cr和Br；組合2為Ca、Sr和Zr（圖6）。主成分分析提取3 個主成分（Principal component，PC），PC1由K、Ti、Fe、Mn、Si和Rb元素組成，PC2由Sr和Ca 元素組成，PC3 由Br 和Zr 元素組成，分別占總方差的41.15%、20.05%和15.44%，累積方差貢獻率為76.63%（表2）。

表2 GH7沉積柱元素成分矩陣Table 2 Elements composition matrix of sediment core GH7

圖5 GH7沉積柱元素相關性分析Fig.5 Correlation analysis of sediment core GH7 elements

圖6 GH7元素R型聚類譜系Fig.6 R-type clustering pedigree diagram of GH7 elements

3 討論

3.1 元素主成分的指示意義

GH7 沉積柱元素提取3 個主成分。PC1 由K、Ti、Fe、Mn、Si 和Rb 組成。在邊緣海沉積物中，K 和Rb 易從初級礦物浸出并被次生黏土所固定[13]；Ti從原礦物淋濾出來后，易被途中沉積物吸附沉降，是陸源碎屑組分的有效指標[2]；Fe和Mn賦存于黏土礦物和細粒陸源碎屑礦物[14]；Si來源于陸源的石英、硅酸鹽礦物以及風化殘余黏土礦物[15]。綜上，Ti、K、Fe、Si、Mn、Rb 可被歸為親碎屑元素，而這些元素之間相關性和聚合度均較高，因此，PC1可用來指示陸源組分輸入的變化，它們通過河流以碎屑、膠體、懸浮物質等形式搬運入海。

PC2由地球化學性質相似的Sr和Ca元素組成，相關系數高達0.81。風化中，它們多以重碳酸鹽形式被黏土吸附[15]，但在GH7 沉積柱中它們與Ti呈負相關，表明非陸源碎屑輸入。Sr 常進入生物成因的碳酸鹽中，反映沉積物中海洋生物活動的強弱，Sr和Ca 也被認為是親生物元素[16]。GH7 位于近岸陸架區，瓊東淺海分布有較大面積的珊瑚礁，生物作用強烈[17]，且Sr和Ca的聚合度較高，因此，PC2可以代表沉積物中的生源作用。

PC3 由Br 和Zr 元素組成。Br 與有機質含量和來源有較強的相關性，其含量隨有機質的增加而增加[18]，因此，Br 的變化可以用來指示有機質含量變化。通常細顆粒沉積物有利于對有機質吸附和保護，即粒徑越小，有機質含量越高[19]，因此，Br 的相對含量在一定程度上可反映沉積物的細粒度占比變化。Zr 在化學風化過程中富集于粗顆粒組分[20]，其相對含量可以反映沉積物的粗粒度。且GH7 中Br 和Zr 的變化趨勢相反，因此，本研究推測Zr 和Br 元素組合可能指示沉積物的粒度變化。

3.2 13.2 ka BP以來風化強度變化及其驅動因素

陸殼化學風化強度隨降雨增加而增強，雨水的淋溶和沖刷將更多的陸源物質輸入到海洋。GH7沉積柱PC1 作為陸源輸入的指標，也可反映源區的風化強度，其值越高，指示風化強度越強。根據其變化趨勢結合沉積物巖性變化發現13.2 ka BP 以來研究區陸源輸入量及源區風化強度的演化歷史可劃分為三個階段（圖7），整體呈現“強-弱-強”階段，風化強度突然減弱與幾個冷事件重合。

圖7 GH7沉積柱風化強度指標PC1與其他氣候指標的對比Fig.7 Comparison of the weathering strength index PC1 of the sediment core GH7 and other climatic indicators

階段一（13.2—7.5 ka BP）：沉積物為灰色黏土質粉砂（156～212 cm），PC1 值較高且呈現下降趨勢，YD、9.2 ka 和8.2 ka 降溫事件顯著可見，而在相應的層位（186～192 cm、169～171 cm、156～162 cm）粒徑明顯變粗。YD 對應著大西洋經向翻轉流的減速[21]。與9.2 ka 事件相比，8.2 ka 事件幅度大得多，其成因為北美冰融湖坍塌導致大量淡水注入北大西洋[22]，使北大西洋溫鹽環流受阻，進而導致北大西洋地區快速降溫。隨著氣候變暖，化學風化強度隨之加強，同時，海平面的上升也抑制了陸源輸入的規模，因此，在這期間陸源輸入呈下降趨勢。

階段二（7.5—3.0 ka BP）：在全新世中期沉積物為青灰色黏土質粉砂（65～156 cm），PC1 值相對較低，表明陸源物質較少，珠江口長鏈奇碳數(C25～33)烷烴含量的降低也證實這一點[23]。5.5 ka BP出現一次明顯的降溫事件，北大西洋深海沉積記錄和西北歐地區出現的“榆樹衰敗”事件均證實此期間氣候變冷干[24]。3.8—3.5 ka BP 期間出現較小的氣候波動，與4.0—2.0 ka BP 的變冷事件“普林斜氏蟲低值事件”一致[25]。

階段三（3.0 ka BP 以來）：沉積物為黃色至青灰色粉砂過渡（0～65 cm），PC1 值處于全新世以來的高值階段，且整體呈上升趨勢。其中，1.7 ka BP 起出現突變，沉積物顆粒變粗，對應著中世紀暖期后的小冰期。在時陸源輸入的增多指示研究區降雨量和風化強度增加。有研究認為，3.0 ka BP 以來風化強度的增加受人類活動影響，例如，珠江沉積物元素變化表明農業活動是風化強度上升的主因[26]；瓊東南海域X2 站點粒度及金屬富集因子（EFs Cd，Pb）表明陸源碎屑物質增加受人類活動的影響[1,27]。東亞夏季風指標PC338 沉積柱EM2 顯示全新世期間夏季風逐漸減弱[28]。3.0 ka BP 前后較弱的季風似乎不太可能增加源區風化強度。有學者提出，對于南海熱帶地區，厄爾尼諾（ENSO）增強帶來的強降水[29]是陸源風化物質輸送到海洋的重要因素。氣候模擬結果表明，晚全新世以來ENSO 事件頻率增加[30]，可能導致了陸源碎屑物的增加。

通過PAST軟件對PC1進行Redfit頻譜分析，發現存在3 個明顯的周期：2.0 ka、3.0 ka（2.7 與2.9 ka）和3.8 ka（圖8）。前人研究顯示末次冰期亞洲季風有近8.0 ka、4.0 ka 和2.0 ka 的周期[32-33]，如GH09B沉積柱化石孢粉組合記錄發現東亞夏季風在千年尺度上有4.0 ka和2.0 ka的周期，且降水量與太陽總輻照度有較好的對應關系。安第斯山脈湖泊沉積物[34]的記錄發現全新世ENSO 變化有約2.0 ka 的周期，表明全新世東亞夏季風在2.0 ka 周期上可能受到ENSO 調控[30,32]。GH7 沉積柱PC1 也存在2.0 ka周期和接近4.0 ka 的3.8 ka周期，且與ENSO振幅曲線相似，表明GH7 風化指標的2.0 ka 周期變化受ENSO和夏季風影響。

圖8 GH7沉積柱PC1記錄的redfit spectral分析結果Fig.8 Redfit spectral analysis results of PC1 records from sediment core GH7

3.3 全新世最大降雨帶的時空差異

陸化學風化強度通常隨降雨增加而增加，因此，GH7的風化指標PC1可以間接反映華南沿海地區的降雨量。PC1顯示華南沿海的風化在早全新世開始增加，在3.0—2.0 ka BP達到全新世的峰值。全新世以來中國不同區域出現最大降雨量的時間存在差異[35]。PC1與東北泥炭纖維素δ13C[36]（圖9（d））、和尚洞石筍δ18O[37]（圖9（c））和湖光巖沉積物Fe/Mn 元素相對含量比值[38]（圖9（b））對比，發現降雨最大期出現在中國北方約9.0 ka BP，長江中下游地區約6.0 ka BP，湖光巖水位在3.0 ka BP前后最高。

圖9 GH7沉積柱PC1與其他指標對比Fig.9 Comparison of PC1 of sediment core GH7 and other indicators

在北半球夏季太陽輻射變化的影響下，ITCZ在全新世不斷向南遷移并在3.0 ka BP 前后為階段性的最南[39]，而ITCZ 南移會增加ENSO[39]。因此，在ITCZ 南移和ENSO 增加的雙重作用下，瓊東沉積物指示的華南沿海風化作用在晚全新世達到最強，即華南地區在3.0 ka BP開始進入最大降雨期。

4 結論

利用XRF 巖芯掃描儀對南海北部瓊東海域GH7 柱狀沉積物進行了掃描，并對元素含量變化進行研究，結合AMS14C 年代框架，探討了全新世以來該海域的沉積物來源和源區氣候變化。分析和提取元素的3 個主成分，其中PC1 作為陸源輸入主成分，可以間接反映華南沿海地區的風化強度及降雨量，PC2 可以代表沉積物中的生源作用。13.2 ka BP 以來風化強度呈現三個階段變化：“強（13.2—7.5 ka BP）—弱（7.5—3.0 ka BP）—強（3.0—0 ka BP）”的變化，且在異常氣候事件點新仙女木、9.2 ka、8.2 ka 和普林斜氏蟲低值事件均有很好的響應。PC1頻譜分析揭示風化強度存在三個明顯的周期：2.0 ka、3.0 ka 和4.0 ka。華南沿海最大降雨可能出現在晚全新世，風化強度變化受厄爾尼諾和熱帶輻合帶遷移的共同影響。