台湾东黑潮主流径海域近千年来沉积物物源与气候变化讯息反演

发布时间：2020-08-11 08:09

【摘要】：深入研究过去近千年来气候变化特征对准确预测未来的气候变化意义重大,西太平洋边缘海尤其是黑潮源区的环境演变对东亚气候有重要影响,因此该区域也是全球气候变化和全球碳循环研究的重点区域。本文以台湾东黑潮主流径上的柱状沉积物为研究对象,基于AMS~(14)C定年结果,通过解析沉积物粒度、粘土矿物组合及其晶体学特征,揭示了台湾以东黑潮主流区的沉积特征、控制因素和物质来源问题;通过对沉积物中稀土元素组成特征和形态的系统分析,明确了台湾以东黑潮主流区沉积物中稀土元素的地球化学特征及其受控因素;通过解析沉积物中生源要素及同位素获取了海源碳变化特征,首次报道了该海区近千年来海洋初级生产力的变化。同时,基于各项指标所揭示的环境信息与其他代用资料进行对比,探讨了近千年来台湾以东黑潮主流区沉积特征对气候变化的响应。获得的主要认识和结果如下:1、台湾以东黑潮主流区近千年来的平均沉积速率为34.44 cm/ka,低于冲绳海槽南部(约60 cm/ka)而高于开阔大洋(0.6~0.9 cm/ka),具有从陆架向深海过渡的特征。沉积物组成中以粉砂为主(83.53%~88.12%),其次为粘土质成分(11.79%~16.47%),几乎不含砂质成分。对粘土矿物的定量物源分析结果表明,台湾以东黑潮主流区沉积物为多物源混合的结果,亚洲大陆风尘输送是研究区粘土矿物的最重要物源,提供了研究区26%~72%的粘土矿物,台湾东部河流的输入占据次要地位,向研究区提供了11%~55%的粘土矿物,而吕宋岛弧物质的贡献最少,仅11%~26%。2、台湾以东黑潮主流区沉积物的稀土元素基本受陆源物质控制,在沉积物迁移、搬运过程中受化学和生物作用影响较小,继承了源区的陆源属性。近千年来本研究区沉积物稀土元素特征受粒度效应影响较小,而与沉积物物质来源和沉积作用密切相关。同时,稀土元素的轻重稀土分布特征为本研究区沉积物三端元混合的理论提供了地球化学依据。对台湾东黑潮主流区沉积物中稀土元素赋存状态的研究揭示了稀土元素在地球化学循环中的反应过程,也有效揭示了影响稀土元素分布特征的重要因素。研究区沉积物中的稀土元素主要以残渣态形式(84.38%)存在,其次为可还原态(10.80%),在可氧化态(2.51%)和酸提取态(2.31%)中含量很少。另外,La、Ce、Pr、Nd四种轻稀土元素具有明显的陆源属性,而其它稀土元素更易受到氧化还原环境的影响。在研究区沉积物稀土元素的四种赋存状态中,酸提取态、可还原态和可氧化态对重稀土元素相对富集,且表现出一定的铈负异常,而残渣态则对轻稀土元素相对富集,具有明显的铈正异常。这可能是因为酸提取态、可还原态和可氧化态受深海碳酸盐饱和深度、氧化还原环境和生物生产力的影响对重稀土具有优先吸附和络合作用。另外,残渣态优先吸附轻稀土元素而表现出铈正异常的特征,决定了研究区沉积物中稀土元素总量呈现铈正异常的特点。3、台湾以东黑潮主流区沉积物中的有机质主要为海源输入,陆源输入占据次要地位。通过解析生源要素及其同位素所获得的海源碳含量可以用于指示近千年来台湾东黑潮主流区的初级生产力变化。在1152 AD~1400 AD左右研究区的海洋初级生产力有稳定增加的变化趋势,在1600 AD~1750 AD期间有所降低,进入19世纪以后海洋初级生产力先减小后增大。海洋初级生产力的变化与表层海水温度、亚洲大陆风尘输送的营养物质多少有关。另外,成岩作用和台湾东海底沉积物的再悬浮对研究区沉积物中有机质含量有较大影响。4、对台湾以东黑潮主流区沉积特征和古生产力的研究结果与台湾及周边地区已有的研究成果有较好的对应关系,基于这一点我们识别出了近千年来研究区较为明显的三个气候变化阶段,即中世纪暖期、小冰期和现代暖期。1152 AD~1400 AD左右可能对应中世纪暖期,较高的海洋初级生产力与暖水种/冷水种有孔虫比值对应了该时期较高的表层海水温度,较高的(伊利石+绿泥石)/蒙脱石比值也指示了该时期较强的东亚冬季风。1400 AD~1800 AD左右可能对应我国小冰期,逐渐降低的暖水种/冷水种有孔虫比值、1600 AD~1750 AD期间降低的海洋初级生产力水平以及减弱的东亚季风强度都反映了该时期寒冷湿润的气候特征。进入19世纪以来研究区沉积物总体表现出波动较大的气候变化特征,尽管现代暖期和中世纪暖期都有气温增暖现象,但在东亚季风强度和降水量上却存在差异,这可能与气候变化的强迫因子不同有关。同时,近千年来研究区的沉积特征除受到长时间尺度的气候变化影响外,还会受海底地震、台风和暴雨等突发事件的影响。
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院海洋研究所)
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：P736.21;P467
【图文】：

海底地形,站位,文献,示意图

台湾以东海域的海底地形总体呈现“北陡南缓、西浅东深”的特征（如图1.5），从北部冲绳海槽往南，依次为琉球岛弧、南澳盆地、花东海盆，最后过渡到西菲律宾海盆，水深依次加深，至南澳盆地东南角处水深超过 5000m；另外，从台湾东部高耸入云的海岸山脉到水深可达 5500 m 的西菲律宾海盆仅跨越了两个经度，台湾东部岛坡中段在距离海岸 38 km 的范围内水深将至 4000 m 以下，平均坡度为 5°~7°，坡度很大(Liu et al., 2005)。因此台湾以东海域具有发达的沟谷体系，主要发育的海底峡谷有台东峡谷、秀姑峦峡谷和花莲峡谷等(Liuet al., 2005 ;耿威等, 2013 ;徐尚等, 2014)，海底峡谷的存在为陆源物质向深海输送提供了重要通道。

台湾地区,构造单元,文献,黑潮

图 1.6 台湾地区构造单元图（引自文献(许淑梅等, 2017)）vision of tectonic units of the Taiwan and adjacent area（from theShumei et al., 2017)）文环流特征经本研究区的最重要的海流，前文中已对黑潮的流动路，并讨论了黑潮的三条主要入侵途径对东海陆架沉积物外，黑潮水体最重要的特征即为，其大致可分为表层水深层水。各个层次的水体季节变化差异很大，同时，各流经途径和流量特征等都有差异。于赤道热带太平洋海表，具有较高的温度。黑潮表层水的一部分具有较高的温度（23~29℃）和 pH，盐度约约 0.22~0.43 Sv（Sv=10×6 m3/s）；黑潮次表层水主要深

示意图,东亚季风,季节性变化,示意图

雾状层在海洋水平方向上的输送通量要高于垂直方向上的沉降通量，同也是陆源颗粒物在陆架边缘与深海大洋环境之间迁移的主要载体(张晓飞,2012)。1.4.1.5 气候特征台湾以东黑潮主流区位于西北太平洋副热带地区，其气候系统主要受东季风、副热带高压和热带幅合带（ITCZ）控制。东亚季风是全球著名的季风区，主要受亚洲大陆上空季节性变化的高压槽影响，夏季亚洲大陆上空的大压力减弱时形成印度低压，就会受到东南方向来自菲律宾和中国南海的湿润风（如图 1.7 (A)）；而冬季亚洲大陆上空的高压形成蒙古、西伯利亚高压，则会形成来自西北方向亚洲内陆的干冷季风（如图 1.7 (B)）。东亚季风的季节性化控制了东亚地区的风力和降水，也影响了陆地的植被覆盖特征，同时，季的变化会影响洋流的强度、方向、海表温度等。

【参考文献】