白令海深海异常沉积特征及成因分析

黄元辉 石学法 葛淑兰 刘焱光 陈志华 王旭晨 吕华华

0 引言

白令海是太平洋沿岸纬度最高的边缘海，北以白令海峡与北冰洋相通，南隔阿留申群岛与太平洋相邻，在北太平洋和北冰洋之间起到重要的桥梁与纽带作用。由于其独特的地理位置及其对北半球乃至全球气候变化研究的重要性，白令海已经成为近年来国际上古海洋与古环境研究热点区域之一［1-2］。

中国自1999年实施首次北极科学考察以来［3］，已开展5次北极科学考察。其中，白令海海洋底质调查与研究是历次考察的重要目标之一。目前中国已在该海域海洋地质研究方面初步积累一些重要资料，对该海域表层沉积物分布以及古海洋、古环境重建方面取得了不少新认识［4-10］，但有关白令海深海异常沉积方面，至今尚缺乏系统的分析研究工作。

本文利用中国历次北极科学考察航次在白令海北部陆坡及海盆等深水区所采沉积物样品，通过对其开展沉积学等研究，对该海域常见的异常沉积类型及其特征进行系统归纳，并对其可能成因进行初步探讨。

1 材料与方法

1.1 样品采集

站位信息详见图1与表1。B5-4和 B5-7是1999年中国首次北极科学考察站位［3］，位于白令海北部陆坡。其中，B5-4孔总长470 cm，以深灰色-灰绿色的砂质粉砂或黏土质粉砂为主，部分层位为白色或灰白色沉积物，以33—34 cm和450—452 cm最为明显，其物质组成相对较粗，以砂砾为主。B5-7站样品总长15 cm，其下为高度风化的基岩［4］，本文分析的样品取自B5-7站最表层沉积物。BR02是2008年中国第三次北极科学考察站位［11］，位于白令海阿留申海盆中西部。该孔总长191 cm，以灰色黏土质粉砂和黑色砂质粉砂交互出现为明显特征，黑色砂质粉砂层出现于44—84 cm，116—141.5 cm以及 148.5—188.5 cm处。

图1 站位分布示意图（图中数字1—3依次代表B5-4、B5-7和BR02站位）Fig.1.Site locations（B5-4，B5-7 and BR02 are indicated by the numbers in turn）

表1 站位信息Table 1.Sites information

1.2 实验方法

（1）粒度分析 对B5-4孔和BR02孔进行粒度分析，按2 cm间距连续取样。样品处理步骤为：往样品中加入15%H2O2水，在85℃水浴锅内持续加热2 h，冷却后取出，加入10%HCl，待充分反应直至样品不再起泡为止。为去除沉积物中硅质生物对粒度测试结果的影响，参照文献［12］，在完成上述步骤后在每份样品中再加入1 mol·L－1Na2CO3溶液并在85℃水浴锅内持续加热4 h，待冷却后将样品反复离心、洗盐，直到溶液呈中性为止。处理好的样品经超声波振荡分散后，使用Mastersizer 2000激光粒度仪进行测试。本文统一使用尤登-温德华氏（Udden-Wentworth）等比制Φ值粒级标准，平均粒径、分选系数、偏态、峰度等粒度参数采用图解法计算结果［13］。

（2）硅藻分析对B5-7站表层沉积物样品进行硅藻分析，样品处理步骤参见文献［14］，先将适量样品装入试管，加入30%H2O2，在70℃水浴锅中恒温加热3 h去除有机质，用蒸馏水洗净，再用加拿大树脂封片，在1 000倍油镜下进行硅藻鉴定。计数方法参照文献［15］，每份样品统计硅藻壳面至少300粒（不含角毛藻休眠孢子）。

（3）磁化率测试在B5-4和BR02岩芯中，用边长为2 cm的无磁性塑料小盒每隔2 cm扣取古地磁定向样品用做磁化率测试，测试在卡帕桥磁力仪（Multi-function Kappabridge）上完成，获得体积磁化率结果（分辨率是10－6SI）。为了便于与补测的粉末样品磁化率比较，在除以样品干质量后，获得沉积物样品的质量磁化率结果。上述实验在中国科学院地质与地球物理研究所古地磁实验室完成。

（4）全样有机碳测年从BR02孔中挑出6份样品在美国Woods Hole海洋研究所国家海洋研究AMS14C年代测试中心（NOSAMS）进行全样有机碳测年。前处理步骤如下：将测年样混合均匀，取3—5 g样品在50℃干燥后研磨，取1—2 g研磨后的样品加入10%HCl，室温放置8—10 h，无机碳将以CO2气体放出，然后将酸液取出，用少量蒸馏水将沉积物洗两次，洗后将沉积物在50℃下再次干燥。将干燥后的沉积物高温氧化，收集氧化的CO2气体，将该气体进一步纯化后做成固体石墨碳并上机测年。

2 结果

2.1 浊流沉积

图2显示，BR02孔至少存在3段浊积层（图中阴影部分）。浊积层粒度特征如下：（1）厚度一般在20 cm以上，与黑色砂质粉砂层一一对应；（2）底部平均粒径最粗，由下向上逐渐变细，具有典型的正粒序沉积层序；（3）越靠近底部，砂含量越高，向上逐渐减少。相反，粉砂含量向上逐渐增多。黏土含量一般较低（＜10%），且基本变化不大；（4）分选性普遍较差。正常沉积层位于 0—44 cm段和 84—116 cm段，粒度特征相对稳定。平均粒径约7Φ，砂含量基本在3%以内，其余为粉砂和黏土（约2∶1）。

以上结果表明，正常沉积层无论是平均粒径，还是各粒度组分百分含量组成特征，均与浊积层差异 明显。

图2 白令海BR02孔粒度参数分布图（纵坐标箭头示意14 C测年样品）Fig.2.Grain-size distribution of Core BR02（samples for 14 C age are shown by arrows on y-axis）

根据文献［16］结果，近万年来白令海北部陆坡沉积物的全样有机碳年龄与真实年龄普遍相差约1 500 a，假如该结果同样适用于白令海阿留申海盆，则从BR02孔6份全样有机碳测年结果来看（表2），BR02孔大致为末次冰消期以来的沉积结果，浊积层主要分布于末次冰消期至中全新世。

表2 白令海BR02孔全样有机碳测年结果Table 2.Radiocarbon dating results of bulk sediment samples from Core BR02

2.2 火山碎屑沉积

图3是B5-4孔粒度参数及质量磁化率测试结果。从图中可以看出，在33—34 cm和450—452 cm处所有粒度参数均发生明显变化，平均粒径（Mz）变粗，砂含量剧增，而粉砂与黏土含量锐减，表明沉积物明显粗化。质量磁化率结果同样增大，尤其在450—452 cm处，表明沉积物中磁性物质的突然增多。

B5-4孔33—34 cm和450—452 cm处沉积物在显微镜下均见有数量不等、以橙色火山玻璃为主的火山碎屑，表明B5-4孔上述两处异常变化应是火山碎屑沉积所导致。

2.3 沉积物再沉积

已有研究结果表明，白令海北部陆坡附近海域表层沉积硅藻优势种一般为Neodenticula seminae（Simonsen＆Kanaya）Akiba＆Yanagisawa，Fragilariopsis cylindrus（Grunow）Krieger in Helmcke et Krieger和 Fragilariopsisoceanica（Cleve）Hasle，常见种主要有 Delphineis surirella（Ehrenberg）G.W.Andrews， Fossula arctica Hasle， Syvertsen et von Quillfeldt，Paralia sulcata（Ehrenberg）Cleve等，此外，还见有大量的硅藻休眠孢子（主要是角毛藻休眠孢子）［17］。

B5-7站表层沉积物样品中硅藻丰度偏低，硅藻组合面貌与上述结果差异明显，以Kisseleviella carina Sheshukova-Poretzkaya和Kisseleviella ezoensis Akiba为主（图4），并出现少量的Paralia sulcata，Actinoptychus senarius（Ehrenberg）Ehrenberg等近岸种硅藻和Rhizosolenia spp硅藻碎片，Neodenticula seminae，Fragilariopsis cylindrus和 Fragilariopsis oceanica在B5-7中没有出现。

据前人研究，Kisseleviella carina和 Kisseleviella ezoensis均为新近系硅藻化石［18］，其中，Kisseleviella carina在早中新世至中中新世早期（约18.5—15 Ma BP）比较常见，Kisseleviella ezoensis仅出现于早中新世（约 18.5—17 Ma BP），而 Paralia sulcata和 Actinoptychus senarius自始新统地层中发现以来一直存在［19］。

图3 白令海B5-4孔火山碎屑沉积记录（B5-4孔质量磁化率结果引用自葛淑兰未发表数据，纵坐标箭头同图2）Fig.3.Record of volcanic deposits from Core B5-4（age sample is shown on y-axis as Fig.2）

综上所述，Kisseleviella carina和 Kisseleviella ezoensis这两种硅藻化石在B5-7样品中的大量出现，且B5-7与白令海北部陆坡附近海域其他表层沉积物的硅藻组合面貌差异明显，以及Neodenticula seminae，Fragilariopsis cylindrus和 Fragilariopsis oceanica在B5-7中的缺失，均表明该样品可能是沉积物再沉积结果，其初始沉积年代大约为早中新世。

图4 白令海B5-7站表层沉积物中再沉积硅藻电镜照片Fig.4.Reworked diatoms examined by Scanning Electron Microscope（SEM）from the surface sediment B5-7.（a）Kisseleviella carina Sheshukova-Poretzkaya，×5183；（b）Kisseleviella ezoensis Akiba，×8803

3 讨论

3.1 白令海海底大峡谷与深海异常沉积关系

白令海北部是宽广的陆架区，南部是平均水深在3 000 m以上的深水区，在白令海陆架坡折处，是世界上著名的白令海海底峡谷体系［20］。自西北向东南分布有纳瓦林斯基峡谷（Navarinsky Canyon）、佩尔旺什峡谷（Pervenets Canyon）等7条海底大峡谷。东部的普里比洛夫峡谷（Pribilof Canyon）、白令峡谷（Bering Canyon）和西部的纳瓦林斯基峡谷相对较缓，平均坡度约2°，中部峡谷普遍较陡，平均坡度约 5°，向下深切［21］。

白令海北部陆坡遍布的海底大峡谷，对海底沉积物不可避免地产生重要影响。据前人研究［22］，在纳瓦林斯基峡谷头部外陆架-上陆坡位置发现的所谓的“沉积物波”，分布于水深为175—490 m的区域，波脊走向平行于等深线，波长600—650 m，波高约2—15 m，具有逆陆坡向上爬升特征，不可能是边界流、气象驱动流、密度流、表面潮汐流等影响结果，只有当内波沿斜坡地形向上倾方向传播时，其产生的流体才可能形成与上述沙波在形态、大小和位置等方面相吻合的特征。Carlson和Karl［23］研究发现，在白令海海底峡谷内，浊流以及滑塌等可以将大量细粒沉积物从陆缘顺着峡谷搬运至深海盆。此类现象在冰期低海平面时期尤其明显，由于当时峡谷头部离岸距离更近，深海冲积扇规模更大。可见，白令海海底峡谷形成与演化过程，就是沉积物在峡谷中不断经受沉积、侵蚀、搬运和再沉积过程。

B5-7站位于Middle Canyon和Zhemchug Canyon附近。硅藻分析结果显示其该站表层沉积物年代约为早中新世，故此推测该样品可能是沉积物再沉积结果。BR02孔位于阿留申海盆，正常情况下沉积物类型应是黏土质粉砂（见图2正常沉积层）或硅藻软泥，但在BR02孔发现数段粗粒沉积物，从沉积层理和粒度参数分布结果推测为浊积层，结合测年结果，进一步推测应是末次冰消期／早全新世低海平面时期陆缘沉积物的异地搬运结果。

3.2 白令海深海火山碎屑沉积物的发现及其意义

众所周知，包括白令海在内，以及阿拉斯加西北部和俄罗斯东北部远东地区，位于欧亚板块、太平洋板块及北美板块交汇区边缘，特殊的地理位置决定其特殊的地质构造背景，地震、火山等现象在该区极为常见。据前人研究［24］，自晚新生代以来，白令海玄武岩区（Bering Sea basalt province）曾出现10余个火山喷发点，而堪察加半岛［25］和阿留申岛弧东端［26］则是白令海周边另外两个火山活动集中区。

相比于陆地，白令海深海沉积物中火山活动记录较少。日本学者［27］曾报道过采自白令海北部陆坡的 St-11柱状样（176°57.4′W，57°02.9′N，水深3 650 m）结果，指出其中有31层火山灰层，但以上结论未经确认。事实上，这些粗粒浊积层（Coarse turbidity layers）可能并非火山灰层，或者仅是含火山碎屑的异常沉积层，而且，上述沉积层年代未定［28］。

在B5-4孔，同样存在至少2层明显的异常沉积层（图3），镜下均见有以橙色火山玻璃为主的火山碎屑，而且磁化率结果均不同程度增大，结合B5-4孔年代框架结果［29］，可以确定上述沉积层年龄分别为1.3 ka BP和13.2 ka BP。该异常沉积层或许可以成为重要的、区域性沉积事件学年代对比层，但考虑到尚有待补充岩石学、地球化学等其他证据，本文暂且称其为火山碎屑沉积，其他相关测试结果以及该异常沉积层成因等，将另文详述。

4 结论

本文分别以中国首次和第三次北极科学考察航次在白令海所取B5-4、B5-7和BRO2站沉积物样品为例，对白令海深海常见的异常沉积类型沉积特征及其可能成因进行了简要分析，结论如下：

（1）BR02孔出现至少3段浊积层，浊积层具有典型的正粒序沉积层序，由下向上其粒度明显变细，砂含量逐渐减少而黏土含量基本变化不大，与正常沉积层差异明显。测年结果显示上述浊积层主要分布于末次冰消期至中全新世。

（2）B5-4孔存在2段火山碎屑沉积层，其平均粒径明显变粗，砂含量剧增而粉砂与黏土含量锐减，质量磁化率结果同时突然增大，并见有以橙色火山玻璃为主的火山碎屑，两段火山碎屑沉积层年代分别约为1.3 ka BP和13.2 ka BP。

（3）B5-7站表层沉积物中的硅藻组合以新近系硅藻化石Kisseleviella carina和Kisseleviella ezoensis为主，且与白令海北部陆坡附近海域其他表层沉积物的硅藻组合面貌差异明显，表明该样品可能是再沉积样品，其初始沉积年代大约为早中新世。

（4）白令海北部陆缘／陆坡区附近遍布的海底大峡谷对该区沉积物沉积过程具有重要影响，可能是导致该区浊流沉积与再沉积物的主要原因；另外，白令海位于欧亚板块、太平洋板块及北美板块交汇区边缘，其独特的地理位置决定该区地震与火山等构造活动相对活跃，进而进一步促使该区海底异常沉积现象频发。

致谢 本文分析测试所用的沉积物样品及其信息和数据分别由中国极地研究中心沉积物库和中国南北极数据中心建设的“极地标本资源共享平台（http：／／birds.chinare.org.cn）”提供。中国首次和第三次北极科学考察由国家海洋局极地考察办公室组织实施。参加海洋地质考察现场工作的队员来自中国极地研究中心，国家海洋局第一海洋研究所、第二海洋研究所、第三海洋研究所，同济大学等单位。作者谨向以上单位以及海洋地质组考察队员以及“雪龙”号全体船员表示衷心感谢。

1 Takahashi K.The Bering Sea and paleoceanography.Deep Sea Research PartⅡ，2005，52（16-18）：2080—2091.

2 Scientists E.Bering Sea paleoceanography：Pliocene-Pleistocene paleoceanography and climate history of the Bering Sea.IODPPreliminary Report，2010：1—323.

3 中国首次北极科学考察队.中国首次北极科学考察报告.北京：海洋出版社，2000：1—191.

4 程振波，石学法，高爱国，等.白令海表层沉积物中的放射虫与海洋环境.极地研究，2000，12（1）：24—31.

5 孟翊，陈荣华，郑玉龙.白令海和楚科奇海表层沉积中的有孔虫及其沉积环境.海洋学报，2001，23（6）：85—93.

6 卢冰，周怀阳，陈荣华，等.北极现代沉积物中正构烷烃的分子组合特征及其与不同纬度的海域对比.极地研究，2004，16（4）：281—294.

7 王汝建，陈荣华.白令海表层沉积物中硅质生物的变化及其环境控制因素.地球科学-中国地质大学学报，2004，29（6）：685—690.

8 Wang R J，Li X，XiaoW S，etal.Paleoceanographic records and sea ice extension history on the slope of the northern Bering Sea over the last100 ka BP.Acta Oceanologica Sinica，2005，24（6）：117—126.

9 邹建军，石学法，白亚之，等.末次冰消期以来白令海古环境及古生产力演化.地球科学-中国地质大学学报，2012，37（增刊）：1—10.

10 Wang R J，XiaoW S，März C，etal.Late Quaternary paleoenvironmental changes revealed bymulti-proxy records from the Chukchi Abyssal Plain，western Arctic Ocean.Global and Planetary Change，2013，108：100—118.

11 张海生.中国第三次北极科学考察报告.北京：海洋出版社，2009：1—225.

12 Mortlock R A，Froelich PN.A simplemethod for the rapid determination of biogenic opal in pelagicmarine sediments.Deep-Sea Research，1989，36（9）：1415—1426.

13 Folk R L，Ward W C.Brazos River bar：a study in the significance of grain size parameters.Journal of Sedimentary Petrology，1957，27（1）：3—26.

14 Håkansson H.The recent diatom succession of Lake Havgårdssjön，south Sweden／／Mann D G.Proceedings of the 7th Diatom Symposium in Fossil and Recent Diatoms.Otto Koeltz：Philadelphia，1984：411—429.

15 Schrader H J.Proposal for a standardized method of cleaning diatom-bearing deep-sea and land-exposedmarine sediments.Beiheft zur Nova Hedwigia，1974，45：403—409.

16 黄元辉，葛淑兰，石学法，等.白令海北部陆坡BR07孔年龄框架重建.海洋学报，2013，35（6）：67—74.

17 黄元辉，石学法，吕华华，等.白令海特征区域的表层沉积硅藻分布及其古海洋学意义.海洋学报，2012，34（3）：106—113.

18 Akiba F，Yanagisawa Y.Taxonomy，morphology and phylogeny of the Neogene diatom zonalmarker species in themiddle-to-high latitudes of the North Pacific／／Kagami H，Karig H，Coulbourn D E，etal.Initial Reports of the Deep Sea Drilling Project，Vol87.Washington，D C，USGovernment Printing Office：1986：483—554.

19 Hajós M.The Mediterranean diatoms.DSDP Initial Reports，1973，13：944—969.doi：10.2973／dsdp.proc.13.134-5.1973.

20 Carlson PR，Karl H A.Development of large submarine canyons in the Bering Sea，indicated bymorphologic，seismic，and sedimentologic characteristics.Geological Society of America Bulletin，1988，100（10）：1594—1615.

21 Scholl DW，Buffington E C，Hopkins DM.Geologic history of the continentalmargin of North America in the Bering Sea.Marine Geology，1968，6（4）：297—330.

22 Karl H A，Carlson P R.Large sand waves in Navarinsky Canyon head，Bering Sea.Geo-Marine Letters，1982，2（3-4）：157—162.

23 Carlson PR，Karl H A.Mass Movement of fine-grained sediment to the basin floor，Bering Sea，Alaska.Geo-Marine Letters，1984，4（3-4）：221—225.

24 Feeley T C，Winer G S.Evidence for fractionation ofQuaternary basalts on St.Paul Island，Alaska，with implications for the developmentof shallow magma chambers beneath Bering Sea volcanoes.Lithos，1999，46（4）：661—676.

25 Braitseva O A，Ponomareva V，Sulerzhitsky L，et al.Holocene key-marker tephra layers in Kamchatka，Russia.Quaternary Research，1997，47（2）：125—139.

26 Langmann B，Zakšek K，Hort M.Atmospheric distribution and removal of volcanic ash after the eruption of Kasatochi volcano：A regionalmodel study.Journal of Geophysical Research，2010，115（D2），D00L06，doi：10.1029／2009JD013298.

27 Tanoue E，Handa N.Some characteristic features of the vertical profile oforganicmatter in recent sediment from the Bering Sea.Journalof the Oceanographical Society of Japan，1980，36（1）：1—14.

28 Nakatsuka T，Watanabe K，Handa N，et al.Glacial to interglacial surface nutrient variations of Bering deep basins recorded byδ13C andδ15N of sedimentary organicmatter.Paleoceanography，1995，10（6）：1047—1061.

29 葛淑兰，石学法，黄元辉，等.白令海岩芯记录的冰消期14 ka以来地磁场强度和方向.地球物理学报，2013，56（9）：3071—3084.