南极半岛鲍威尔海盆南部氧同位素3期以来沉积动力环境演变

王百顺 陈志华 王西蒙 吴少林 戴清清

0 引言

沉积物研究已有70多年的历史。Wadell首先提出沉积学概念；Shepard［1］、Fork等［2］基于沉积物结构，即粒度的三元组成，对碎屑沉积物提出了系统的分类。Spencer［3］对碎屑物粒度曲线进行了解译；Klovan［4］研究了粒度与环境的关系；Visher［5］研究了粒度分布与沉积过程的关系，认为粒度概率累积曲线上的每一直线段对应一个沉积总体，并与特定搬运方式有关。Shahu［6］认为沉积机理（过程）与粒度之间存在一定关系，并采用多元判别分析法，建立了典型沉积环境的粒度判别函数。Friedman等［7-8］认为特定的沉积环境对应特定的粒度参数散点图，并建立了各种沉积环境下的粒度参数散布图。Passega［9］认为沉积物的结构能反映沉积营力，自从1957年提出CM图后，至1964年CM图的有效性经过了对不同地质年代、多个地区一系列沉积环境的验证。

国内外在威德尔海及相邻海域做过一些调查研究。Howea等［10］根据痕量元素、放射性元素地球化学和沉积物结构、构造，研究了威德尔海沉积作用，其中，北威德尔盆地深海平原主要为半深海、细粒沉积，并夹有细颗粒浊积岩。Brian等［11］研究了南极半岛西侧别林斯高晋海（Bellinsgauzen Sea）沉积，发现碎屑物成因与浊流有关。中国首次、第7次南极科学考察对布兰斯菲尔德海峡（靠近南设得兰群岛）进行过海洋地质调查；吴能友等［12］认为自更新世以来，布兰斯菲尔德海峡为冰海沉积，沉积物演化阶段与冰期-间冰期，或低水位-高水位有关。李志珍［13］通过南设得兰群岛西侧海域一个沉积柱状样的研究，认为沉积物源与火山活动等有关，沉积作用以细碎屑沉降为主；所夹单一砂层具有递变层理，相应粒度概率累计曲线为低斜率一段式，为浊流成因。

前人研究表明，除洋流携带之外，南大洋新生界碎屑物最特征的物源来自冰筏作用［14］与火山活动［15-17］，沉积阶段划分常与古生物、古地磁、测年和稳定同位素阶段等联系起来。本文应用粒度资料对D3-7岩芯古沉积环境进行研究，并根据沉积方式来划分沉积阶段，其中CM图对沉积方式和沉积阶段的划分更详细，也更明确。

1 实验分析与资料

D3-7沉积岩芯是中国第28次南极科学考察搭载“雪龙”号考察船于2012年1月采集的，岩芯样长319 cm，直径121 mm。D3-7位于南极半岛鲍威尔海盆南部，距离南极半岛岬角约 350 km，50°10.71′W，62°52.55′S，水深 3 429 m（图 1）。样品于2012年4月送到中国极地研究中心的沉积物样品库，国家海洋局东海分局于8月获取样品、并对岩芯进行现场描述。样品预处理后送到实验室进行各种分析，其中粒度数据用于古沉积（动力）环境及沉积演化研究。

图1 D3-7沉积岩芯地理位置示意图Fig.1. The site of D3-7 sedimentary column

粒度分析采用综合法，即对粒径＞0.063 mm的粗粒组分采用筛析法，粒径＜0.063 mm的细粒组分采用沉析法（吸管法）。实验按照国家标准《海洋调查规范》GB／T12763.8-2007进行。粒度数据处理中的砾石是指细砾，不包括局部层段出现的中、粗砾。

2 结果分析

2.1 沉积物类型

剖面下部和上部呈黄灰色，层理不明显。中部呈灰色，水平层理。剖面上沉积连续，未发现冲刷痕迹。207—208 cm处有机质丰富，呈深灰-黑；186—208 cm呈米黄色，推断硅藻丰富（由天津师范大学古生物鉴定证实）。在剖面上砾石被周围细粒泥质沉积物所裹（图2），砾石大小、成分、结构差异较大，结合区域环境以及围泥，推断为冰筏砾石。

图2 剖面中下部及其冰筏砾石Fig.2.Lowermiddle portion of D3-7，some ice-rafted gravels

分析结果表明，D3-7沉积岩芯沉积物由砾石、砂、粉砂和黏土组成，以细粒沉积物为主。砾石含量0.0%—8.1%，平均值为 0.7%；砂含量 0.4%—19.1%，平均值为6.6%；粉砂含量20.9%—56.1%，平均值为34.7%；黏土含量29.0%—75.7%，平均值为 58.0%。

细砾与砂分布规律相似，主要分布于剖面中部159—244 cm和顶部0—40 cm处。粉砂在剖面上分布规律性不明显。黏土含量剖面规律性明显，两高含量段对应细砾石、砂两低含量区，而两低含量段对应砾石、砂两高含量区。D3-7剖面有两种沉积物类型：粉砂质黏土（TY）和黏土质粉砂（YT）。黏土质粉砂分布于D3-7沉积岩芯顶部和中部，总厚36 cm，其余均为粉砂质黏土（图3）。

图3 D3-7沉积岩芯组成.G—砾石；S—砂；T—粉砂；Y—黏土Fig.3.Composition＆ sedimentary type of D3-7.G—gravel；S—sand；T—silt；Y—clay

2.2 粒度参数

D3-7沉积岩芯沉积物中值粒径（Md）6.79Φ—9.36Φ；剖面上中值粒径呈两高两低特征；两低分布在中段150—180 cm和上段0—30 cm处，对应砾石、砂高含量段。偏态（Ski）为 －0.75— 0.33，平均值为－0.33；正偏态位于剖面局部，与中值粒径低值区对应性良好。峰态值（Kg）为 0.50—1.29，平均值为0.75，总体扁平；仅局部层段（200 cm处）起伏明显，其对应的粒度也较粗。分选系数σi为1.87Φ—3.93Φ，平均值为2.50Φ，分选差；中、上段分选系数相对更高，对应砾石、砂高值区（图4）。

图4 D3-7沉积岩芯沉积物粒度参数Fig.4.Profile of grain size parameters，D3-7

3 D3-7岩芯古沉积动力环境

3.1 古沉积环境

沉积物粒度差异大，从砾级至黏土级，D3-7沉积岩芯92个样品粒度概率累计曲线呈一段式或斜率相似的有多段式（图5、图6）。在实验测试中，传统分析法对于粒径＞10Φ的黏土难以细分。＞10Φ数据参考激光粒度资料，粒度仪为英国马尔文MS-2000，可测试到 14.5Φ，数据间隔0.5Φ。

概率累计曲线反映的搬运方式为一种总体，含多个次总体，反映各粒级沉积水动力存在一定程度的差异。

从概率累计曲线看，碎屑物到达沉积区至海底前为单一搬运方式，或为跳跃，或为悬浮等，仅从粒度概率累计曲线难判断具体搬运或沉积方式。浊流具有一段式特点，根据萨胡判别函数，浊流Y平均值为 7.979 1［6］，而岩芯 Y最大值仅 6.963；现场岩芯也未发现递变层理或其他鲍玛序列［18］，因此，D3-7整个剖面不含浊流沉积。中低纬度深海悬浮碎屑沉积概率曲线斜率较大，而D3-7岩芯概率曲线斜率偏小，D3-7沉积岩芯的古水动力过程具有一定的特殊性。

图5 D3-7岩芯粒度概率累计曲线，48号样品Fig.5.Profile cumulative curve of D3-7，No.48

图6 D3-7岩芯粒度概率累计曲线，15号样品Fig.6.Profile cumulative curve of D3-7，No.15

在D3-7沉积岩芯σi-Kg图上（图7），散点分布于图右下方，与碎屑流沉积部分重叠［7］，说明搬运作用缺乏机械分异；如果是正常牵引流的搬运，则在搬运过程中会产生分异［19］；但总体上看，随着粒度标准偏差（分选系数）增加，偏态值增加，推断是深水环境下，在沉积过程中产生重力分异。第一、第三沉积阶段相似，散点较集中；第二、第四沉积阶段散点较为分散。剖面Kg-Ski图上（图8），散点集中于图左上方，分布规律明显，反映各阶段沉积成因一致或相似。

图7 D3-7岩芯弗里德曼散点图（σi-K g）Fig.7.Scatter diagram of D3-7（σi vs K g）

根据CM图判断，D3-7沉积岩芯均为静水悬浮沉积（HSS），分为4个亚类，分别为Ⅷ HSS：C＜1 000μm，M＜15μm；Ⅶ HSS：C＜1 000μm，15μm≤M＜100μm；Ⅸ HSS：C≥1 000μm，M＜15μm；ⅢHSS：C≥1 000μm，15μm≤M＜100μm。其中C值为概率累计曲线上1%对应的粒径，M值为概率累计曲线上50%对应的粒径。D3-7沉积岩芯CM图有以下几个特征：点值均分布于CM图左上角，C值大，M值小。与河流、沙漠、滨浅海、湖泊沉积相比，粗组分仍然呈悬浮状态，其搬运需要较大的能量；而冰筏作用、火山作用等均有较大的启动和搬运能量，推断冰筏碎屑发育，也可能有火山灰沉积。

图8 D3-7岩芯弗里德曼散点图（Kg-S ki）Fig.8.Scatter diagram of D3-7（K g vs S ki）

3.2 沉积演化

有机质AMS14C测年 （由美国Woods Hole海洋研究所测定）表明，D3-7沉积岩芯属于氧同位素3期（MIS 3，晚更新世后期）以来的沉积。自从Passega［9］1964年完善CM图以来，CM图在碎屑岩研究上得到了广泛应用［20-23］，说明了CM图的有效性。本文根据CM图来划分D3-7沉积演化阶段，结果表明，岩芯为静水悬浮沉积（包含5个亚类），可划分成4个沉积阶段（图9—12），年代界线为测年数据在剖面上的插值。

第一阶段：沉积时间33.4—35.0 ka，位于 D3-7岩芯319（底部）至241 cm处，沉积厚度78 cm。属于静水悬浮沉积Ⅷ亚类，平均沉积速率4.9 cm·（100 a）－1。推断沉积环境较为稳定（图9）。

第二阶段：沉积时间29.6—33.4 ka，位于 D3-7岩芯143—241 cm处，沉积厚度98 cm。属于静水悬浮沉积Ⅷ、Ⅶ和Ⅸ亚类，平均沉积速率2.6 cm·（100 a）－1。颗粒相对较粗，冰筏作用影响较大（图10）。

第三阶段：沉积时间26.8—29.6 ka，位于 D3-7岩芯52—143 cm处，沉积厚度91 cm。属于静水悬浮沉积Ⅷ亚类，平均沉积速率 3.6 cm·（100 a）－1。与第一阶段沉积方式类似，沉积环境较为稳定（图11）。

图9 D3-7沉积岩芯第一沉积阶段CM图.TC—牵引流；GF—重力流；HSS—静水悬浮沉积；T—远洋悬浮Fig.9.CM pattern of the 1st sedimentary stage，D3-7.TC—tractive current；GF—gravity flow；HSS—hydrostatic suspended sediment；T—pelagic suspended sediment

图10 D3-7沉积岩芯第二沉积阶段CM图.TC—牵引流；GF—重力流；HSS—静水悬浮沉积；T—远洋悬浮Fig.10.CM pattern of the 2nd sedimentary stage，D3-7.TC—tractive current；GF—gravity flow；HSS—hydrostatic suspended sediment；T—pelagic suspended sediment

第四阶段：沉积时间0—26.8 ka，位于D3-7岩芯顶部至52 cm处，沉积厚度52 cm。属于静水悬浮沉积Ⅷ、Ⅸ、Ⅲ和Ⅶ亚类，变化趋势为Ⅷ→Ⅸ→Ⅲ→Ⅶ亚类，全新世为悬浮沉积Ⅶ亚类。沉积速率0.2 cm·（100 a）－1，沉积速率明显变慢（图12）。与第二阶段沉积方式类似，颗粒相对较粗，推断沉积物有包括冰筏沉积在内的多种来源。

图11 D3-7沉积岩芯第三沉积阶段CM图.TC—牵引流；GF—重力流；HSS—静水悬浮沉积；T—远洋悬浮Fig.11.CM pattern of the 3rd sedimentary stage，D3-7.TC—tractive current；GF—gravity flow；HSS—hydrostatic suspended sediment；T—pelagic suspended sediment

晚更新世以来南极大陆冰川处于变化之中［24］。这可能影响到冰筏作用，进而影响到D3-7沉积岩芯的物质构成和演化；当然沉积演化不只是与古气候有关，还与威德尔海古洋流、沉积物源等因素相关；对比 Emiliani Cesare同位素阶段［25-26］，D3-7沉积岩芯第一、第二、第三沉积阶段以及第四沉积阶段早期对应MIS 3，与同位素阶段相比，深海水动力变化更敏感，或许能将气候变化的细微迹象（提前）表现出来。第四沉积阶段中期对应MIS2，晚期对应MIS 1。

4 结论

图12 D3-7沉积岩芯第四沉积阶段CM图.TC—牵引流；GF—重力流；HSS—静水悬浮沉积；T—远洋悬浮Fig.12.CM pattern of the 4th sedimentary stage，D3-7.TC—tractive current；GF—gravity flow；HSS—hydrostatic suspended sediment；T—pelagic suspended sediment

D3-7岩芯古沉积环境研究表明，半岛鲍威尔海盆南部自MIS 3后期（35 ka BP）以来，沉积环境总体稳定，为静水悬浮沉积，沉积物由粗-细碎屑组成。演化序列上，静水悬浮沉积从单一沉积方式→多种沉积方式→单一沉积方式→多种沉积方式，对应四个沉积阶段，具有循环性特征，全新世以来处于第四沉积阶段。深海水动力变化与同位素阶段有一定的关系，但比后者更敏感。CM图能较好地反映出水动力特点及演化趋势；与一般深海沉积相比，威德尔海沉积概率曲线和散点图特征非常明显，是由粗碎屑造成的。粗碎屑而其中的部分搬运需要很大的启动能量，推断属于冰筏作用和火山作用的产物。

致谢 D3-7沉积岩芯由中国第28次南极科学考察队队员宋普庆、陈帅、阚光明、裴延良、韩喜彬、黄元辉采集，其中韩喜彬和黄元辉还分别是记录者和校对者，样品由中国极地研究中心沉积物库提供。在样品分割处理过程中得到了中国极地研究中心的蔡明红博士的帮助，国家海洋局第一海洋研究所陈志华研究员提供了测年资料，在此深表谢意。

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