南黄海南部早更新世晚期以来黏土矿物记录及其物源指示意义

Clay mineral records of sediments in the southern South Yellow Sea since the late Early Pleistocene and their implications for provenance

摘要

南黄海第四纪以来接收来自长江、黄河等周边水系输入的陆源碎屑物质,发育海陆交互相沉积,是研究东亚大陆边缘陆源碎屑沉积物源-汇过程的热点区域。然而,南黄海南部地区沉积环境复杂,第四纪长时间尺度的物源变化研究仍非常薄弱。通过对南黄海南部SYS90-1A孔(孔深为90.1 m)415件沉积物样品的黏土矿物组成及其矿物学特征进行分析,探讨南黄海南部地区早更新世晚期以来的物源演变过程及其控制因素。结果表明,南黄海SYS90-1A孔沉积物黏土矿物组成以伊利石(平均含量为60.4%)为主,其次为绿泥石(平均含量为22.3%)、高岭石(平均含量为11.3%)和蒙脱石(平均含量为6.0%);矿物组合以伊利石-绿泥石-高岭石-蒙脱石型占绝对优势。物源分析结果显示,SYS90-1A孔所在的南黄海南部地区0.96 Ma以来的沉积物来源以长江物质为主,并存在多期多源混入的特点。根据钻孔0.96 Ma以来的物源示踪结果可将南黄海南部地区的物源演变过程分为3个阶段。其中,长江物质的贡献在0.8~0.96 Ma和0~0.53 Ma占主导地位;黄河和朝鲜半岛河流物质主要在0.53~0.8 Ma提供了一定的物质贡献;淮河的物质贡献极为有限。南黄海南部地区早更新世晚期以来的沉积物来源变化受区域构造活动和海平面变化的联合控制。这一研究为早更新世晚期以来南黄海南部地区的物质来源示踪和各潜在物源区的物质贡献研究提供了新的参考。

Abstract

The South Yellow Sea has undergone frequent sea-level changes since the Quaternary, with the sedimentary succession recording abundant information on sea-land environmental changes, such as sea-level fluctuations, riverine material input, and climate variations. However, the Quaternary provenance tracing and environmental evolution in the southern South Yellow Sea remain poorly understood or controversial, mainly due to the lack of long-term records with well-constrained chronology. In this study, we analyzed the relative contents of clay minerals using X-ray diffraction in 415 sediment samples from core SYS90-1A in the southern South Yellow Sea. The results indicate that the clay minerals in the core sediment consist primarily of illite (60.4%), followed by chlorite (22.3%) and kaolinite (11.3%), with minor smectite (6%). The clay mineral assemblage is dominated by illite-chlorite-kaolinite-smectite. Provenance analysis of clay minerals from the sedimentary succession of core SYS90-1A suggests that the sediments in the southern South Yellow Sea are mainly supplied by the Yangtze River, with additional sources contributing during different periods. According to the characteristics of changes in clay mineral assemblages, the provenance evolution process in the study area can be divided into three stages. The Yangtze River provided the dominant material contributions during the periods of 0.96-0.8 Ma and 0.53-0 Ma. However, the Yellow River and rivers of the Korean Peninsula also provided considerable material contributions during the period of 0.53-0.8 Ma, while the effects of the Huaihe River were not obvious. The changes in sediment sources in the southern South Yellow Sea are jointly controlled by regional tectonic activities and sea level changes. This study provides new insights, based on clay mineral assemblages, for tracing provenance changes and quantifying material contributions from various potential source areas in the southern South Yellow Sea since the late Early Pleistocene.

Graphical abstract

关键词

南黄海 / 黄河 / 长江 / 物质来源 / 第四纪

Key words

South Yellow Sea / Yellow River / Yangtze River / material sources / Quaternary

0 引言

中国东部陆架边缘海是连接东亚大陆与西太平洋进行物质和能量交换的过渡区域,其沉积物源-汇传输体系的时空演变特征及其对全球气候环境变化的响应吸引了广泛的关注^[1-2]。南黄海作为中国东部陆架边缘海的重要组成部分,海底地形平缓开阔,对海平面波动和气候变化的响应十分敏感,受东亚季风和海洋环流等的共同影响,接受来自中国大陆(长江、黄河等)和朝鲜半岛西岸河流携带的陆源碎屑物质在此堆积,形成东亚大陆边缘陆源碎屑沉积物的“汇”^[2-3]。南黄海地区自新近纪以来一直处于持续沉降状态,为沉积物堆积提供了可观的可容空间^[4-5],且第四纪以来经历多次海平面升降变化,海陆交互作用强烈,发育海陆交互相沉积^[5-6]。因此,南黄海地区第四纪沉积序列蕴含着丰富的古气候和古环境变化信息,成为研究东亚大陆边缘沉积物源-汇过程、海陆交互作用和东亚季风演变的热点区域^[7-12]。

20世纪80年代以来,国内外学者利用矿物学、地球化学、环境磁学等替代指标对南黄海不同区域、不同时间尺度的沉积物来源、扩散路径等方面进行了大量的研究^[13-20],揭示长江和黄河两大河流的物质贡献在南黄海沉积物源-汇系统中占主导地位,周边中小河流的近源物质贡献也有一定影响^[15,17]。其中,南黄海表层沉积物的黏土矿物和元素地球化学等证据显示,南黄海中、西部沉积物主要来源于黄河物质,东部靠近朝鲜半岛附近区域的沉积物明显受朝鲜半岛河流物质的影响,33°N以南地区的沉积物则主要受长江物质控制^[14,21-22]。南黄海中部泥质区全新世以来的沉积物则具有多源的特点,以黄河和长江物质供应为主^{[13-14,20-22]}。南黄海西部CSDP-1孔3.5 Ma以来的黏土矿物和Sr-Nd同位素证据揭示,研究区沉积物来源在约0.8 Ma时由长江源转为黄河源^[19]。南黄海中部泥质区NHH01孔1.1 Ma以来的黏土矿物和地球化学结果表明,研究区物源在不晚于约0.88 Ma转变为黄河物质供给为主^[23]。位于NHH01孔北部的SYSC-1孔的稀土元素证据则显示,钻孔沉积物MIS6期以来经历多次物源转变^[24]。然而,南黄海地区第四纪海陆交互作用强烈,沉积环境变化较快,沉积物来源十分复杂,且相关研究主要集中在短时间尺度的浅表层沉积物,对长时间尺度物源演变的系统研究仍非常薄弱^{[9,14-15,19,23]}。此外,南黄海南部地区公开发表的第四纪长序列钻孔数量匮乏,严重制约了对南黄海南部地区第四纪沉积环境和物源变化的研究,也限制了对南黄海第四纪沉积物源-汇过程的整体认识。南黄海南部地区第四纪沉积物在不同阶段的物质来源以及各潜在物源的贡献大小、影响范围等也需要进一步研究。

黏土矿物作为海洋沉积物的重要组成部分,是源区母岩经历物理、化学风化等综合作用的产物,对气候和环境变化的响应十分敏感,不同气候和环境条件下形成的黏土矿物组成、含量和特征参数等具有不同的特征^[25]。此外,黏土矿物颗粒细微,对水动力作用十分敏感,且在搬运和沉积过程中基本保留源区特征且基本不受后期成岩作用的影响^[26]。因此,黏土矿物组成、含量和特征组合参数可以有效指示沉积物来源、水动力条件和沉积环境变化^[27-28]。本文通过对南黄海南部新近钻取的SYS90-1A孔(孔深为90.1 m)沉积物进行详细的黏土矿物分析,通过黏土矿物组成、含量变化等来研究黏土矿物组合特征和分布规律,并结合周边河流沉积物的黏土矿物数据,揭示南黄海南部地区沉积物早更新世晚期以来的物质来源,并探讨物源变化的控制因素,进而为深入认识南黄海地区第四纪沉积物源-汇过程和海陆交互作用等研究提供新的地质证据。

1 区域地质背景

南黄海是位于中国大陆与朝鲜半岛之间的半封闭陆架浅海,海底地形由两侧向中央倾斜,平均水深约46 m^[3]。南黄海现代海洋环流体系主要由黄海暖流、沿岸流、长江冲淡水和中部冷水团等组成(图1^[29])。其中,沿岸流主要为东、西两侧向南流动的山东半岛沿岸流、黄海沿岸流和朝鲜半岛沿岸流。中部冷水团则是黄海暖流与黄海沿岸流共同作用下形成的大型气旋型涡流,在上升流的共同作用下发育低能环境控制的泥质沉积^[3,29]。南黄海周边河流主要包括黄河、长江、淮河、朝鲜半岛沿岸河流、山东半岛沿岸河流以及江苏沿岸河流等^[3,15]。尽管长江和黄海现今的入海口都不在南黄海,但两条河流在地质历史时期曾发生多次河道迁移,直接或通过沿岸流间接为南黄海输送碎屑物质,在南黄海地区沉积供应中占据主要地位^[3,19]。相较于长江、黄河、淮河和朝鲜半岛河流,其他局部小型河流由于携带泥沙通量相对较低,对研究区的物源贡献可以忽略^[15,30]。南黄海沉积过程受河流携带碎屑物质输入和海洋环流体系的共同作用,黄河输入的碎屑物质被冬季风驱动的沿岸流向南输运;长江冲淡水携带的长江物质在夏季风和黄海暖流的影响下向北输运^[29,31]。南黄海地区在构造上主要位于南黄海盆地,新近纪以来持续沉降,接受来自长江、黄河等周边河流携带的陆源碎屑物质汇入,新近纪—第四纪沉积序列厚达500~2 000 m^[32]。第四纪以来,随着南部的浙闽隆起逐渐解体和沉降,南黄海地区在约1.7 Ma开始接受海侵,沉积特征由河、湖相沉积逐渐转为受海平面变化控制的海陆交互相沉积^[19,32]。

2 材料与方法

本次研究的SYS90-1A孔(地理坐标为33°48'49″N,123°43'58″E)位于南黄海南部(中部泥质区南缘),孔口海拔为-69.3 m,为中国地质调查局青岛海洋地质研究所于2017年使用机械旋转法钻进获取岩心(图1^[29])。SYS90-1A孔进尺为90.1 m,实际岩心长度为83.8 m,平均取心率达93%。将岩心纵向剖开,依次摆好,进行编录、拍照和样品采集。黏土矿物测试的取样间距为0.2 m,获样品415件。黏土矿物X射线衍射分析测试在中国地质调查局青岛海洋地质研究所海洋地质实验测试中心完成。

黏土矿物测试采用黏土粒级组分(<2 μm)定向薄片的X射线衍射分析(X-ray diffraction analysis,XRD)方法^[33]。样品预处理流程概述如下:样品使用去离子水清洗去除盐分;加入15%的H₂O₂去除有机质,然后加入去离子水离心清洗;加入0.5 mol/L的HCl去除碳酸盐,然后加入去离子水离心清洗;将样品置于量筒中加入去离子水浸泡并搅拌成悬浮液后静置,根据斯托克斯(Stokes)沉降定律重复抽取上部<2 μm的悬浮液,分别制成自然片和加热片,分别在自然条件下和乙二醇饱和条件下进行测试。测试仪器为日本产D/Max-2500型X射线衍射仪,仪器参数设置为CuKα辐射、管电压为40 kV、管电流为40 mA、扫描范围为3°~30°(2θ)和扫描步长为0. 02°(2θ)。黏土矿物组分(蒙脱石、伊利石、高岭石和绿泥石)相对含量的半定量计算按照Biscaye的方法使用Jade6.5软件在乙二醇曲线上对主要衍射峰面积进行拟合、提取特征峰强度值^[34]。黏土矿物相对含量使用晶面衍射峰的面积比获得,即用乙二醇曲线上的蒙脱石(晶面间距为17Å)、伊利石(晶面间距为10Å)、绿泥石和高岭石(晶面间距为7Å)衍射峰面积各自乘以其强度因子1、4和2,并通过拟合3.54 Å/3.58 Å的衍射峰面积比值进一步确定高岭石和绿泥石相对比例,最后将这4种黏土矿物的特征峰峰面积之和校正为100%后计算各自相对含量。蒙脱石结晶度由17 Å衍射峰的半峰宽(?偆ifull width at half maximum,FWHM)来表示,FWHM值越小,表示结晶度越好^[35]。伊利石结晶度使用10 Å衍射峰的半峰宽来确定,结晶度数值越低,表明结晶度越好,指示物源区水解作用弱,气候条件干冷^[36]。伊利石结晶度程度根据Diekmann等^[37]划分标准可划分为结晶极好(<0.4),结晶好(0.4~0.6),结晶中等(0.6~0.8)和结晶差(>0.8)。伊利石化学指数则通过5 Å/10 Å峰面积比来确定,比值大于0.5 为富Al伊利石,指示化学风化作用较强烈;比值小于0.5为富Fe-Mg伊利石,代表物理风化作用结果^[38]。

南黄海SYS90-1A孔沉积物已开展了详细的现场岩性描述和磁性地层学研究^[29]。岩心现场描述揭示钻孔沉积物岩性为一套灰色、深灰色粉砂质黏土、黏土质粉砂与灰色粉砂、灰黄色细砂互层的海陆交互相沉积。其中,74.4~90.1 m深度段主要为灰色、深灰色粉砂质黏土、黏土质粉砂和灰黄色粉砂、细砂,发育3个粒度向上变粗的反粒序旋回;47.6~74.4 m深度段发育灰色、深灰色粉砂与深灰色、灰黄色细砂互层,夹薄层深灰色粉砂质黏土和灰黄色中砂;4.64~47.6 m深度段为灰色粉砂质黏土与深灰色黏土质粉砂、灰黄色细砂互层;0~4.64 m深度段为灰色粉砂夹灰黑色黏土质粉砂和薄层灰黄色细砂^[29]。不同岩性变化之间大多存在明显的侵蚀面。磁性地层学结果揭示钻孔岩心记录了从布容(Brunhes)正极性时至松山(Matuyama)负极性时上部,包括Kamikatsura和Santa Rosa地磁极性漂移事件,Brunhes正极性时与Matuyama负极性时界线(M/B界线)深度位于74.2 m,通过线性插值获得年龄控制点之间的年代序列,建立了SYS90-1A孔0.96 Ma 以来的磁性地层年代框架(图2^[29])。

3 结果

3.1 黏土矿物组成

乙二醇饱和片的X-射线衍射图谱显示,南黄海SYS90-1A孔415件沉积物样品中的黏土矿物主要包括伊利石、绿泥石、高岭石和蒙脱石。绝大部分样品的黏土矿物主要衍射峰均十分明显,典型样品的衍射图谱均显示蒙脱石17 Å衍射峰较为微弱,表明蒙脱石含量非常少(图3)。除了上述4种黏土矿物组分外,在样品X-射线衍射图谱中还发现4.26 Å、3.18 Å、3.02 Å共3个明显的衍射峰,表明黏土组分中还含有石英、长石和方解石。

SYS90-1A孔沉积物的黏土矿物组成整体表现为伊利石含量最高,蒙脱石含量最低,绿泥石含量明显高于高岭石。其中,伊利石含量占主导地位,含量为32.7%~71.3%,平均含量达60.4%;其次为绿泥石,含量为10.0%~42.3%,平均含量为22.3%;高岭石含量为4.9%~22.0%,平均含量为11.3%;蒙脱石含量最少但变化非常大,含量为0%~49.7%,平均含量仅为6.0%。黏土矿物组合以伊利石-绿泥石-高岭石-蒙脱石为主。钻孔沉积物中的蒙脱石结晶度为0°~1.82°Δ2θ,平均为0.85°Δ2θ,结晶度好-中等^[35]。伊利石结晶度为0.18°~0.35°Δ2θ,平均为0.27°Δ2θ,结晶度极好,指示物源区的伊利石水解作用较弱,气候相对干冷^[36];伊利石化学指数为0.28~0.77,平均为0.55,大部分样品(323/415)的伊利石化学指数大于0.5,表明为富Al伊利石,主要为化学风化作用结果;另外一部分样品(92/415)的伊利石化学指数低于0.5,指示为富Fe-Mg伊利石,主要为物理风化结果^[38]。

3.2 黏土矿物含量及特征参数随时间变化

根据0.96 Ma以来SYS90-1A孔沉积物的黏土矿物组成、含量和特征参数随时间变化特征将其划分为3个阶段(图4)。

阶段Ⅰ(0.96~0.8 Ma):该阶段黏土矿物组分包括伊利石、高岭石、绿泥石和蒙脱石,4种黏土矿物组分含量变化幅度相对较小。其中,伊利石含量最高,为37.9%~69.0%,平均含量达61.5%;其次为绿泥石,含量为13.6%~36%,平均含量为21.6%;高岭石含量变化较小,为5.5%~13.9%,平均含量为11.0%;蒙脱石含量最低,为0%~32.2%,平均含量仅6.0%。该阶段伊利石含量与高岭石含量随时间整体表现为同步正相关变化,而与绿泥石、蒙脱石的含量变化整体呈相反的变化趋势(图4)。蒙脱石结晶度为0°~1.65°Δ2θ,平均为0.98°Δ2θ,结晶度好—中等。伊利石结晶度为0.18°~0.34°Δ2θ,平均为0.26°Δ2θ,结晶度极好,指示形成于气候相对寒冷且化学风化作用较弱的陆地物源区;伊利石化学指数为0.44~0.7,平均为0.57,整体表现为富Al伊利石,主要为化学风化作用产物。

阶段Ⅱ(0.8~0.53 Ma):黏土矿物组分含量在该阶段变化剧烈(图4),伊利石含量最高,为32.7%~66.2%,平均含量达53.0%;其次为绿泥石,含量为10.0%~42.3%,平均含量为28.5%;高岭石含量为4.9%~22.0%,平均含量为9.8%;蒙脱石含量最低,为0%~49.7%,平均含量仅8.8%。该阶段伊利石与绿泥石含量随时间呈正相关变化,而与高岭石和蒙脱石的含量则呈反向变化。蒙脱石结晶度为0°~1.42°Δ2θ,平均为0.52°Δ2θ,结晶度好—中等。伊利石结晶度为0.18~0.34°Δ2θ,平均为0.23°Δ2θ,结晶度极好。伊利石化学指数为0.39~0.73,平均为0.53,整体表现为富Al伊利石,指示为化学作用的产物。

阶段Ⅲ(0.53~0 Ma):该阶段沉积物的黏土矿物组分含量变化相对稳定,伊利石含量最高,为49.8%~71.3%,平均含量达63.3%;其次为绿泥石,含量为14.8%~25.7%,平均含量为19.9%;高岭石含量变化较小,为7.4%~18.4%,平均含量为12.0%;蒙脱石含量最低,为0%~13.6%,平均含量仅4.8%。该阶段伊利石与绿泥石含量在0.53 Ma以来呈减少趋势,而高岭石与蒙脱石含量则呈增加趋势。其中,0.35~0.37 Ma,伊利石和绿泥石含量阶段性显著减少,而蒙脱石和高岭石含量则显著增加(图4)。蒙脱石结晶度为0°~1.82°Δ2θ,平均为0.95°Δ2θ,结晶度好—中等。蒙脱石结晶度在0.53~0.27 Ma波动较大,0.27 Ma以来整体呈增大趋势。伊利石结晶度为0.23°~0.35°Δ2θ,平均为0.28°Δ2θ,结晶度极好;伊利石结晶度在0.53 Ma以来整体呈增大趋势。伊利石化学指数为0.28~0.77,平均为0.55,整体表现为化学风化作用形成的富Al伊利石。

4 讨论

4.1 潜在物源分析

前人对南黄海已有钻孔岩心和地球物理探测的研究结果表明,南黄海地区沉积物主要来源于周边入海河流携带的碎屑物质输入,以中国大陆的黄河、长江物源为主,朝鲜半岛和远洋物质也有一定贡献^{[3,14-15,28,39-41]}。但在高海平面时期,由于古海洋环流的存在,朝鲜半岛一侧的沉积物无法到达南黄海中部^[42-43]。SYS90-1A孔位于中部泥质区南缘,潜在物源主要包括黄河、长江、淮河、朝鲜半岛河流等周边河流,其他潜在物源的局部小型河流由于携带泥沙通量相对较低,对研究区的物源贡献可能很小^[15,30]。此外,由于东亚季风和海洋环流系统的影响,亚洲内陆风尘和远洋物质也可能为研究区沉积物贡献了部分物质,但考虑到南黄海地区较高的沉积速率,以及周边河流携带巨量碎屑物质的稀释,风尘和远洋物质对研究区的物质贡献可以忽略不计^[18,21]。

黄河发源于青藏高原北部,流经黄土高原,向东流入渤海,干流全长为5 464 km,年均输沙量达1.1×10⁹ t/a^[44]。在地质历史时期,黄河下游河段曾多次改道,入海口位置在黄海与渤海之间变动^[19,23]。黄河主要流经中纬度地区,气候相对干冷,物理风化作用较强,流经的黄土高原提供了90%以上的物源^[45],细颗粒的黄土呈碱性或弱碱性,有利于蒙脱石的保存而不利于高岭石的形成^[46]。因此,黄河沉积物的黏土矿物组合表现为伊利石-蒙脱石-绿泥石-高岭石,以伊利石含量相对较低(约60%)、蒙脱石含量相对较高(约15%)、伊利石/蒙脱石比值小于6为特征^[46-47]。

长江发源于青藏高原唐古拉山脉,自西向东注入东海,干流全长约6 300 km,年均输沙量达4.7×10⁸ t/a^[44]。长江主要流经中、低纬度地区,气候相对温暖湿润,化学风化作用较强,上游青藏高原源区的中-酸性火成岩、碳酸盐岩和变质砂岩等在风化作用下形成了大量的伊利石,中、下游地区的中-酸性花岗岩、古老变质岩、第四纪沉积物在风化作用下有利于生成绿泥石和高岭石^[48]。因此,长江沉积物的黏土矿物组合以伊利石含量较高(约70%)、绿泥石和高岭石次之、蒙脱石含量低(5%~7%)、伊利石/蒙脱石比值大于8为特征^[44,46-48]。

淮河发源于桐柏山,向东流经河南、安徽和江苏省,在江苏扬州附近的三江营汇入长江,干流全长为1 000 km,年平均输沙量为1.4×10⁷ t/a^[15]。淮河流域位于中国南、北气候带过渡区域,气候从南向北由温暖潮湿逐渐变为寒冷干燥。淮河流域南部沉积物主要来源于秦岭—大别山造山带的岩浆岩、变质岩等岩石风化物,风化形式以化学风化为主,有利于高岭石的形成和保存;流域北部沉积物主要来源于黄土沉积物和黄河冲积物,以物理风化作用为主,有利于蒙脱石的保存^[49]。因此,现代淮河沉积物的黏土矿物组合同时具有富蒙脱石和富高岭石的特征^[49]。淮河上游沉积物未受到黄河物质影响,可能代表了古淮河的矿物组成。淮河上游沉积物中蒙脱石和高岭石含量介于黄河沉积物和长江沉积物之间,伊利石含量高于黄河和长江沉积物,绿泥石含量低于黄河和长江沉积物^[50]。

朝鲜半岛流入南黄海的河流主要包括锦江、汉江、临津江等,年平均输沙量为1.8×10⁷ t/a^[15],这些河流沉积物的母岩为前寒武纪花岗片麻岩、中生代花岗岩和花岗片岩及富绿泥石和云母的片岩,这些岩石在风化作用下有利于伊利石的生成,同时伴有部分绿泥石和高岭石,极少生成蒙脱石^[15,47]。因此,朝鲜半岛河流沉积物以伊利石为主,绿泥石和高岭石含量相近,蒙脱石含量极低^[15,47]。

4.2 黏土矿物来源

如前文所述,南黄海沉积物主要来源于周边入海河流携带的碎屑物质,研究区主要潜在物源包括长江、黄河、淮河和朝鲜半岛河流物质。由于各河流源区母岩性质、气候条件的差异,南黄海周边河流沉积物在黏土矿物组成及其含量特征具有明显的差异^[15,49-50]。此外,SYS90-1A孔进尺仅为90.1 m,岩心为未固结的松散沉积物,埋藏较浅,成岩作用不明显,基本可以排除后期环境作用(如成岩作用、压力)对黏土矿物相对含量变化的影响。因此,可以通过比较钻孔沉积物中不同黏土矿物组分的比例与潜在物源的周边河流沉积物的黏土矿物组分的比例来示踪沉积物的来源。为了示踪SYS90-1A孔沉积物中0.96 Ma以来的黏土矿物来源,本文利用钻孔不同阶段的黏土矿物数据与潜在物源区,包括长江^{[15,19,45,51]}、黄河(古黄河)^{[15,19,45,51]}、淮河(古淮河)^[49-50]和朝鲜半岛河流沉积物^[15,41,52]的已有黏土矿物数据进行投点,对比绘制了蒙脱石-伊利石+绿泥石-高岭石三角端员图(图5)。结果显示,SYS90-1A孔所在的南黄海南部地区0.96 Ma以来的黏土矿物来源在不同阶段具有不同的特征。

阶段Ⅰ(0.96~0.8 Ma):该阶段黏土矿物组合类型以伊利石-绿泥石-高岭石-蒙脱石为主,并含有少量的伊利石-蒙脱石-绿泥石-高岭石和伊利石-绿泥石-蒙脱石-高岭石组合。大部分样品(68.75%)的伊利石/蒙脱石比值大于8,少量样品(15.63%)比值小于6(图4)。该阶段绝大部分黏土矿物数据点(84.37%,54/64)分布于长江沉积物区域内,指示长江物质贡献占主导地位;部分数据点(4.68%,3/64)落于黄河沉积物和淮河沉积物区域内,指示黄河和淮河物质的贡献;少量数据点(6.25%,4/64)位于长江和黄河沉积物交接区域,指示混合物源;还有极少数样品数据点(4.68%,3/64)不含蒙脱石,这与朝鲜半岛沉积物中的蒙脱石含量极低的特征相接近(图5)。上述结果表明,钻孔在这一阶段的沉积物主要来源于长江,黄河、朝鲜半岛河流和淮河也提供了非常少量的物质贡献。

阶段Ⅱ(0.8~0.53 Ma):该阶段黏土矿物组合类型多样,以伊利石-绿泥石-高岭石-蒙脱石组合为主,还包括伊利石-绿泥石-蒙脱石-高岭石、伊利石-蒙脱石-绿泥石-高岭石、蒙脱石-伊利石-绿泥石-高岭石3种组合类型。多数样品(61.32%)的伊利石/蒙脱石比值大于8,还有相当数量的样品(34.91%)比值小于6(图4)。此外,高达37.74%的样品不含蒙脱石。该阶段有37.74%(40/106)的数据点投影位于朝鲜半岛河流沉积物区域内或附近,指示朝鲜半岛河流物质的贡献;30.19%(32/106)和24.53%(26/106)的数据点投影分别落入长江沉积物和黄河沉积物区域内,指示长江物源和黄河物源的贡献;1.88%(2/106)的数据点位于长江和黄河物源交界区域,指示为长江、黄河物质混合源;还有5.66%(6/106)的数据点介于黄河沉积物与现代淮河沉积物交界区域,考虑到现代淮河受黄河物源影响较大,该部分数据点应该也为黄河物源(图5)。综上所述,该阶段钻孔黏土矿物的来源具有多源性,以长江、黄河物质为主,朝鲜半岛河流物质提供了较多的物质贡献,淮河沉积物的物质贡献极为有限。

阶段Ⅲ(0.53~0 Ma):该阶段黏土矿物组合以伊利石-绿泥石-高岭石-蒙脱石组合为主,含有少量的伊利石-绿泥石-蒙脱石-高岭石组合。大部分样品(82.45%)的伊利石/蒙脱石比值大于8,仅有少量样品(2.86%)比值小于6(图4)。该阶段还有少量样品(2.86%)不含蒙脱石。绝大部分黏土矿物数据点(94.29%,231/245)位于长江沉积物区域内,指示长江物质贡献占据主导地位;2.45%(6/245)的数据点落于朝鲜半岛河流物质区域,指示朝鲜半岛河流物质的贡献;2.04%(5/245)的数据点落于长江和黄河、长江和朝鲜半岛河流物源交界区域,指示混合源;1.22%(3/245)的数据点落入现代淮河和古淮河物质区域内,指示淮河的少量物质贡献(图5)。这些结果表明,该阶段黏土矿物绝大部分来源于长江物质,朝鲜半岛河流、淮河以及黄河沉积物只有极少量的物质贡献。

4.3 早更新世晚期以来物源演变及其控制因素

南黄海是位于中国大陆和朝鲜半岛之间的半封闭陆架浅海,第四纪以来接受周边入海河流携带的大量碎屑物质,同时由于高海平面时期区域环流系统的影响,其沉积物的黏土矿物组成及相对含量除了受物源区母岩性质和气候条件的控制,还受到搬运和沉积过程中的水动力条件(河道迁移、海平面变化等)和区域构造活动影响^[15,21,47]。基于SYS90-1A孔沉积物黏土矿物组成与潜在物源区黏土矿物端员对比的物源分析结果,结合区域第四纪沉积演化特征^[3,5-6,8,10],我们重建了南黄海南部地区0.96 Ma以来的物源演变过程并探讨其控制因素。

阶段Ⅰ(0.96~0.8 Ma):黏土矿物组合表明该阶段SYS90-1A孔所在的南黄海南部地区沉积物主要来源于长江物质(图6)。朝鲜半岛河流物质、黄河物质和淮河物质在低海平面时期也提供了极少量的物质贡献。南黄海新近纪以来持续沉降,沉积环境受浙闽隆起的构造控制作用,发育河湖相沉积^[3,5]。江苏沿岸多个钻孔资料综合分析结果显示,早更新世长江古河道主要在长江三角洲北翼的东台—启东地区流入黄海并向东延伸^[53-54],或流经苏北平原经盐城等地区向东北流入黄海^[55]。南黄海西部QC2孔也发现了较厚的早更新世晚期(0.73~0.97 Ma)古长江三角洲的三角洲前缘相沉积^[56],表明古长江在早更新世为南黄海南部地区提供了大量的碎屑物质。随着浙闽隆起在第四纪早期(约2.0 Ma)开始逐渐解体和沉降^[57],海水越过隆起进入南黄海,南黄海西部的CSDP-1孔和CSDP-2孔揭示南黄海地区在约1.7 Ma开始接受新近纪以来的首次海侵,并在1.7~0.83 Ma发生数次短暂的海侵,表明这一时期海水进入南黄海受到限制,海侵主要表现为“通道式”海侵,浙闽隆起东部的济州海峡可能是这一时期的重要海侵通道^[5,32,56-57]。岩性、岩相特征和底栖有孔虫丰度(待发表数据)揭示SYS90-1A孔在该阶段发生3次短暂海侵(图6),表明南黄海南部地区在该阶段受构造控制作用以陆相沉积为主,与南黄海地区其他钻孔揭示的沉积环境基本一致。在低海平面时期,由于缺少南北向侵入海水的阻挡作用,朝鲜半岛河流物质可以偶尔抵达研究区。SYS90-1A孔黏土矿物物源分析结果显示,南黄海中部泥质区南缘地区在约0.85 Ma开始出现黄河物质信号。南黄海NHH01孔岩心记录显示,黄河物质不晚于0.88 Ma就开始影响到南黄海泥质区中部^[23]。CSDP-1孔物源分析结果则揭示,南黄海西部地区在约0.83 Ma开始发生广泛海侵,沉积物来源由长江源转为黄河源为主^[19]。南黄海不同地区3个钻孔的研究结果基本一致,表明黄河物质对南黄海地区沉积过程的影响至少不晚于0.83 Ma。

阶段Ⅱ(0.8~0.53 Ma):黏土矿物组合揭示该阶段钻孔附近地区物源变化复杂,以长江、黄河物质为主,朝鲜半岛河流物质贡献了一定的物源,表现出多源混入的特点(图6)。南黄海西部CSDP-1孔和CSDP-2孔、泥质区中部的NHH01孔和北部的DLC70-3孔的沉积记录均显示,南黄海北部和西部地区中更新世以来发生广泛海侵,且沉积物主要来源于黄河物质^[5,8,23,32],表明该阶段黄河物质对南黄海北部和西部地区的沉积影响显著。然而,位于南部地区的SYS90-1A孔沉积物的岩性、岩相特征和底栖有孔虫丰度证据显示该阶段以河流相沉积为主,仅在MIS15期间发生短暂海侵(图6)。位于浙闽隆起西部的ECS-DZ1孔沉积记录则显示,钻孔所在地区在早更新世晚期—中更新世发生明显的沉积间断或侵蚀,表明浙闽隆起可能仍在遭受剥蚀^[57]。这些不同区域的钻孔记录对比结果表明,浙闽隆起在中更新世早期可能尚未完全沉降,海水可能仍表现为“通道式”海侵进入北部和西部地区,南部地区受构造控制作用仍以陆相沉积为主^[56-57]。江苏沿岸钻孔记录和南黄海陆架西部的浅地层剖面资料揭示,该时期长江主河道仍主要在东台—启东地区进入南黄海并向东延伸,为南黄海南部地区提供大量碎屑物质^[53-54,58]。因此,该阶段沉积物来源以长江、黄河物质为主。由于该阶段全球处于低海平面时期^[59],南黄海南部地区海侵较弱,使得朝鲜半岛河流物质能够越过海侵通道抵达研究区沉积。

阶段Ⅲ(0.53~0~ Ma):黏土矿物物源分析结果揭示长江物质在该阶段的物源贡献中占绝对主导地位,朝鲜半岛河流物质和淮河物质偶尔提供了极少量的物源贡献(图6)。SYS90-1A孔岩心的岩性、岩相特征和底栖有孔虫丰度显示,南黄海南部地区在该阶段发生广泛海侵,仅在0.47~0.53 Ma和0.35~0.41 Ma短暂露出海面,发育河流相沉积。其他钻孔记录显示,南黄海北部和西部地区也发生广泛海侵^[5,8,23,32],表明浙闽隆起在该阶段逐渐完全沉降,海平面变化开始控制整个南黄海地区的沉积环境。随着南黄海地区发生广泛海侵,长江、黄河等河流的入海口向陆地方向收缩,黄海陆架浅海区的古黄海暖流等海洋环流发育^[8],自南向北流动的古黄海暖流阻挡了朝鲜半岛河流物质向西进入研究区,并携带细粒的长江物质向北输送至泥质区北部沉积下来,而黄河物质受古海洋环流影响运移到南黄海中部地区沉积下来^[24]。同时,朝鲜半岛河流在早期的低海平面时期向南输送的物质也可能被古黄海暖流携带抵达研究区沉积下来。这一时期,南黄海西部CSDP-1孔、泥质区中部NHH01孔和北部DLC70-3孔均显示黄河物质供应占据主导地位^[5,8,23],但南部的SYS90-1A孔附近地区仍然以长江物质供应为主,表明尽管长江三角洲沉积中心和河道系统逐渐向南移动^[24,60-61],但长江对南黄海南部地区的物源贡献仍占主导地位,在低海平面时期甚至依然能够运移到南黄海中部36°N附近地区^[24]。

5 结论

通过对南黄海SYS90-1A孔岩心沉积物0.96 Ma以来的黏土矿物组成和含量进行详细分析,并与周边主要潜在物源区的黏土矿物组合进行对比,获得以下结论。

(1)SYS90-1A孔沉积物的黏土矿物主要由伊利石、高岭石、绿泥石和蒙脱石组成,表现为伊利石含量最高,蒙脱石含量最低,绿泥石含量明显高于高岭石。其中,伊利石含量为32.7%~71.3%,平均含量达60.4%;绿泥石含量为10.0%~42.3%,平均含量为22.3%;高岭石含量为4.9%~22.0%,平均含量为11.3%;蒙脱石含量最少,为0%~49.7%,平均含量仅为6.0%。蒙脱石结晶度为0°~1.82°Δ2θ,伊利石结晶度为0.18°~0.35°Δ2θ,伊利石化学指数为0.28~0.77。

(2)物源分析结果表明,南黄海南部地区自0.96 Ma以来的沉积物以长江物质供应为主,同时存在多期多源混入的特点。0.8~0.96 Ma,长江物质贡献占主导地位,朝鲜半岛河流物质和黄河物质偶尔影响到研究区。0.53~0.8 Ma,研究区沉积物以长江、黄河物质供应为主,朝鲜半岛河流物质也有一定的物源贡献。0.53 Ma以来,研究区沉积物以长江物质供应占主导,朝鲜半岛河流物质偶尔影响到研究区。

(3)南黄海南部地区早更新世晚期以来沉积物来源变化受区域构造活动和海平面变化的联合控制,浙闽隆起的阶段性沉降控制着研究区第四纪海平面变化。在低海平面时期,黄河和朝鲜半岛河流物质提供了一定的物源贡献;而在高海平面时期,受海平面上升和海洋环流的阻挡作用,研究区以长江物质沉积为主,几乎不受黄河和朝鲜半岛河流物质的影响。

感谢青岛海洋地质研究所秦亚超研究员在数据分析方面提供的帮助。感谢编辑老师和审稿专家提出的宝贵意见。

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基金资助

自然资源部南黄海地球多圈层野外科学观测研究站开放课题(SYS-2025-K01)

中国地质调查局地质调查项目(DD20160139)

中国地质调查局地质调查项目(DD20191003)

中国地质调查局地质调查项目(DD20230643)

中国地质调查局地质调查项目(DD20242758)

中国地质调查局地质调查项目(DD20221710)