南海西北部陆架第四系沉积物粒度特征及其沉积环境指示^*

Characteristics of grain size of the Quaternary sediments and their palaeoenvironmental implications in continental shelf of northwestern South China Sea

摘要

沉积物的粒度数据可反映水动力特征及陆源物质构成,综合反馈海平面升降、区域物源及气候环境变化等信息,其中粒度数据中环境敏感因子是沉积环境及季风强度的良好指标。南海西北浅水陆架地区系统的钻井资料为水动力和气候变化研究提供了良好的研究载体,本研究基于获取的陆架区第四系52件样品的粒度特征分析认为,南海西北部陆架沉积物主要由黏土和粉砂组成,自下而上粒度呈“细—粗”的变化趋势,水动力作用增强。分别采用粒级—标准偏差法、端元组分分析法和主成分因子分析法对沉积物样品提取环境敏感组分,以探讨东亚季风气候的强度变化与敏感组分的响应关系。结果表明,不同方法提取出的细粒和粗粒组分含量呈现出相同的变化趋势,说明3种方法均适用于南海西北部陆架区环境敏感组分分析。端元组分分析法获得的端元组分的比值 EM1/(EM1+EM2+EM3+EM4),与主成分因子分析法分离出的4个粒级主成分计算得出的综合指标GS,具有相同的变化趋势,可作为东亚夏季风相对强度变化的替代指标; 3种方法综合得出的4.03~8.68 μm细粒组分含量变化也可指示东亚夏季风的强度变化。中更新世气候转型(约0.8-0.9 Ma)之后,东亚季风的变化幅度加剧,夏季风有所增强,冬季风显著增强后减弱; 在0.9 Ma之后,海平面下降造成陆架暴露,粗粒沉积物随之增多。

Abstract

The grain size data of sediments can quantitatively reflect hydrodynamic characteristics and terrestrial material composition,providing comprehensive insights into sea-level fluctuations,regional sources,and climate environmental changes. Among these data,environmentally sensitive factors in the particle size data serve as excellent indicators of sedimentary environment and monsoon intensity. The abundant drilling data from the northwestern shallow water shelf of the South China Sea provide an excellent research platform for studying hydrodynamics and climate change. Based on the particle size analysis of 52 Quaternary samples in the continental shelf area,it is concluded that the continental shelf sediments in the northwest of the South China Sea are primarily composed of clay and silt. From bottom to top,hydrodynamic activity gradually intensifies,resulting in a relatively turbulent overall sedimentary environment,with variations in source input and hydrodynamic activity at different times. To explore the response relationship between the East Asian monsoon intensity and the response of sensitive components,environmentally sensitive components in sediment samples were extracted using the grain-size-standard deviation method,the end-member component analysis,and the principal component factor analysis. The results show that the contents of fine and coarse grain components extracted by different methods exhibit the same trends. Therefore,it is considered that all three methods are suitable for analyzing environmental sensitive components in the northwestern shelf area of the South China Sea. The ratio of EM1/(EM1+EM2+EM3+EM4)obtained by end-member component analysis and the comprehensive index GS calculated from the four particle size main components separated by principal component factor analysis show the same trend and it thus can be used as alternative indicators of the relative intensity of the East Asian winter and summer monsoons. The content variation of 4.03~8.68 μm fine fractions obtained by the three methods can also indicate the intensity variation of the East Asian summer monsoon. After the climate transition in the Mid-Pleistocene Climate Transition(around 0.8-0.9 Ma),the amplitude of East Asian monsoon variations intensified,with a significant strengthening of the winter monsoon. After 0.9 Ma,the shelf is exposed as a result of sea level fall,with a subsequent increase in coarse-grained sediments.

Graphical abstract

关键词

粒度特征 / 环境敏感组分 / 沉积环境 / 第四系 / 南海西北部陆架

Key words

grain size characteristics / environmentally sensitive components / sedimentary environment / Quaternary / shelf of northwestern South China Sea

不同沉积环境的沉积物具有其独特的粒径参数和组合特性。沉积物的粒度参数及其变化规律,是区域物源—沉积物搬运、水动力条件以及气候变化的综合响应(孙有斌等,2003;杨文光等,2007;郝榕荣等,2023)。粒度分析方法主要分为2类,一是以筛析法为核心的传统粒度分析方法,二是基于计算机技术的激光粒度分析(陈秀法等,2002)。

东亚季风是气候系统的重要组成部分(丁大林等,2017),东亚季风的移动和变化影响着南海及其周边陆地区域的降水,进而影响河流沉积物输入的组分及含量。海平面下降时期,气候条件更为干冷,一般伴随着东亚冬季风的增强(张宝方,2015)。在南海西北部区域,前人尝试将黏土矿物(刘志飞等,2007;拓守廷,2008)、孢粉(罗运利和孙湘君,2012)、浮游有孔虫(苏克凡等,2021)、粒度(陈国成等,2007;Boulay et al., 2007;万世明等,2007;杨文光等,2008)、主微量元素(曲华祥和黄宝琦,2019)等作为替代指标,来建立它们与东亚季风演化的内在联系。向荣等(2005)对东海陆架济州岛西南泥质区沉积物样品进行了粒度分析,识别出环境敏感粒度组分,认为其含量和平均粒径变化指示了东亚冬季风的强弱变化。Boulay等(2006)、陈国成等(2007)、郑洪波等(2008)采用不同方法分析了南海海域不同站位的沉积物样品的敏感粒级组分,结果均表明特定的粒度组成能间接指示东亚季风的演化。相对于陆坡和深水区,陆架地区环境敏感粒度组分研究相对薄弱。

本研究基于南海西北部陆架区第四系沉积物的粒度数据,统计分析粒度参数特征,分别采用粒级—标准偏差法、端元组分分析法及主成分因子法提取环境敏感因子,探讨南海西北部陆架沉积物粒度分布特征和水动力条件,以期丰富南海西北部第四纪季风演化的替代指标研究。

1 研究区概况

研究区位于南海西北部陆架海南岛西南海域(图 1)。南海是东亚大陆河流物质的主要沉积区,也是记录东亚季风的理想地点(万世明等,2007)。沿岸流、径流、洋流等的综合作用,导致了南海西北部陆架区复杂的沉积动力条件,加之物源具有多样性,导致其沉积物类型多样(赵利等,2016)。由于受到欧亚板块、印支板块和太平洋板块构造活动的影响,南海西北部新生代盆地处于拉张构造环境,经历了拉张裂陷和裂后热沉降2个主要演化阶段,形成了双层结构盆地(杨鹏等,2017)。

红河、越南河流体系及海南岛沿岸碎屑被认为是南海西北部陆架区主要的沉积物来源,同时可能有珠江、台湾岛等流域的物质贡献(赵利等,2016)。南海西北部陆架区发育了厚层的上新世(莺歌海组下段)—第四纪(莺歌海组上段—乐东组)沉积物。莺歌海组分为上段和下段,属于加速热沉降早期产物,岩性主要为灰绿—灰色泥岩,夹有薄层粉砂岩,该时期沉积环境为浅海—半深海。乐东组为加速沉降晚期产物,岩性主要为浅灰色、绿灰色黏土岩,夹有薄层粉砂、细砂岩,生物碎屑丰富,未固结成岩以浅海相沉积为主。南海作为西太平洋地区受东亚季风气候影响较大的边缘海,其表层和深海的洋流系统发育良好,同时半深海沉积物质亦得到了很好的保存,使其成为研究研究东亚季风演化的理想海域(刘志飞等,2017)。

为更好开展研究,本研究将琼东南盆地乐东组上中下3段分别命名为U1、U2、U3,将莺歌海组分为上下2段,分别命名为U4和U5,本研究目的层段为U1-U4段(图 2)。前人针对YC 8-2-1井上新世—第四纪自然伽马值进行米兰科维奇旋回分析,识别出4.5~5个长偏心率周期(405 kyr)、约20个短偏心率周期(99 kyr)和若干斜率和岁差周期,建立的天文年代标尺与理论时间相匹配(Li et al., 2024)。对比钙质超微化石和浮游有孔虫年龄,建立的年代框架如下: 莺歌海组上段(U4),时间跨度为2.6/2.5—1.8 Ma;乐东组下段(U3),时间跨度为1.8—1.3 Ma;乐东组中段(U2),时间跨度为1.3—0.8 Ma;乐东组上段(U1),时间跨度为0.8 Ma至今。

2 材料和方法

2.1 样品来源及处理方法

南海西北部岩屑样品均取自16°~18°N、109°~111°E海域YC 8-2-1井(图 1),样品均来自于中海石油湛江分公司岩心库。取样层位为莺歌海组上段及乐东组,在南海西北部陆架区YC 8-2-1井共采集沉积物样品52件(取样间隔15~20 m)。自下而上,U4段(1.8 Ma以前)和U3段(1.8—1.3 Ma)以粉砂质泥岩为主,夹薄层细砂岩、泥质中砂岩; U2段(1.3—0.8 Ma)以粉砂质泥岩为主; U1段以砂岩为主,泥岩含量较高,砂砾岩含量少。采用标准粒度分析方法对样品进行处理(郑洪波等,2008;郝榕荣等,2023),并用激光粒度分析仪器测量颗粒直径,之后选择福克和沃德公式(Folk and Ward,1957)对相关粒度参数进行计算。

2.2 环境敏感组分提取方法

1)粒级—标准偏差法(STD)

粒度—标准偏差法是以计算不同粒级含量的标准偏差值为核心的1种数学方法,通常认为标准偏差值较大的1个或多个粒级则组成了环境敏感因子(陈桥等,2013)。敏感因子所对应粒级的标准偏差值越大,表示该粒级形成时的沉积环境越复杂、变化越剧烈(程良清等,2018)。

2)端元组分分析(EMMA)

本研究选择Paterson和Heslop(2015)开发的基于Matlab软件的AnalySize程序,这一程序提供了非参数化EMA和4种参数化EMA方法。确定端元数量的标准一般是结合R²(表示原始粒度数据集与端元的相关程度)、EM R²(表示各个端元之间的相关程度,数值越大说明各端元之间的重合度越高)、θ(端元与样品粒度曲线在形状拟合时的偏离角度)等参数,在拟合效果好且不存在过度拟合的前提下,选择尽可能少的端元数。

3)主成分因子分析法(PCA)

主成分因子分析法是一种针对不同粒级进行关联性分析的方法,将高度相关的粒级成分整合成一个因子,然后对每个因子进行分析,计算其对粒级的贡献率,一般将贡献较大的因子定义为主控因子,该因子对应的粒级范围即为环境敏感组分(陈桥等,2013)。

3 结果

3.1 2.6 Ma以来南海西北部陆架沉积物粒度特征

3.1.1 粒度参数特征

本次研究采用的粒度分级方案为: 黏土(小于5 μm)、细粉砂(5~31 μm)、粗粉砂(31~63 μm)、超细砂(63~125 μm)、细砂(125~250 μm)、中砂(250~500 μm)、粗砂(500~2500 μm)(Blott and Pye,2001)。南海西北部陆架区YC 8-2-1井2.6 Ma以来沉积物以粉砂为主,含量介于44.73%~79.54%之间,平均值为66.93%;黏土次之,含量介于8.7%~26.19%之间,平均值为20.49%;砂含量最低,含量介于2.28%~45.84%之间,平均值为12.59%。

U4段平均粒径主要在8.2~14.11 μm之间,平均值约为11.03 μm;其分选系数σ₁介于1.53~2.05之间,平均值约为1.81,分选较差; 偏度SK₁值较小,分布在-0.28~-0.05之间,平均约为-0.16,均为负偏态; 峰度KG在0.77~1.1之间,平均约为0.93,峰态特征为平坦到中等。U3段平均粒径在8.43~14.87 μm之间,平均值约为11.11 μm;分选系数σ₁主要在1.57~2.08之间,平均值约1.76,分选较差; 偏度SK₁值较小,在-0.24~-0.06区间内,平均值为-0.12,均表现为负偏态; 峰度KG在0.85~1.06之间,平均值为0.97,峰值等级表现为平坦到中等。U2段平均粒径介于9.88~17.88 μm之间,平均值为12.35 μm;分选系数σ₁介于1.73~2.38之间,平均值为1.86,分选较差; 偏度SK₁值较小,在-0.17~0.01区间内,平均值为-0.1,多数表现为负偏态; 峰度KG在0.76~0.99之间,平均值约为0.9,峰值等级表现为平坦到中等。U1段平均粒径主要在9.26~55.5 μm之间,平均值约为20.49 μm;分选系数σ₁在1.37~3.14之间,其平均值约为2,分选差; 偏度SK₁值较小,分布于-0.29~0.02之间,平均约为-0.08,大多数表现为负偏态,部分为正偏态; 峰度KG在0.58~1之间,平均约为0.87,峰态特征描述为平坦到中等(图 3)。

3.1.2 粒度频率曲线特征

频率分布曲线是沉积物的重要参数特征,其中众数和形态的差异对应着不同沉积物的粒径组合类型,因此也指示了不同的水动力环境(潘隆等,2018)。YC 8-2-1井U4-U1段沉积物粒度频率分布曲线各段众数粒径突出,多峰的频率分布特征表明研究区复杂的水动力条件。U4段频率曲线表现为双峰分布,峰值主要在6.5~7.5 φ(细粉砂)、3.5~4.5 φ(粗粉砂—细粉砂)之间。U3段频率曲线呈现为双峰,峰值集中在6~7.5 φ(细粉砂)、3~4 φ(粗粉砂)区间内。U2段沉积物样品整体呈现为双峰,峰值集中出现在7.5 φ、4 φ附近,存在一个样品表现为三峰特征,峰值分别在7.5 φ、4 φ、1 φ附近。U1段频率曲线以不对称双峰为主,少数呈现三峰特征,峰值分别出现于6.5~7.5 φ、3.5~4 φ和0~1 φ区间,表明沉积过程中受到至少2种动力的综合作用。从U4到U2段,频率曲线峰数和峰值无显著变化,反映沉积水动力变化不大; U2到U1段,更多的沉积物样品频率曲线呈现三峰,峰值对应的粒级增大,代表U1段水动力条件相对高能(图 4)。整体来看,U4到U1频率曲线由双峰到三峰,且均在10~12 φ之间出现了很低的尾部,表明水动力条件倾于复杂。

3.1.3 概率累积曲线特征

选择YC 8-2-1井U4-U1段代表性岩性组合的典型沉积物样品绘制概率累积曲线,所选样品的概率累积曲线形态比较相似,为滚动—跳跃—悬浮式。U4段3个样品的概率累积曲线均呈四段式,其中滚动和悬浮组分对应线段的斜率较大,斜率基本大于50°,跳跃组分则包括2个次总体,斜率相对较小,滚动组分和悬浮组分的分选更好,滚动组分和跳跃组分的截点(粗截点)多在4 φ附近,滚动组分含量在5%~20%之间。U3与U4段样品相似,也呈四段式,滚动和悬浮组分对应线段的斜率较大,2个组分的截点在2~4 φ之间,滚动组分含量在5%~10%,跳跃组分含2个次总体,对应的斜率相对较小(图 5)。

U2段累积曲线多呈四段式,少数表现为五段式,各组分对应线段的斜率变化不一; 四段式曲线的截点出现在4 φ附近,滚动组分含量在5%~15%之间; 五段式曲线的截点小于1 φ,滚动组分含量约5%,跳跃组分包含3个次总体。U1段曲线少数呈四段式,多数呈五段式,滚动组分和跳跃组分的截点在0~2 φ之间,对应粒径较粗,滚动组分含量为5%~40%(图 5)。

3.2 2.6 Ma以来南海西北部陆架沉积物环境敏感因子特征

3.2.1 粒级—标准偏差法提取的敏感粒级特征

粒级—标准偏差曲线主要反映沉积物粒度含量在多个粒径范围内所表现出的差异性(丁喜桂等,2010)。YC 8-2-1井U4-U1段沉积物样品的粒级—标准偏差曲线呈“多峰分布”(图 6),这表明沉积物粒度的产生受到多个因素控制。标准偏差曲线的4个峰值分别为0.675 μm、6.72 μm、66.9 μm和516 μm,所对应的环境敏感粒度组分区间分别是0.405~1.13 μm(A0组分)、4.03~8.68 μm(A1组分)、66.9~98.1 μm(A2组分)和516~666 μm(A3组分),其中A0组分含量较少,标准偏差值小,且对应粒级的百分含量变化不大(图 6),本次研究对其不做讨论。A3组分对应的标准偏差值较A1和A2组分更大,说明A3组分的百分含量随时间和沉积环境的变化最为剧烈,对环境变化可能有良好的指示意义。其次,27.4~35.3 μm和211~272 μm标准偏差值偏低,说明它们对环境变化的响应欠佳,不宜作为敏感粒级。

3.2.2 粒度端元组分分析法提取的敏感粒级特征

粒度数据分解为3~5个端元(EM)时,各拟合参数值如表 1所示,当端元数n=4时,EM R²值较小,且R²>0.98,角度偏差小于5°,拟合效果最好; 当端元数量为4时出现明显转折,端元组分数量从4~10时,R²和θ变化微弱(图 7-A,7-B),表明4端元模型满足“最小端元数量与较高的R²”的基本原则,此时R²达到98.99%,即每个粒级中98.99%的方差可以被重建。随端元数量增加,R²变化微弱; 对4个及以上端元的模式,θ均小于5°。由此,4端元组分模式所提供的分辨率更合乎实际需要,且满足最少端元数量及最高再现性的要求。

沉积物样品提取出的4个端元粒度频率分布曲线均为单峰分布,曲线形态接近正态分布,EM1到EM4众数粒级由细变粗。EM1和EM2的众数粒径分别为5.21 μm(7.6 φ)和18.7 μm(5.7 φ),属于细粉砂; EM3的众数粒径为66.9 μm(3.9 φ),属于粗粉砂; EM4的众数粒径为666 μm(0.59 φ),属于粗砂,为粒度最粗的组分。EM1-EM4的主要粒径范围分别为2.75~9.86 μm、8.68~31.1 μm、40.1~111 μm、400~859 μm(图 7-C至7-D)。4个端元中,EM1的峰度较低(0.91),粒度分布范围最广,分选最差(1.11);EM4的峰度最高(1.24),分选最好(0.53)。EM1的含量在25.73%~79.36%范围内变化剧烈,平均含量为58.96%,主要由粉砂和黏土组成。EM2的含量范围为1.55%~40.70%,平均含量为19.14%,主要由粉砂组成,砂含量少。EM3含量范围为2.16%~34.90%,平均含量为19.89%,主要由粉砂和砂组成。EM4含量变化范围为0%~39.33%,且变化较为剧烈,平均含量为2.27%,主要由砂组成,粉砂含量极少,不含黏土(表 2)。

3.2.3 主成分因子分析法提取的环境敏感因子特征

主成分因子分析法广泛应用于南黄海、渤海等海域表层沉积物粒度研究中,主要是将众多沉积物粒度数据中对环境变化敏感的粒级分离出来,用以指示季风演化(冷传旭等,2017)。前人用此方法对中国渤海晚第四纪的沉积记录进行研究,将提取出的4个主控因子组合成一个新的粒度序列(GS),作为亚洲季风强度变化的替代指标,以重建亚洲季风的变化(Yi et al., 2012)。

含量小于0.1%的粒径样品的标准偏差值低(小于0.05),其对环境变化的响应甚微,因此本次研究不对其作讨论。对52个沉积物样品进行主成分因子分析,获得4个主控因子F1、F2、F3、F4,这4个主控因子分别解释了所有粒级的31.466%、21.020%、18.685%和16.753%(表 3),据此可认为这4个主控因子包含了原始数据矩阵方差87%以上的信息,可用来代表 52个沉积物样品的总体粒度变化特征。

粒度主成分F1在5.21 μm处有1个宽广的正相关峰,在586 μm处有1个较狭窄且起伏较低的负相关峰,与其高度相关的敏感粒级组分为1.45~9.68 μm和310~976 μm。粒度主成分F2在66.9 μm处有1个较狭窄的正相关峰,在7.64 μm处有1个较宽广的负相关峰,与其高度相关的敏感粒级组分为35.3~111 μm与F2的相关性高。粒度主成分F3在0.523 μm处有1个狭窄的正相关峰,在272 μm处有1个狭窄的负相关峰,与其高度相关的敏感粒级组分为0.46~1.45 μm。粒度主成分F4在127 μm处有1个狭窄的正相关峰,在21.2 μm处有1个狭窄的负相关峰,与其高度相关的敏感粒级组分为12.7~31.1 μm(图 8)。代表F3的敏感粒级组分(0.46~1.45 μm)含量较少,且变化小,本次研究对其不进行讨论。

4 讨论

4.1 粒度参数特征对沉积水动力的启示

频率分布曲线中,沉积物粒径的峰值分布范围与沉积水动力条件近似成正相关关系,而峰值数目则与沉积环境复杂程度密切相关(张宝方,2015)。若曲线峰值位于粗粒范围内,则说明水动力能量高; 反之则低。沉积动力学研究结果表明,各种成因组分的含量因搬运方式、搬运距离等因素的不同可存在差异,一般情况下单成因组分的频率曲线为单峰分布,多成因组分的频率曲线为多峰分布(孙华杰等,2018)。

陆架区YC 8-2-1井第四系沉积物粒度特征在垂向上变化具有一定的规律性。U4段沉积物以细粉砂为主,分选较差(1.53~2.05),呈多成因组分、双峰分布的频率曲线,峰值主要在6.5~7.5 φ、3.5~4.5 φ区间,概率累积曲线呈四段式,粗截点在4 φ附近; U3段沉积物粒度与分选较U4段变化不大,频率曲线呈双峰,峰值对应的粒度稍有变粗,概率累积曲线也表现为四段式。说明U4和U3段水动力能量相似,双峰分布的频率曲线以及四段式概率累积曲线反映了相对复杂的水动力过程。

U2段沉积物以细粉砂为主,较U4和U3段粒度更粗、分选更差(1.73~2.38),该段频率曲线主要呈双峰分布,有一个沉积物样品呈三峰,三峰曲线峰值对应的粒度最大约为1φ,概率累积曲线四段式居多,少数表现为五段式,粗截点所对应的粒度增大,表明U2段时期水动力能量增强。U1段沉积物粗粒度组分含量最高,以细粉砂为主,含粗粉砂夹层,平均粒径变化区间大,分选差(1.37~3.14);该段频率曲线多数呈双峰,部分呈三峰分布,三峰曲线峰值出现在0~1 φ,概率累积曲线多数呈五段式,少数呈四段式,滚动组分含量增加,综合来看U1段沉积期水动力能量进一步增强且变化复杂。

总结起来,U4到U3段跳跃组分分选稍有变好,U3到U2段跳跃组分次总体个数有所增加,指示U2段沉积期搬运动力波动; U2到U1段更多的沉积物样品表现为五段式曲线,且粗截点对应的粒径变粗、含量增大。Visher(1969)指出滚动组分若在35%以上,则表示截点较粗的曲线可能对应急流沉积,且含量越高水流越湍急。综合来看,U4到U1段,滚动组分和跳跃组分的截点呈逐渐变粗的趋势,滚动组分含量增加,由此可推断U4到U1段水动力能量呈变强的趋势,其中U1段水动力能量最强且最为动荡。

4.2 不同方法提取的环境敏感因子比较分析

对比国内关于不同海域岩心敏感粒级的研究成果可知,粒级—标准偏差法提取的敏感组分范围主要依靠估测; 此外,这种方法注重对粒度整体性的考量,可能会忽略个体之间的差异性(Wan et al., 2007)。与粒级—标准偏差相比,端元组分分析法更具综合性,每个端元有其对应的真实物理意义,这种方法本质上是一种模拟沉积物亚群的数学方法,由于地质时期的沉积物源多样性及运输动力的复杂性,很难将所有端元完全分离。主成分因子分析法主要用于分析某种动力机制的粒度主成分,它比粒级—标准偏差法更具有统计意义,能更加准确地识别出不同粒度组分之间的关联性(表 4)。

YC 8-2-1井沉积物通过粒级—标准偏差法(STD)提取出3个环境敏感组分,对应的粒级分别为4.03~8.68 μm(A1)、66.9~98.1 μm(A2)、516~666 μm(A3);端元组分分析法(EMMA)提取出4个环境敏感组分,对应的粒级分别为2.75~9.86 μm(EM1)、8.68~31.1 μm(EM2)、40.1~111 μm(EM3)、400~859 μm(EM4);主成分因子分析法(PCA)提取出4个环境敏感组分,对应的粒级分别为1.45~9.86 μm(F1-1)、12.7~31.1 μm(F4)、35.3~111 μm(F2)、310~976 μm(F1-2)。3种方法选用的粒度参数和计算过程存在一定差异,提取出的敏感粒级具有一定的兼容性,且含量随深度变化的趋势高度吻合(图 9-A至9-C),表明3种方法均适用于本研究区环境敏感组分的提取。其中,主成分因子分析法提取出的因子F4(12.7~31.1 μm)在粒级—标准偏差法中的A1-A3并未得到很好的体现,究其原因是F4对应粒级的标准偏差值过低,即在这一粒径范围内粒度含量变化不明显。

4.3 敏感组分的解释及其环境指示意义

针对南海沉积物粒度敏感组分以及季风演化,前人已做了大量的研究,总结发现0~15 μm范围内的细粒组分通常被认为是东亚夏季风的有效指标(Boulay et al., 2007;杨文光等,2008;郑洪波等,2008;李明坤,2018),16~63.5 μm区间一般可以指示东亚冬季风强度(Boulay et al., 2006;杨文光等,2007;郑洪波等,2008)(表 4),不同研究区提取出的敏感粒级范围存在一定差异。

研究表明,夏季风增强会导致降水量增加,河流输入的细粒成分也随之增多,而冬季风的增强往往伴随着相对干冷的气候条件,此时更多的粗粒物质和粉尘物质被搬运至南海西北部(杨文光等,2008)。因此,细粒和粗粒组分含量的变化可分别用作东亚夏季风和冬季风演化的替代指标。EM1-EM4是具有实际物理意义的端元组分,前人对南海西北部陆源碎屑多解释为河流搬运(夏季风)和风尘搬运(冬季风)作用的共同结果,一般将细粒组分解释为河流泥,中间组分解释为河流粉砂,粒径较粗的组分则解释为风尘(Wang et al., 1999;Wan et al., 2006,2007)。因此,将本次端元分析获得的EM1和EM2解释为河流输入的泥和粉砂; EM3的粒径更接近南海西北部的风尘组分(Boulay et al., 2007;Wan et al., 2007;李明坤,2018),然而,只有很少一部分风尘物质可以沉积在南海西北部(Boulay et al., 2007;Wan et al., 2007),且目的层段富含生物碎屑,因此推测EM3为海洋生物碎屑和陆源碎屑的混合组分; EM4则可能反馈了流水搬运而来的陆地近源粗粒物质。

为了更好表征粒度特征变化对环境的影响,用 EM1/(EM1+EM2+EM3+EM4)表示端元组分分析法提取出的细粒物质在沉积物总体的占比; 另将主成分因子分析法提取出的4个分量组合成一个新的粒度序列(GS),计算出F1-F4与其平方载荷之和,公式如下:

GS=0.3579×F1+0.2391×F2+0.2125×F3+0.1905×F4

GS序列与再悬浮强度有关。流速的增大、再悬浮强度的增强,导致泥沙中粗粒减少、细粒增多,GS随之增大,因此可以用GS序列来表示东亚季风强度(Yi et al., 2012)。当东亚冬季风增强时,河流作用减弱,粗粒物质增多,GS值减小; 当东亚夏季风增强时,河流作用增强,细粒物质增多,GS值增大(郝榕荣等,2023)。GS序列与 EM1/(EM1+EM2+EM3+EM4)变化趋势一致(图 9-D),均反映了沉积物中的细粒物质的变化,可作为夏季风相对强度变化的替代指标。将本次研究成果与前人对南海东亚季风演化的研究(Clift,2006;Wan et al., 2006, 2007;Sun et al., 2010)进行对比分析,可进一步探讨研究区2.6 Ma以来敏感粒级对东亚季风的指示作用。

在2.6—1.8 Ma沉积时期(U4),GS序列和 EM1/(EM1+EM2+EM3+EM4)值均表现为先增后减的变化趋势(图 9-D),表明这一时期水动力先增强后减弱,与提取出的细粒组分含量变化趋势一致,东亚夏季风也增强后减弱,这与黄土高原灵台黄土记录的东亚冬季风气候(图 9-H)相对应。在1.8—1.3 Ma(U3),GS序列和 EM1/(EM1+EM2+EM3+EM4)值进一步减小(图 9-D),表明这一时期水动力减弱,冬季风增强,这与灵台黄土和南海北部风尘堆积所记录的冬季风变化趋势一致(图 9-H,9-I)。在1.3—0.8 Ma(U2)阶段(中更新世过渡阶段),3种方法提取出的敏感组分含量都表现为在0.9 Ma之前变化较稳定,幅度相对较小,而在0.9 Ma之后变化幅度增大(图 9-A至9-C),这与中更新世气候转型(Mid-Pleistocene Climate Transition,MPT)后全球冰期—间冰期旋回的周期和强度加大有关,转型后冰期旋回的周期由40 kyr演变为100 kyr,转型后海平面升降幅度可达120 m(拓守廷,2008)。GS和 EM1/(EM1+EM2+EM3+EM4)值在0.9 Ma之前呈逐渐减小的趋势,表明此时冬季风增强,在0.9 Ma之后明显增大,曲线斜率增大,表示此时冬季风和夏季风均增强,且变化幅度大,这一现象与灵台黄土和南海北部风尘堆积所记录的冬季风(图 9-H,9-I)和南海西南部黏土/长石和北部Hm/Gt(赤铁矿/针铁矿)所记录的夏季风(图 9-E,9-F,9-G)变化趋势一致。0.8 Ma以来(U1),南海西北部的温度变化幅度加剧,陆源碎屑堆积速率也逐渐增大(金海燕和翦知湣,2008;拓守廷,2008)。干冷的气候条件及海平面高幅下降导致由陆地近源搬运而来的粗粒物质突增,GS和 EM1/(EM1+EM2+EM3+EM4)值在0.7 Ma附近出现谷值(图 9-D),表明此时冬季风强度最大,与灵台黄土和南海北部风尘堆积所记录的冬季风有相似的变化趋势(图 9-H,9-I)。0.7 Ma之后,GS和 EM1/(EM1+EM2+EM3+EM4)值增大,3种方法所提取出的细粒组分含量均表现出增加趋势,指示夏季风有所增强。

本次研究使用的3种方法提取出的细粒敏感粒级高度重合,且它们的含量变化趋势一致,其中粒级—标准偏差法提取出的细粒组分(4.03~8.68 μm)为三者的交集,能较好地反映夏季风的变化趋势(图 9-A,9-F);据此,认为4.03~8.68 μm组分可作为东亚夏季风的替代指标。

研究区处于陆架区,沉积物搬运距离相对短,导致粒级整体较粗,提取出的粗粒组分主要出现在中更新世气候转型之后,高幅海平面升降,河口处发生显著的溯源侵蚀作用,利于粗颗粒沉积物的搬运和就地沉积。受限于粗粒组分的样品数量限制,本研究不讨论东亚冬季风的粒度替代指标。

5 结论

基于南海西北部陆架YC 8-2-1井52个第四系沉积物样品的激光粒度数据,通过粒度特征分析,利用粒级—标准偏差法、端元组分分析、主成分因子分析3种方法提取环境敏感粒度组分,得到以下的认识。

1)南海西北部陆架沉积物主要由粉砂和黏土组成,沉积物粒度总体分布集中,双峰或多峰的频率曲线可能反馈了多种水动力影响。U4-U1段沉积物粒度自下而上呈“细—粗”的变化趋势,水动力环境趋于复杂动荡,水动力作用逐渐增强。

2)粒级—标准偏差法、端元组分分析法及主成分分析法提取出的粒级组分呈现出相同的变化趋势,均适用于南海西北部环境敏感组分的提取。端元组分分析提取出的4个敏感组分可解释为: EM1和EM2表示河流输入的泥和粉砂; EM3代表海洋生物碎屑和陆源碎屑的混合物质; EM4为近源陆地物质。

3)GS和 EM1/(EM1+EM2+EM3+EM4)值可反应东亚夏季风相对强度变化,同时本次研究认为4.03~8.68 μm的粒级组分含量变化可作为南海西北部第四纪夏季风强度变化的替代指标。

4)在中更新世气候转型(0.9 Ma)后,冬季风显著增强,且变化幅度加剧,同期夏季风也有所增强; 冰期—间冰期旋回的海平面波动周期和幅度加大导致大部分陆架暴露,有利于粗粒沉积物的形成和就地沉积。

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基金资助

*四川省科技计划资助-自然科学基金(2023NSFSC0810)

国家自然科学基金项目(41902124)