葛淑蘭 陳志華 劉建興，3 黃元輝 王汝建 閆仕娟

0 引言

南極沉積物通常采用火山灰年代學(xué)、放射性碳同位素測年方法進(jìn)行年代厘定。在海洋沉積物中，放射性碳同位素測年的最佳材料是鈣質(zhì)有孔蟲，但南極冷的水體不利于它們的保存，所以通常不得不采用沉積物有機(jī)質(zhì)進(jìn)行測年［1-2］。然而這些有機(jī)質(zhì)常常會受到沉積物再沉積、成巖及生命效應(yīng)的影響，鮮有非常好的結(jié)果［3］。而且，由于南極水團(tuán)在空間和時間上的變化，導(dǎo)致不同地區(qū)和水深條件下碳儲庫校正值的變化也很大［1-3］。因此有機(jī)碳測年數(shù)據(jù)通常只能提供比較粗糙的年代信息，而千年尺度上的古環(huán)境和古海洋研究需要其他年代方法的補(bǔ)充。

南極沉積物相對地磁場強(qiáng)度和方向研究就是這方面的嘗試。南極半島西部的帕默深盆地（Palmer Deep Basin），位于布蘭斯菲爾德海峽西南部，之間僅以昂韋爾島（Anvers Islands）相隔，直線距離大約為475 km。該盆地內(nèi)的ODP 1098和1099站位巖芯記錄了全新世以來高分辨率（0.17—0.25 cm·a－1）的地磁場強(qiáng)度和磁傾角變化，不同鉆孔之間磁傾角的一致變化，表明南極冰川海洋沉積物可以記錄地磁場的長期變化［4］。然而由于濁流沉積在帕默深盆地普遍存在，且主要載磁礦物在磁鐵礦和鈦磁鐵礦之間變動，使得巖芯所獲得的地磁場強(qiáng)度帶有強(qiáng)烈的氣候印記的影響，某些時段的相對地磁場強(qiáng)度與全球偶極子場變化存在顯著差異［4］。Willmott等［5］報(bào)道了布蘭斯菲爾德盆地內(nèi)兩個巖芯記錄的8 500 a以來的地磁場強(qiáng)度結(jié)果，其與帕默深盆地沉積物不同，巖石磁學(xué)結(jié)果揭示海峽內(nèi)沉積物的磁性均勻，載磁礦物主要為磁鐵礦，只在火山灰層位可能有高矯頑力的鈦赤鐵礦存在。盆地內(nèi)兩個巖芯疊加的相對地磁場強(qiáng)度變化與加拿大圣勞倫斯海灣記錄［6］的8 500 a以來的曲線一致性極好，而后者有詳細(xì)的有孔蟲放射性測年，因此相對地磁場強(qiáng)度提供了這兩個巖芯沉積物的年齡框架［5］。

需要指出的是，并非所有的沉積物都能夠記錄可靠的相對地磁場強(qiáng)度和方向，如果沉積物的磁性不均勻，也就是主要的載磁礦物并非單一的（鈦）磁鐵礦，磁性礦物含量變化幅度超過10倍，并且其磁性礦物的顆粒大小相差極大，都會不同程度地影響其所記錄相對地磁場強(qiáng)度的可靠性［7-8］。另外，在還原的水體環(huán)境下，沉積物經(jīng)常會受到沉積后的化學(xué)改造作用，致使原生的磁性礦物遭到破壞，或者生成具有未知時間滯后剩磁的自生磁性礦物，都會破壞原始和實(shí)時的地磁場強(qiáng)度信號，使之被扭曲，不能與其他記錄相對比，比如我們在日本海南部Ulleung盆地的巖芯由于早期成巖作用，其“地磁場強(qiáng)度”指標(biāo)與標(biāo)準(zhǔn)地磁場曲線有明顯差異［9］。因此要獲得可靠的相對地磁場強(qiáng)度結(jié)果作為年齡標(biāo)尺，首先需要了解沉積物是否為原始無擾動沉積（排除濁流或人為擾動），其次查清主要載磁礦物及其性質(zhì)，最后對獲得的相對地磁場強(qiáng)度及其歸一參數(shù)進(jìn)行譜分析和相關(guān)性分析，選擇最少受到氣候印記影響的歸一參數(shù)和相對地磁場強(qiáng)度結(jié)果。

本文對布蘭斯菲爾德海峽內(nèi)位于中東部盆地之間的沉積巖芯進(jìn)行了相對地磁場強(qiáng)度、方向和初步的環(huán)境磁學(xué)研究，以期在查明主要載磁礦物性質(zhì)基礎(chǔ)上獲得可靠的相對地磁場強(qiáng)度和方向記錄，與該孔的有機(jī)碳測年數(shù)據(jù)相結(jié)合，為該巖芯提供連續(xù)的年代學(xué)標(biāo)尺，為后續(xù)的古氣候?qū)W和古海洋學(xué)研究奠定基礎(chǔ)。

1 布蘭斯菲爾德海峽地質(zhì)背景

布蘭斯菲爾德海峽是一個狹長的NE-SW方向伸展的負(fù)向構(gòu)造單元，位于南極半島地區(qū)北端南舍得蘭群島和南極半島之間。海峽內(nèi)自西向東分布著3個水深超過1 000 m的深海盆：西海盆、中海盆和東海盆（圖1），D1-7位于中海盆和東海盆之間的相對高地上，因此避免了碎屑流和濁流的影響。在末次冰期時，該海峽被陸地冰架覆蓋，在海峽西部海底留下冰堆丘等地形［2］，因此海峽內(nèi)的沉積物應(yīng)多屬于全新世冰消期和冰后期沉積。

布蘭斯菲爾德海峽內(nèi)的表層流包括來自海峽西部別林斯高晉海（Bellingshausen Sea）自西向東流動的溫暖水體，南舍得蘭群島北部環(huán)繞南極大陸分布的南極繞極流和來自威德爾海（Weddell Sea）、自東向西的高密度冷水。來自別林斯高晉海的溫暖水團(tuán)只影響到中布蘭斯菲爾德海盆，中東部海盆主要為南極繞極流和威德爾海冷水所控制（圖1）。

圖1 布蘭斯菲爾德海峽相關(guān)鉆孔及其流系分布.黑色箭頭指示南極繞極流，藍(lán)色箭頭來自威德爾海的高密度冷水，紅色箭頭為來自別林斯高晉海的溫暖偏淡水團(tuán)。WBB，CBB，EBB分別是西、中和東布蘭斯菲爾德海盆。其他鉆孔信息：Palmer Deep 1098，1099［4］，鉆孔32，33［5］，鉆孔 A9-EB2［1］，來自比克島鉆孔（BI）［10］。海流簡圖引自文獻(xiàn)［1］Fig.1.Position of core D1-7 and others and circulation in Bransfield Strait，Antarctica.The dark arrow is Antarctic circumpolar current，blue arrow isWeddell cold water with high density，red arrow iswarm and fresh water from Bellingshausen Sea in thewest.WBB，CBB，EBB are west Bransfield Basin，central Bransfield Basin and east Bransfield Basin，cores 32，33 from Ref［5］，A9-EB2 from Ref［1］，cores of Beak Island（BI）from Ref［10］.The circulation scheme is from Ref［1］

2 沉積巖芯和研究方法

D1-7取自2012年中國第28次南極科學(xué)考察航次，為重力取樣器采取。該巖芯位于布蘭斯菲爾德海峽中部海盆與東部海盆之間的相對高地（62°16.163′S，56°35.457′W，水深 1 100 m，頂部5 cm在切割PVC管時損失）。沉積物為軟塑性、橄欖灰色黏土，自頂?shù)降讕r性均勻。巖芯在船上被切割成3段保存（0—0.99 m，0.99—1.98 m，1.98—3.07 m），但切割前未做統(tǒng)一定向。1.67—1.69 m發(fā)現(xiàn)一個青色扁平礫石，剖面上顯示為1 cm×5 cm，扁平面水平。2.15—2.215 m處出現(xiàn)黑色粗顆粒物質(zhì)（圖2），其上部（2.15—2.205m）黑色顆粒成分散狀，下部（2.205—2.215 m）成清晰水平層狀，與下部突變接觸，為典型火山灰層，此外無清晰層理顯示。除了成層火山灰外，在巖芯的0.38—0.42 m有散落的黑色物質(zhì)，其下部 0.46—0.55 m有粗顆粒砂團(tuán)塊（圖2，a）。

巖芯在航次后均存放在中國極地研究中心樣品庫（上海），并于2012年7—8月在中國極地研究中心集中剖開采樣。巖芯被分成工作和保存兩個半芯。古地磁樣品是沿著工作半芯的中央位置，連續(xù)扣取立方體無磁性小盒樣品（邊長2 cm），盒子底部箭頭表示向下方向。共獲得152個定向樣品。所有樣品首先在Kappabridge磁化率儀上進(jìn)行無損的磁化率各向異性測量（X、Y軸標(biāo)定在巖芯上表面，與盒子底部Z軸組成右手螺旋），以判斷沉積物是否受到自然或者人為的擾動。隨后在2G-760超導(dǎo)磁力儀上依次對樣品進(jìn)行交變場系統(tǒng)退磁，最高退磁場是80 mT，30 mT前的步長為5 mT，之后為10 mT。最后在100／0.05mT交變場和直流場作用下獲得非磁滯剩磁。所有的磁學(xué)實(shí)驗(yàn)均在中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所古地磁實(shí)驗(yàn)室完成。

3 結(jié)果

3.1 環(huán)境磁學(xué)性質(zhì)

巖芯體積磁化率（κ）的突出特征是 2.15—2.215 m火山灰層異常高值（＞90×10－5SI），其他正常沉積物磁化率在60—80×10－5SI之間，變化不大（圖2，c）。盒子內(nèi)樣品的濕重（因?yàn)楹凶訛榈润w積，因此可以看作濕密度）大多在6—6.5 g之間變化，而火山灰層密度明顯增加（圖2，b）。整個巖芯的濕密度與磁化率線性正相關(guān)（R2＝0.55，N＝152），樣品扣壓不滿導(dǎo)致的誤差應(yīng)小于5%（～0.3 g）。巖芯最表層的濕重異常高值為含水量增加所致。除了火山灰影響層位的極高值，非磁滯剩磁（ARM）在整個巖芯中相當(dāng)穩(wěn)定，與磁化率不同，ARM自下而上有一個逐漸增加的趨勢（圖2，d、e）。當(dāng)磁鐵礦為主要載磁礦物，非磁滯剩磁磁化率（κarm，以直流場強(qiáng)度歸一的非磁滯剩磁數(shù)值）和磁化率的比值應(yīng)是磁性礦物顆粒大小的指標(biāo)。與ARM相似，κarm／κ也具有自下而上增加的趨勢，2.02 m以下的變化幅度比上部大（圖2，f、g）。天然剩磁的中值退磁場（MDF）是樣品剩磁降至1／2時所加的交變磁場，當(dāng)沉積物剩磁為穩(wěn)定、單一分量時，該參數(shù)是矯頑力大小的量度，而當(dāng)磁鐵礦為主要載磁礦物時矯頑力與磁鐵礦粒度相關(guān)，矯頑力越大磁性礦物粒度越小［11］。整個巖芯的 MDF比較低（24—34 mT），表明主要載磁礦物為低矯頑力的磁鐵礦。MDF在整個巖芯中也有清晰的分段性，0—0.98 m和 2.02—2.32 m一般高于 30 mT，0.98—2.02 m和 2.32—3.06 m則低于30mT。比較MDF和κarm／κ發(fā)現(xiàn)，兩者具有同步的變化規(guī)律，反映整個巖芯自下而上有2個從粗到細(xì)的旋回（圖 2，g、h）。

與上述磁學(xué)性質(zhì)相似，磁化率各向異性（AMS）特征也顯示了階段性變化（圖3）。第一階段0—2.02 m的長軸和短軸磁偏角明顯受到取樣過程的影響，沿著分樣坐標(biāo)下的Y和X軸優(yōu)勢分布（圖3a）。而第二階段（2.02—3.06 m）的長短軸磁偏角則與 X、Y軸方向有一定角度的偏離（40°—50°），可能為比較真實(shí)的偏角記錄（圖3b）。而這上下兩段巖芯磁面理（F）、磁線理（L）和磁各向異性度（P′）之間的相關(guān)關(guān)系也截然不同。上段的磁面理和磁線理均與各向異性度正線性相關(guān)，且數(shù)值相近，所以導(dǎo)致F-L的Flynn圖上樣品大多處于對角線下部，即表示磁性礦物總體排列方式為扁長狀（實(shí)心）。與此相對的，下段樣品的磁面理顯著增加，磁線理隨之降低，因此樣品多處于Flynn圖上部，即磁性礦物總體排列方式為扁圓狀（空心）（圖3c）。從本文結(jié)果推測：扁長狀排列的磁組構(gòu)方向較容易受到取樣的影響，從而產(chǎn)生沿著分樣坐標(biāo)軸（巖芯剖開面）分布的現(xiàn)象。而本孔沉積物的高含水量和軟塑性土力學(xué)特征可能是促使這種現(xiàn)象產(chǎn)生的原因。我們發(fā)現(xiàn)扣壓進(jìn)半芯的盒子表面普遍低于周圍樣品，說明樣品在下壓過程中壓縮，平行于Y和X軸的盒子側(cè)面分別產(chǎn)生了長短軸磁偏角的上述偏離。

磁化率各向異性三個主軸的方向也為三段分布。與上、下兩段短軸傾角接近垂直不同（圖3d、3f），巖芯中間段（0.98—2.20 m）磁化率橢球體短軸和中軸傾角均有頻繁的“異?！逼x，在垂直長軸的垂直面散布（圖3e）。與通常的長、中軸水平和短軸垂直的“正常沉積組構(gòu)”相比，這種中、短軸偏離往往與底流流速增加有關(guān)，而非沉積物的擾動［12］。雖然整個上部2.02 m的AMS偏角受到樣品壓縮的影響，中軸和短軸截然不同的分布特征表明傾角受到的影響不大，這一點(diǎn)將在后面討論。表層多個樣品的短軸偏離垂直方向，最合理的解釋為擾動所致。

圖2 南極半島D1-7巖芯的沉積和環(huán)境磁學(xué)參數(shù).（a）南極半島D1-7巖性簡圖，自上而下分別是：0.38—0.42 m為散落的火山物質(zhì)，0.46—0.55 m為砂質(zhì)團(tuán)塊，1.67—1.69 m為礫石，2.15—2.215 m為火山灰層，其他為無層理灰色粉砂質(zhì)黏土；（b）立方體樣品濕重，4個空心箭頭表示不太滿的小盒子樣品位置，其濕重和磁化率應(yīng)該稍大；（c）體積磁化率，（d）非磁滯剩磁；（e）放大的非磁滯剩磁（去除火山灰層高值）；（f）非磁滯剩磁磁化率與磁化率比值；（g）放大的非磁滯剩磁磁化率與磁化率比值；（h）中值退磁場，箭頭為圖4中典型樣品位置，分屬于粗細(xì)粒度層位Fig.2.The lithology and rock magnetic parameters in core D1-7.（a）Schematic lithology plot for core D1-7.From top to bottom are scattered dark tephra at0.38—0.42 m，sand conglomerate at0.46—0.55 m，pebble at1.67—1.69 m and layered tephra at 2.15—2.215 m，and others cross filled are gray silty clay；（b）Wet weight of cubic samples，arrows refer to not fully filled sample in the box，then weight andκshould have been larger；（c）Volumemagnetic susceptibility（κ）；（d）Anhysteresis remanentmagnetization（ARM）；（e）Enlarged ARM without tephra layer；（f）Ratio ofκARM andκ；（g）EnlargedκARM／κ；（h）Median destructive field（MDF）.Arrows refer samples in Fig.4

圖3 巖芯D1-7的磁化率各向異性特征．未經(jīng)過絕對方向校正0—2．02 m的（a）短軸偏角（D min）和長軸偏角（D max），2．02—3．06 m；（b）短軸偏角和長軸偏角，可見偏角方向在上部受到人工擾動的影響，分別有沿著X和Y軸（分樣坐標(biāo)）分布的趨勢；（c）磁面理、磁各向異性度和磁線理之間的關(guān)系．實(shí)心點(diǎn)／空心點(diǎn)為2．02 m上部／下部樣品，下部樣品明顯以磁面理發(fā)育為主，磁面理與各向異性度線性相關(guān)程度高于上部（左），且與磁線理不相關(guān)（中），磁化率橢球體扁圓狀排列發(fā)育（右）；（d）0—0．98 m磁化率橢球體三個主軸方向投影圖，注意1?！?＃的近表層樣品異常分布與擾動有關(guān)；（e）0．98—2．02 m磁化率橢球體三個主軸方向投影圖；（f）2．02—3．06 m磁化率橢球體三個主軸方向投影圖．方形為長軸，圓形為短軸，三角為中軸．圖中數(shù)字為樣品編號，2 cm間隔，1?！?＃為0—14 cm，20?！?1＃為38—40 cm，這些樣品長軸正常，而中短軸則偏離正常水平和垂直位置，可能為擾動影響．83＃，98＃分別位于礫石附近和第二段最后一個樣品，推測為擾動．152＃為巖芯最后一個樣品，擾動．圖（d）—（f）的雙箭頭線段為可能的底流方向，從NW-SE轉(zhuǎn)為NNE-SSW，再到NE-SW方向，方向經(jīng)過圖5，b中剩磁偏角校正．從中短軸方向分布看中間段的流速應(yīng)高上段和下段Fig．3．Anisotropy ofmagnetic susceptibility in core D1-7．Not oriented 0—2．02 m（a）Declination ofminimum and maximum axis，2．02—3．06 m（b）Declination ofminimum andmaximum axis．The declinationsmighthave been affected by artificial disturb-ance because they focus along X and Y axis of sampling coordinate．（c）Relationship between foliation，anisotropy degree and lineation．Solid／open are samples from above／below 2．02 m．Foliation dominates in the lower part，with higher foliation and anisotropy degree than that ofupper part（left）and not linearly correlated with lineation（middle），the alignmentofellipsoid is oblate（right）．Projection of anisotropy ellipsoid ofmagnetic susceptibility（d）at0—0．98 m，（e）at 0．98—2．02 m，（f）at 2．02—3．06 m，square is maximum axis，circle is minimum axis and triangle is intermediate axis．The numbers in figure（d）—（f）is sample number，1＃—7＃is 0—14 cm，20?！?1＃is38—40 cm．The normalmaximum axis but abnormal intermediate and minimum axis indicate possible disturbance．83＃and 98＃lies near the pebble and the bottom of second section of the core，so deviation from others also indicative of disturbance．152＃is the last sample of the core，reasonably disturbed．The double arrow lines in Figure（d）—（f）refer direction change of bottom current from NW-SE，then NNE-SSW and finally NESW．Themiddle part should have higher velocity than the overlying and underlying part judged from the AMS pattern

3． 2 交變退磁特征

來自不同MDF數(shù)值范圍的樣品在0—80（／90）mT退磁過程中均表現(xiàn)為穩(wěn)定的單一剩磁分量，在0．98—2．02 m MDF最低層位的剩磁偏角一般沿著N向（未校正）分布，較之MDF較高層位稍顯彎曲，同時粘滯剩磁很小，一般在5 mT之前已經(jīng)被去除（圖 4，1．04—1．06 m，1．64—1．66 m）。

圖4 鉆孔D1-7天然剩磁的交變退磁Z氏投影圖．樣品位置見圖2，g．空心和實(shí)心分別為樣品剩磁在垂直和水平方向上的投影，圖中數(shù)字為交變場退磁場mT，1個單位等于10－7 Am2Fig．4．Z plot of alternate field demagnetization of remanece in core D1-7．The position of samples sees Fig．2，g．Open and solid are vertical and horizontal projection，the number in the Figure is AFD field inmT，one unit of the scale is 10－7 Am2

3． 3 地磁場方向和強(qiáng)度及其對年齡的厘定

由上述巖石磁學(xué)性質(zhì)可知，除火山灰層外D1-7巖芯的磁性均勻，主要的載磁礦物為低矯頑力磁性礦物，磁性礦物粒度均勻（κarm／κ），磁性礦物含量（ARM和κ）變化＜10倍范圍。磁化率各向異性特征在上下兩段為正常的沉積組構(gòu)，最短軸傾角接近垂直，長軸水平（圖3d，3f）；在短軸偏離的中間層段對應(yīng)的是扁長狀排列磁性礦物組構(gòu)，磁性顆粒在增強(qiáng)的底流作用下垂直于長軸方向滾動，產(chǎn)生“滾動”沉積組構(gòu)（圖3e）。同時，沉積物特征剩磁方向清晰、穩(wěn)定和單一，反映沉積物記錄的是地磁場自身的強(qiáng)度和方向信號。因此符合構(gòu)建相對地磁場強(qiáng)度的條件。能夠影響地磁場記錄的唯一特征是上部2．02 m的AMS磁偏角顯示沉積物受到取樣壓縮，因此對地磁場剩磁的方向和強(qiáng)度可能產(chǎn)生一定影響。下面我們首先給出沉積物記錄的地磁場強(qiáng)度和方向結(jié)果，進(jìn)而探討受到取樣壓縮的沉積物記錄的可靠性。

經(jīng)過主向量分析得到的特征剩磁傾角在－10°到－80°之間變動，比該位置處的軸向偶極子緯度（圖5，b虛線51．6°）要陡，似乎暗示沉積物為欠壓實(shí)狀態(tài)。表層除外，有兩段磁傾角淺于－45°出現(xiàn)在1.77—1.91 m和 2.71—3.05 m。與磁傾角的較大幅度變化不同，統(tǒng)一校正后的磁偏角僅僅在巖芯底部有較大幅度的變化，與第二個變淺的磁傾角段對應(yīng)（圖 5，c）。

基于圖4顯示的交變退磁特征，我們?nèi)〗?jīng)過20 mT交變退磁的剩磁作為沉積物特征剩磁（圖5，d），它與磁化率和非磁滯剩磁的比值作為兩個地磁場相對強(qiáng)度指標(biāo)（圖5，e、f）?？梢姷卮艌鱿鄬?qiáng)度基本與特征剩磁變化一致，與具有相似高分辨率的西布蘭斯菲爾德海盆［5］記錄相似程度最高（圖5，dg）。依據(jù)曲線整體的形態(tài)特征，以及巖芯的全樣有機(jī)碳測年結(jié)果，D1-7超過3 m的巖芯記錄了大約8 ka的歷史（圖 5、6）。雖然 Willmott等［5］的磁傾角和強(qiáng)度變化與本孔地理位置最近，結(jié)果的可比性也最高，但是我們認(rèn)為其與目標(biāo)曲線的對比有誤差，因此我們主要引用來自南美瑪珥湖（Laguna Potrok Aike，LPA）湖泊的強(qiáng)度和磁傾角年齡，共計(jì)獲得了9個對比點(diǎn)（圖5，a、h）。對兩個地磁場強(qiáng)度和歸一參數(shù)的相關(guān)分析均未發(fā)現(xiàn)高于80%的相關(guān)性，表明地磁場強(qiáng)度未受到氣候因素的影響。

表1 巖芯D1-7與南美瑪珥湖地磁場強(qiáng)度和方向?qū)Ρ犬a(chǎn)生的對比點(diǎn)Table 1.Tie points through secular variation comparison with LPA record

圖5 南極半島D1-7巖芯古地磁結(jié)果、相對強(qiáng)度與南半球其他記錄的對比.（a）南美LPA湖泊地磁場磁傾角（D1-7）；（b）地磁場傾角；（c）相對磁偏角；（d）特征剩磁；（e）地磁場相對強(qiáng)度 NRM20mT／κ；（f）地磁場相對強(qiáng)度（NRM／ARM）20mT，虛線為巖芯接頭位置，強(qiáng)度曲線上去除了兩個巖芯接頭和火山灰層）。箭頭旁邊的數(shù)字為沉積物有機(jī)碳AMS測年結(jié)果，實(shí)心箭頭為有孔蟲結(jié)果（王汝建等，未發(fā)表）。兩個灰色填充段磁傾角淺于－45°；（g）西布蘭斯菲爾德海盆WBB地磁場相對強(qiáng)度［5］，（h）南美瑪珥湖地磁場相對強(qiáng)度［11］Fig.5.Inclination and relative paleointensity in D1-7 and comparison with other records.（a）Declination in LPA of South America；（b）Inclination；（c）Relative declination；（d）Characteristic remanence NRM20mT；（e）Relative paleointensity NRM20mT／κ；（f）Relative paleointensity（NRM／ARM）20mT；（g）Relative paleointensity in core JPC-32，33 of West Bransfeld Basin［5］，（h）Relative paleointensity in Laguna Potrok Aike［11］

圖6 南極半島D1-7巖芯剩磁相對地磁場強(qiáng)度和方向?qū)Ρ犬a(chǎn)生的深度-年齡.實(shí)心三角—相對地磁場強(qiáng)度，空心三角—傾角，實(shí)心圓點(diǎn)—沉積物有機(jī)碳和有孔蟲AMS 14 C未校正年齡，數(shù)據(jù)為王汝建等未發(fā)表資料.圖中連線為來自地磁場長期變化的對比點(diǎn)Fig.6.Depth-age model produced by secular variation of inclination and relative paleointensity.Open triangle：inclination；solid triangle：RPI，solid circle：AMS 14 C dating of organic carbon and foram（unpublished data of Wang R J，et al.）

4 討論

4.1 南極百年-千年尺度地磁場長期變化特征及其起源

地磁場強(qiáng)度的演化過程主要受到地磁場偶極子的控制，并受到局部非偶極子場的影響。在百年-千年尺度上，不同區(qū)域地磁場強(qiáng)度的演化則受到磁通量圓斑（Magnetic Flux Lobe）動態(tài)變化的影響。核幔邊界輻射場分量模型顯示，在5000 BC-1950 AD近7 000年的平均值分布圖中有4塊強(qiáng)度＞400μT的圓斑，其中心分別位于北美、歐亞、南美／南極半島和南極埃默里冰架附近［13］。相比于復(fù)雜的北半球磁通量變化來講，南半球的情形要相對簡單。南極圓斑附近鉆孔、南極地區(qū)其他鉆孔及其全球絕對強(qiáng)度對比可以揭示磁通量的空間變異，為核幔邊界的地球動力模擬工作提供數(shù)據(jù)約束。

南極及其半島附近地區(qū)地磁場長期變化研究仍然比較稀少。距離本文鉆孔最近的是西布蘭斯菲爾德盆地（WBB）中的兩個巨型活塞巖芯JPC-32和JPC-33［5］（圖 7，b）。在容許的年齡誤差范圍內(nèi)，本文鉆孔地磁場強(qiáng)度與WBB記錄最為一致（圖7，a、b）。從3.3 ka至今，地磁場強(qiáng)度均表現(xiàn)為8 ka來最大的峰值，并且在2 ka出現(xiàn)可以對比的次級低值。在～5—3.3 ka地磁場強(qiáng)度降低。與布蘭斯菲爾德盆地內(nèi)的記錄不同，南美阿根廷瑪珥湖記錄顯示在7.5—5 ka仍然是一個較高的峰值階段［11］（圖 7，c），而這一點(diǎn)似乎與本文鉆孔更加一致。WBB記錄中具有較高沉積速率的JPC-32孔在該段的地磁場強(qiáng)度與本文結(jié)果類似，兩個鉆孔疊加的結(jié)果使得峰值受到壓抑。由此我們推測7.5—5 ka的這個次級峰值是真實(shí)的。盡管存在時間上的誤差，布蘭斯菲爾德盆地和阿根廷南部記錄在萬年尺度趨勢的一致性和千年尺度上高頻峰谷值的可比性支持南美／南極半島存在一個穩(wěn)定的區(qū)域性磁通量圓斑的模擬結(jié)果［13］。

位于布蘭斯菲爾德半島西部的帕默深盆地盡管具有250 cm·ka－1的極高沉積速率，但是其報(bào)道的9 ka以來的地磁場強(qiáng)度結(jié)果質(zhì)量不高［6］。與上述鉆孔距離較遠(yuǎn)的東南極威爾克斯地盆地（Wilkes Land Basin，WLB）位于東南極冰蓋的默茨冰川（Mertz Glacier）入海處，兩個沉積速率為17 cm·ka－1的巖芯記錄了大約20 ka以來的地磁場相對強(qiáng)度演化［14］（圖 7，d）。顯然，東南極 WLB地磁場強(qiáng)度與南極半島附近地磁場強(qiáng)度有了顯著的差別，只有一個5 ka的低值尚存。但是如果不糾結(jié)于5—3.3 ka的低值，WLB記錄中PC18孔與本文結(jié)果的大趨勢非常一致。

雖然南極半島和其他南極巖芯所記錄的地磁場相對強(qiáng)度由于測年誤差、沉積物巖性變化、磁信號鎖定深度變化、沉積后早期成巖等的影響，在不同的地理區(qū)域內(nèi)有不同的表現(xiàn)，但是臨近區(qū)域的巖芯之間，特別是在穩(wěn)定的磁通量圓斑范圍內(nèi)地磁場強(qiáng)度在千年尺度上高度的一致性變化，都說明其記錄了區(qū)域真實(shí)的地磁場行為特征。不同區(qū)域下的變異應(yīng)為磁通量圓斑動態(tài)變化的結(jié)果。本文鉆孔及南極其他鉆孔地磁場強(qiáng)度與全球地磁場絕對強(qiáng)度的綜合曲線在萬年尺度上極高的相似性也說明萬年尺度上的變化趨勢主要受控于全球統(tǒng)一的偶極子強(qiáng)度變化（圖7，a、e），這種一致性是利用地磁場強(qiáng)度曲線進(jìn)行南北半球地層對比的主要依據(jù)，也從側(cè)面說明本文鉆孔年齡模型的可靠性。

圖7 鉆孔D1-7相對地磁場強(qiáng)度與南極其他記錄和全球絕對強(qiáng)度對比.WBB—西布蘭斯菲爾德盆地記錄［5］，Laguna Potrok Aike—南美瑪珥湖記錄［11］，WLB—南極威爾克斯地盆地記錄［14］，全球絕對強(qiáng)度數(shù)據(jù)來自文獻(xiàn)［15］Fig.7.Comparison of RPIof D1-7 with other Antarctic records and global absolute intensity.WBB representswest Bransfield Basin record［5］，Laguna Potrok Aike is Maar Lake record［11］，WLB isWilkes Land Basin，Antarctica［14］and global virtual axial dipole average from Ref［15］

4.2 長期變化年齡模式下的環(huán)境磁學(xué)演變

根據(jù)地磁場長期變化提供的對比點(diǎn)（主要是RPI），對沉積物年齡進(jìn)行線性內(nèi)推和外推，獲得了巖芯D1-7的年齡模型，并在此基礎(chǔ)上討論環(huán)境磁學(xué)等參數(shù)的變化（圖8）。按照磁化率各向異性參數(shù)的變化規(guī)律，8 ka以來明顯呈現(xiàn)三段式發(fā)展：8—5.5 ka，5.5—3 ka和 3 ka至今。

8—5.5 ka，磁化率橢球體最短軸基本處于垂直狀態(tài)，此時形狀因子T＞0，為扁圓狀組構(gòu)（圖8，a、b）。樣品濕重、磁性礦物含量、雙頻磁化率等參數(shù)均為變化幅度較大的低值（圖8，c-f）。雙頻磁化率也存在跳躍高值，但是在磁化率上均不見相應(yīng)的高值出現(xiàn)，因此我們推測這些跳躍高值可能來自儀器誤差，依據(jù)是樣品總體的磁化率較低以及雙頻磁化率出現(xiàn)負(fù)值。而表征磁性礦物粒度變化的κARM／κ和剩磁的中值退磁場（MDF）在該段指示了總體較粗的磁性顆粒特征。由于此時的磁化率橢球體為典型的靜水沉積組構(gòu)（圖3f），結(jié)合全新世全球氣候回暖的大背景，這些較粗的物質(zhì)應(yīng)與冰川后退引起的冰筏碎屑輸入有關(guān)，因?yàn)槟┐伪诘牟继m斯菲爾德海峽為接地冰川［2］。磁化率橢球體長軸指示的底流方向?yàn)镹W-SE，推測可能與物質(zhì)從南極半島陸架向外海搬運(yùn)的碎屑流有關(guān)。

進(jìn)入全新世中后期（5.5—3 ka），磁化率各向異性參數(shù)有了顯著不同。需要指出的是，這兩個年齡界線與前面圖3e中的0.98—2.02 m的深度基本一致。因此短軸傾角在NNE-SSW面上0—90°均有分布，短軸和中軸所在的平面同時垂直于長軸所在的NWW-SEE方向（圖 3e）。根據(jù) Tarling和 Hrouda［12］的描述，中短軸在垂直于長軸的平面上散布代表了扁長顆粒的順坡滾動或者在底流大于1 cm·s－1的情形下，磁性顆粒長軸從平行于水流方向轉(zhuǎn)到垂直水流方向上。因?yàn)閹r芯處在中布蘭斯菲爾德海盆和東布蘭斯菲爾德海盆之間的一個小高地上，周圍地形比較平坦，所以不太可能出現(xiàn)顆粒順坡滾動，因此該段磁化率橢球體解釋為增強(qiáng)的底流磁組構(gòu)。結(jié)合全新世中早期的磁組構(gòu)特征（圖3f），布蘭斯菲爾德海盆1 100 m深層水的方向和強(qiáng)度在全新世中期5.5 ka左右發(fā)生了變化，方向從NW-SE變成NNESSW，可能與海峽走向一致；而且底流速度也明顯增加。此時樣品的濕密度、磁性礦物含量等比全新世中早期增加（如8，c-f），尤其是雙頻磁化率穩(wěn)定在2%左右（圖8，e），表明有持續(xù)的超順磁顆粒供應(yīng)。磁性礦物顆粒度較之全新世中早期有顯著變細(xì)趨勢（圖8，g、h），而且該段自身為上細(xì)下粗的正粒序，與自上而下濕密度增加一致（圖8，g、h、c）。

圖8 地磁場長期變化年齡模式下的環(huán)境磁學(xué)、沉積學(xué)參數(shù)變化.（a）磁化率橢球體最短軸傾角；（b）磁化率橢球形狀因子T＝2ln（K2／K3）／ln（K1／K3）－1；（c）等體積樣品濕重；（d）體積磁化率；（e）雙頻磁化率；（f）非磁滯剩磁；（g）非磁滯剩磁磁化率與體積磁化率比值；（h）天然剩磁的中值退磁場MDF和65°S夏季太陽輻射量；（i）巴西石筍氧同位素［11］，18 O的減少是由于南美夏季風(fēng)帶來的降雨量增加，18 O富集是來自遠(yuǎn)源的冬季降水貢獻(xiàn)Fig.8.Environmentalmagnetic and lithological changes on chronology of secular variation of geomagnetic field.（a）Inclination of short axis of ams ellipsoid；（b）Shape parameter of AMST；（c）Wetweight of cubic boxes；（d）Volume susceptibility；（e）Frequency-dependent susceptibility（κfd＝（κlf-κhf）／κlf*100）；（g）Ratio of anhysteresis susceptibility to susceptibility；（h）Median demagnetization field of natural remanence MDF and monthly averaged insolation at 65°S；（i）Oxygen isotope of spelethom in southeast Brazil［11］，the depletedδ18 O is interpreted to be caused by increasing summermonsoon precipitation，while enrichedδ18 O from distalwintermonsoon precipitation

全新世晚期3 ka以來，磁化率橢球體短軸重新恢復(fù)到近于垂直位置，但是較之全新世早期有比較明顯的偏離垂直角度，同時形狀因子顯示此時橢球體處于扁長和扁圓的過渡狀態(tài)。由于表層的樣品短軸偏離較大，合理的解釋是擾動增加。如果以長軸方向?yàn)榈琢鞣较虻脑?，則此時底流延續(xù)了之前的NNE-SSW方向，稍稍偏轉(zhuǎn)到NE-SW方向（圖3d）。該段磁性礦物含量為穩(wěn)定高值，表層濕密度的增加與表層含水量增加有關(guān)（圖8，c-f）。此時的磁性礦物粒度最細(xì)，變化也最小（圖8，g，h）。全新世中后期、晚期的底流方向似乎與威德爾海流出的冷水方向一致（圖1）。

Brachfeld等［16］對帕默深盆地 1098鉆孔（位置見圖1）研究結(jié)果表明，帕默深盆地沉積物在9—3.4 ka的全新世中期，其主要載磁礦物為 TM40-TM60的準(zhǔn)單疇鈦磁鐵礦，而非帕默深盆地周圍巖石普遍存在的多疇磁鐵礦。作者推測此時可能存在來自北方布蘭斯菲爾德海盆附近的亞北極深層水體南侵，布蘭斯菲爾德周圍的鈦磁鐵礦以懸浮體形式進(jìn)入帕默深（1 000 m）盆地。本文鉆孔在全新世中期（5.5—3 ka）NNE-SSW方向底流的增強(qiáng)與這種推測吻合。本文鉆孔同樣處于1 100 m水深，與帕默深1098鉆孔類似，因此這兩個鉆孔的結(jié)果均表明在全新世中期（5.5—3 ka）亞北極的上部深層水可能加強(qiáng)，能從布蘭斯菲爾德海盆東部一路穿過布蘭斯菲爾德海峽，直至帕默深盆地，同時可能以羽狀流的形式攜帶了大量的物質(zhì)。至于布蘭斯菲爾德海峽內(nèi)底流加速期短于帕默深盆地內(nèi)鈦磁鐵礦的輸入期，則可能是由于初期碎屑流將陸架冰川物質(zhì)帶入海峽內(nèi)，雖然此時底流比較平靜（8—5.5 ka），仍然有布蘭斯菲爾德海峽臨近陸架物質(zhì)向西南方向搬運(yùn)。3.4 ka以來雖然底流方向仍然延續(xù)之前的與海峽走向一致，但此時底流流速有所降低。更重要的是2.5—0.6 ka南極半島地區(qū)詹姆斯·羅斯島（James Ross Island）的顯著變冷［17］可能導(dǎo)致碎屑流供應(yīng)的降低，因此布蘭斯菲爾德海峽物質(zhì)無法繼續(xù)供應(yīng)帕默深盆地沉積。磁化率各向異性與底流的對應(yīng)關(guān)系尚需要進(jìn)一步查清主要載磁礦物的類型和粒度，以確定磁化率橢球體反映的水動力方向和相對強(qiáng)度變化的正確性。

為了進(jìn)一步揭示環(huán)境磁學(xué)參數(shù)8 ka以來主要演化趨勢的控制因素，采用Lasker 2004軟件［18］計(jì)算了月度平均的65°S 1月份（夏季）的太陽輻射量（圖8，h），發(fā)現(xiàn)與全新世以來的磁性礦物粒度變化趨勢非常一致，表明全新世的環(huán)境磁學(xué)變化主要受控于軌道進(jìn)動周期調(diào)諧的太陽輻射量。而南美巴西石筍的氧同位素記錄表明，南美的夏季季風(fēng)降水量增加導(dǎo)致的δ18O降低（圖8，i），與當(dāng)?shù)鼐暥忍幭募咎栞椛涞脑黾油?。因此推測全新世布蘭斯菲爾德海峽內(nèi)磁性礦物粒度，即陸源沉積物粒度，受到南美地區(qū)太陽輻射量控制以及夏季降水增加的影響。另外在D1-7環(huán)境磁學(xué)參數(shù)中，疊加在這個大趨勢之上的還有千年或者更小尺度的變化，比如在全新世5.5—3 ka，沉積物濕密度和磁性礦物含量、粒度等均有千年甚至幾百年的尺度變化。而且在D1-7中的6.5—5.5 ka磁性礦物粒度異常細(xì)的階段，沒有太陽輻射和降雨量增加的證據(jù)。這些事件的確認(rèn)需要D1-7其他古海洋學(xué)結(jié)果以及南極相鄰地區(qū)高分辨率氣候記錄（80 a／每個樣品）的佐證。

4.3 與有機(jī)碳測年結(jié)果的比較

王汝建等對本孔的沉積物全樣有機(jī)碳或有孔蟲進(jìn)行了AMS14C測年，除了有孔蟲年齡外，總體上年齡是自上而下增加的正常層序。然而，有機(jī)碳年齡（未校正）比地磁場長期變化年齡系統(tǒng)偏老，并且越向上變老的趨勢越大，幅度為1—2 ka，表層可以達(dá)到3—4 ka。唯一的一個有孔蟲測年結(jié)果（未進(jìn)行碳儲庫校正）與地磁場長期變化結(jié)果卻比較接近（圖6）。前文介紹過，南極布蘭斯菲爾德海峽東部地區(qū)受到來自威德爾海冷水、繞南極流的共同影響，流經(jīng)鉆孔位置的表層和中層水性質(zhì)復(fù)雜。同時這些水團(tuán)隨著南極冰蓋全新世的消融演化過程也會在布蘭斯菲爾德海峽引發(fā)流徑和流量的復(fù)雜分異變化。這些水團(tuán)的混合和時空變化造成這些水團(tuán)碳同位素的復(fù)雜性，從而引起有機(jī)碳和有孔蟲測年結(jié)果的復(fù)雜性。從沉積物有機(jī)碳測年結(jié)果看，自8 ka以來陸地輸入的老碳物質(zhì)可能逐漸增加。巖石磁學(xué)性質(zhì)在全新世以來發(fā)生了三個階段性的變化，包括底流（南極上部深層水）強(qiáng)度、方向，磁性礦物含量和粒度等，說明南極半島地區(qū)的沉積物質(zhì)來源和水動力條件均發(fā)生了相應(yīng)的變化。更加詳細(xì)的巖石磁學(xué)工作正在進(jìn)行中，同時結(jié)合該鉆孔的古海洋學(xué)研究，將使得沉積物的載磁礦物性質(zhì)更清晰，在此基礎(chǔ)上地磁場強(qiáng)度結(jié)果將獲得進(jìn)一步的修正和完善，巖石磁學(xué)反映的更小尺度上的古海洋和古環(huán)境變化也將獲得進(jìn)一步證實(shí)。

致謝 D1-7巖芯取自中國第28次南極科學(xué)考察期間，作者感謝所有參加的工作人員。本研究使用的中國第28次南極科學(xué)考察采集的樣品由中國極地研究中心沉積物庫提供。

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