王豪壯 陳志華 王春娟 劉合林 趙仁杰 唐正 黃元輝

(國家海洋局第一海洋研究所,山東青島266061)

0 引言

沉積物粒度特征及其參數(shù)分析是恢復沉積環(huán)境變化的有效指標。沉積物粒度分布特征可以反映沉積環(huán)境的水動力特點,并以此為基礎來推斷沉積發(fā)生時的自然地理環(huán)境特征[1-4]。粒度參數(shù)(平均粒徑、分選、偏態(tài)和峰態(tài))被廣泛用來分析沉積趨勢和環(huán)境[4-7]。

南極地區(qū)包括南極洲和南大洋,集中了地球表面90%的冰,是地球上最大的冷源和全球氣候變化的主要驅動器之一。由于東南極冰蓋的體積占整個南極大陸冰蓋的90%以上[8],對東南極地區(qū)的研究有助于我們系統(tǒng)了解南極與全球氣候、海平面變化之間的內在聯(lián)系。由于東南極沿岸冰架的溫度非常低,長期以來人們認為其對氣候變化的響應較西南極和南極半島地區(qū)慢,甚至有觀點認為現(xiàn)階段東南極冰蓋的變化是末次盛冰期氣候變化的延續(xù);然而,最新觀測資料表明,東南極海岸區(qū)域對全球氣候變化響應速度較快[9]。1981年至2007年間觀測表明,南極地區(qū)冰蓋的溫度變化趨勢說明其對全球氣候變化響應最快的便是沿海地區(qū)的冰架變化。這些冰架及入海冰川是南極大陸周邊海域沉積物中陸源物質的主要攜帶介質,它們在運動過程中將其內部、上部和下部的沉積物帶入南大洋,直接影響了南極大陸周邊海域沉積物的組成。因此,對東南極陸架沉積物的研究可以用來反演東南極冰蓋-冰架演化歷史,并進行與此相關的一系列物源、水動力、生物群落變化等方面的研究。Harries等[10]將普里茲灣表層沉積物劃分為五種類型,提出影響普里茲灣海域沉積作用的主要因素有埃默里冰架及其相鄰冰川的擴張與收縮、冰川擾動的最大水深、環(huán)流類型和海冰分布。Diekmann[11]強調了海水溫度梯度、風場類型和海洋溫鹽環(huán)流等對沉積過程的影響。Borchers等[12]通過研究粘土礦物和重礦物,初步探討了研究區(qū)沉積物物源及其搬運過程。但是,現(xiàn)階段對研究區(qū)表層沉積物的研究卻很少,這是因為這些沉積物攜帶的沉積環(huán)境信息復雜,且這些環(huán)境因素具有模糊不清、定性不定量的特點[11]。本文利用中國第24次和29次南極科考采集的表層沉積物樣品,分析了普里茲灣陸架表層沉積物類型及粒度參數(shù)特征,在前人研究基礎上探討了影響研究區(qū)沉積作用的主要因素及其空間分布特征。

1 區(qū)域背景

普里茲灣范圍為 67°45′S—69°30′S,70°E—80°E,位于蘭伯特冰川/埃默里冰架系統(tǒng)的末端[13-14]。海灣呈喇叭狀,灣外為科奧珀雷申海,東北部為凱爾蓋朗海嶺。普里茲灣陸架由北向南水深逐漸加深。陸架東、西兩側分別為四夫人淺灘和弗拉姆淺灘,其最淺處水深均小于200m;兩淺灘之間是普里茲水道,呈東南—西北走向,其水深大于500 m,是灣內外物質交換的主要通道。普里茲水道南端與埃默里海盆相連,而埃默里海盆西端和南端又分別是蘭伯特深槽和Svenner水道,它們是普里茲灣內水深最大的區(qū)域,最深處達1100 m以上(圖1)。

圖1 普里茲陸架區(qū)表層沉積物站位圖.綠色實線為沿岸流運動路徑;深藍色虛線為水深50—500 m灣內海流運動路徑;五角星代表Hodgkinson等[17-19]近海底(高于海底10 m)流速測量站位Fig.1.Sites of surface sediments on the shelf of the Prydz Bay.Green line denotes the coastal current;dark blue dashed line denotes circulation atdepth of50—500m;red stars denotes the stations atwhich the near-bottom(10m above sea floor)current velocitiesweremeasured by Hodgkinson et al.[17-19]

研究區(qū)海冰以季節(jié)性海冰為主,其存在大的季節(jié)和年際變化[15]。在冬季,普里茲灣海域全部被海冰封住,冰厚可達2 m,浮冰向北延伸,甚至可以到達60°S附近地區(qū);在夏季,海冰部分消融,但浮冰的覆蓋率仍然很高。研究區(qū)內存在三個大的冰間湖,分別是埃默里冰架前緣的冰間湖、達恩利角西側的達恩利角冰間湖和位于海灣西側的普里茲灣冰間湖。

研究區(qū)海流特征表現(xiàn)為順時針方向運動的普里茲環(huán)流,其影響范圍遍及整個海灣:中心位于海灣西北部的普里茲水道,向北匯入南極輻散帶[16];向南該環(huán)流沿海岸自東向西流動,并在達恩利角流出海灣[16](圖1)。在近岸地區(qū),夏季表層水(＜50 m)運動無明顯規(guī)律[16]。在水深50—500 m,觀測到自陸架坡折中段和東部流入灣內的海流。該海流向南流動,在海灣東南部遇阻分流:一部分向東運動,在四夫人淺灘處形成小型逆時針環(huán)流;另一部分則繼續(xù)沿著海岸向西運動,最終繞過弗拉姆淺灘流出海灣。該海流在弗拉姆淺灘流出海灣時流速達到1 m·s-1,在冰架前緣海流平均速度為0.03 m·s-1,在普里茲灣中部觀測到的數(shù)據(jù)顯示,海流流速很少超過0.1 m·s-1[16]。Hodkinson等[17-19]在該海灣地區(qū)進行了近海底(距海床10 m)流速的觀測,在站位CM87/2處,近海底平均海流流速為5 cm·s-1;在CM86/1站位,近海底平均海流流速為14 cm·s-1。

2 樣品及處理

沉積物樣品來自中國第24次(2008年11月—2009年4月)和第29次南極科學考察(2012年11月—2013年4月)在普里茲灣獲得的表層沉積物樣品。其中,第24次南極科學考察采集的樣品包括P3-14、P3-15、P4-11、P4-12、P4-13、IS-02、IS-05、IS-09、IS-11、 N08-2、N08-3、N08-4,其余為第29 次南極考察樣品。樣品粒度分析采用篩析法和激光粒度分析法相結合的方法。首先在樣品中加入濃度為15%的過氧化氫(H2O2)以除去樣品中的有機質,其次加入濃度為1%的焦磷酸鈉溶液使樣品充分分散,使其混合均勻,并放置12 h。之后,加入濃度為0.25 mol·L-1的HCl以除去樣品中的CaCO3,接著加入濃度為1 mol·L-1的 Na2CO3在80°C的水浴鍋內連續(xù)加入4 h除去蛋白石。再使用蒸餾水洗鹽,烘干。最后將樣品中＞2 mm部分篩出、稱重,并計算其百分含量。對＜2 mm沉積物粒度分析采用Malvern公司的Mastersizer 2000激光粒度分析儀進行分析,儀器測量范圍是0.02—2 000μm,分辨率為0.01Φ,重復測量范圍相對誤差＜3%。礫石、砂、粉砂和粘土含量重新計算,并將其歸一化。

粒級統(tǒng)一使用Udden-Wentworth等比值Φ粒級標準表示,使用矩陣法計算沉積物粒度參數(shù):平均粒徑(μ)、分選系數(shù)(δ)、偏態(tài)(Sk)和峰態(tài)(Ku),所有實驗在國家海洋局第一海洋研究所沉積與環(huán)境海洋局重點實驗室進行。

本文采用Fork(福克)沉積物命名方案進行命名,此方案可以很好地反應陸架淺海區(qū)沉積物的水動力環(huán)境及其成因。在依據(jù)Udden-Wentworth粒度劃分標準進行粒級劃分和沉積組分比值的基礎上對沉積物進行命名。其中,對于含礫石的沉積物,將粉砂和粘土百分含量之和作為泥的百分含量,應用?？撕[沉積物的三角分類命名;對于不含礫石的沉積物,使用無礫石?？巳切畏诸惷?。

3 結果

普里茲灣陸架表層沉積物可劃分為:礫(G)、泥質砂質礫(msG)、礫質泥(gM)、礫質泥質砂(gmS)、含礫泥((g)M)、含礫泥質砂((g)mS)、砂(S)、砂質粉砂(sZ)和粉砂(Z)九種類型(圖2)。

圖2 普里茲灣陸架表層沉積物的福克三角分類圖.(a)含礫;(b)無礫Fig.2.Folk’s triangle diagram classification of the surface sediments on Prydz Bay shelf.(a)Gravel;(b)No-gravel

研究區(qū)表層沉積物中普遍含礫石,N08-3站礫石含量接近100%。依據(jù)沉積物類型可以將研究區(qū)分為東西兩部分:在東部的埃默里海盆、普里茲水道、Svenner水道和四夫人淺灘區(qū),沉積物以含礫泥為主,僅在埃默里海盆中部幾處站位和普里茲水道南部表層沉積物以粉砂為主。在研究區(qū)北部(埃默里海盆和普里茲水道),沉積物粒徑相對較小,為粉砂和含礫泥(圖3)。在研究區(qū)西部的弗拉姆淺灘沉積物以含礫泥質砂為主,而埃默里冰架前緣沉積物類型多樣,包括泥質砂質礫、含礫泥質砂和粉砂。

圖3 普里茲灣表層沉積物類型圖.灰色虛線為研究區(qū)沉積物類型分界線Fig.3.Distribution patterns of surface sediments in Prydz Bay.White dashed line denotes boundary of different sediments

圖4為普里茲灣各區(qū)域不同站位沉積物粒度頻率曲線圖。在四夫人淺灘,沉積物中礫石含量范圍為0—2.45%,平均含量為1.00%,砂含量范圍為12.19%—44.57%,平均含量為31.83%。沉積物粒度頻率曲線(圖4b)以含有三個波峰為特征,但各站位沉積物粒度頻率曲線峰值所在位置不同:如P7-14和N08-4站的峰值出現(xiàn)在粗砂和粉砂區(qū)間,而PA-05和P6-08站最高峰值出現(xiàn)在粉砂區(qū)。在Svenner水道,沉積物粒度頻率曲線均含有三個波峰,峰值最高處位于砂區(qū),其次為粗粘土,而在粗砂處僅有一個很低的波峰;沉積物中礫石含量范圍0—0.82%,平均0.36%,＞63μm沉積物含量范圍為11.68%—30.98%,平均含量為20.00%。在普里茲水道,沉積物中礫石含量范圍為0—1.21%,平均值為0.26%,砂含量范圍為10.50%—35.31%,平均含量為17.96%;沉積物粒度頻率曲線(圖4c)均含有三個峰值,分別位于粗砂、粗粉砂和粗粘土處,其中粗粉砂部分頻率值最高,其后依次為粗砂和粘土。在埃默里海盆,沉積物中礫石含量范圍0—2.77%,平均0.92%,＞63μm沉積物含量范圍4.60%—31.79%;沉積物粒度頻率曲線(圖4d)以含三個波峰為特點,最高峰位于粗粉砂區(qū)。

在弗拉姆淺灘,沉積物中礫石含量范圍為0—0.47%,平均值為0.18%;砂含量范圍為46.69%—76.47%,平均值為66.90%。沉積物粒度頻率曲線(圖4a)以單峰為特征,峰值位于中砂至細砂區(qū)。在PA-01站,沉積物粒度頻率曲線的兩個峰值分別位于中砂和粗粉砂。此外,各站位沉積物在粗、細粘土分界線處均有一低峰值。在埃默里冰架前緣,沉積物中礫石含量介于2.90%—47.01%之間,平均含量20.64%,砂含量范圍為14.59%—83.08%,平均含量為58.65%。沉積物粒度頻率曲線(圖4e)為單峰,峰值最高處位于粗砂區(qū)(IS-09除外),說明該區(qū)域內沉積物粒徑較粗。而在IS-02站位,沉積物粒度頻率曲線在粗砂和細砂區(qū)分別含一個高峰值。

沉積物粒度參數(shù)(表1)顯示研究區(qū)沉積物分選系數(shù)均大于1,分選性為差到較差。平均粒徑主要集中在砂和粉砂區(qū):其中弗拉姆淺灘和埃默里冰架前緣沉積物平均粒徑位于細砂區(qū);普里茲水道、四夫人淺灘、Svenner水道和埃默里海盆區(qū)沉積物位于粗粉砂區(qū)。偏態(tài)值表現(xiàn)為極正偏和極負偏,除四夫人淺灘及附近站位偏負值(0.37)外,其余區(qū)域沉積物粒徑偏態(tài)均極正偏,指示四夫人淺灘區(qū)內沉積物整體偏向于細粒徑。整個區(qū)域內沉積物粒度峰態(tài)值顯示出一致性,數(shù)值均大于2.0,波峰窄到非常窄,研究區(qū)域內沉積物高峰值與低峰值之間含量差別較大。

圖4 普里茲灣表層沉積物粒度頻率圖.(a)弗拉姆淺灘;(b)四夫人淺灘;(c)普里茲水道;(d)埃默里海盆;(e)埃默里冰架前緣;(f)Svenner水道Fig.4.The grain size distribution curves of surface sediments in Prydz Bay.(a)Fram Bank;(b)Four Ladies Bank;(c)Prydz Channel;(d)Amery Basin;(e)Front of Amery Ice Shelf;(f)Svenner Channel

4 討論

南極大陸因氣候極端、缺少河流,沿海沉積物主要是由冰川和冰架搬運,將其上部、內部和底部的碎屑物搬運至海邊。冰架/入海冰川與海水的相互作用使得冰架/入海冰川融化、坍塌,形成冰山。這些冰山攜帶碎屑物質隨海流運動,在此過程中逐漸融化,將碎屑物質釋放并沉積下來。前人在研究中將粒徑大于4Φ(63μm)的沉積物作為冰筏碎屑[20]。從前面的分析來看,研究區(qū)表層沉積物中均有礫石,分選為差到很差,說明該研究區(qū)沉積物為典型的冰海沉積物;調查測得研究區(qū)域中部的海流流速為0.1 m·s-1[16],說明海流無法攜帶砂粒級沉積物。此外,Gross和 Williams[20]、McCave和 Hall等人[21]研究表明,在水流流速＜13 cm·s-1時,沉積物組成中粘土和細粉砂含量明顯較高,當水流流速范圍為13—20 cm·s-1時,沉積物組成中可分選粉砂(10—63μm)含量明顯增加。因此,在普里茲灣,沉積物中的砂只能被冰山攜帶并隨海流漂流,然后隨著冰山的融化而逐漸沉積下來;而研究區(qū)海流對沉積的影響則是使沉積物中的粘土和細粉砂含量發(fā)生改變。依據(jù)沉積物粒度特征,可將研究區(qū)劃分為兩個區(qū)域:東部含礫泥沉積區(qū)和西部含礫砂質沉積區(qū)。

表1 普里茲灣表層沉積物粒度參數(shù)Table 1.Grain size parameters of surface sediments in Prydz Bay

4.1 東部含礫泥質沉積區(qū)

該區(qū)包括四夫人淺灘、Svenner水道、普里茲水道和埃默里海盆,沉積物中普遍含礫石,分選差,主要為含礫泥和粉砂,沉積作用主要受海流影響,冰山和浮冰的影響相對較小。

四夫人淺灘區(qū)沉積物粒度曲線顯示該區(qū)沉積物粒徑偏細,粗粉砂含量較高。在水深較淺的P6-08和PA-05站,沉積物粒度頻率曲線波峰位于粉砂區(qū)間,峰態(tài)值較大,沉積物分選相對較好,這是因為該處海流流速較快,且受到逆時針水流[18]的影響,細顆粒組分聚集。而在N08-4和P7-14處,水深較大,海流流速減緩,冰山隨水流移動速度減緩,其融化后砂和粉砂可以沉積下來,所以其沉積物粒度頻率曲線具有兩個波峰,分別位于砂和粉砂區(qū)。與此相對應,Harris等[10]在該地區(qū)海底發(fā)現(xiàn)了冰山的刨蝕痕跡,而冰山對海底的刨蝕增加了其在該地區(qū)的停留時間,使冰山得以融化,攜帶的碎屑物質得以沉積下來。淺灘北部和南部沉積物中粘土含量無明顯區(qū)別,這是由于海流對粘土組分的影響相同導致。在Svenner水道,各站位(N08-3除外)沉積物類型相同,其粒度頻率曲線的高波峰出現(xiàn)在粗粉砂到細粉砂區(qū),較低的波峰位于細粘土區(qū)。盡管衛(wèi)星觀測表明,該水道區(qū)海面上冰山較多,但較大的水深使冰山不可能著底,從而冰山的停留時間短,融化少,故沉積物中不含礫石,且砂含量少甚至為零。與埃默里冰架前緣區(qū)和四夫人淺灘區(qū)沉積物相比,Svenner水道區(qū)沉積物砂含量較低,分選稍好,波峰稍寬,說明海流作用在此處較前兩處影響更加明顯,冰山的作用相對較小。在N08-3站位處,沉積物幾乎為礫石,可能由于此處鄰近基巖海岸,近源粗碎屑沉積物相對發(fā)育。

在研究區(qū)北部的普里茲水道區(qū),沉積物主要是含礫泥,其南部的埃默里海盆區(qū)沉積物為粉砂和含礫泥,這兩個區(qū)域的沉積物粒徑相對于研究區(qū)內其它地區(qū)的沉積物偏細,沉積物粒度頻率曲線的波峰位于粉砂區(qū),峰態(tài)很窄,沉積物分選相對較好。Hodgkins等人[17-19]在埃默里海盆地區(qū)(圖1)測得的近海底流速＜10 cm·s-1,隨著普里茲灣環(huán)流中心流速的降低,從周邊陸架搬運而來的粘土和粉砂得以在埃默里海盆和普里茲水道區(qū)沉積下來。除此之外,因研究區(qū)靠近南極大陸,強烈的下行風也可以影響冰山和浮冰順風由南向北運動,部分被普里茲灣環(huán)流捕獲,故沉積物中也含有少量的礫石。

4.2 西部含礫砂質沉積區(qū)

該區(qū)包括埃默里冰架前緣和弗拉姆淺灘。在埃默里冰架前緣區(qū),除IS-09站沉積物波峰位于6Φ外,其余各站沉積物粒度頻率曲線的波峰均位于1Φ左右。沉積物中砂含量占絕對優(yōu)勢,沉積物分選較差,沉積物粒徑偏粗,峰態(tài)非常窄。由于埃默里冰架前緣海流平均實測流速為0.03 m·s-1[16],有利于粘土和粉砂沉積,故該區(qū)沉積物中粘土和粉砂含量的偏低與海流的簸選無關,總體反映了沉積物的冰筏碎屑成因。由于埃默里冰架是普里茲灣地區(qū)冰山的主要源區(qū),大量冰山在埃默里冰架前緣聚集;隨著冰架的解體和冰山的融化,其所攜帶的無分選的、顆粒較粗的陸源碎屑物質在冰架前緣沉積下來。在埃默里冰架東南側的IS-02站,沉積物粒度頻率曲線在粗砂和細砂區(qū)間有兩個大致等高的波峰,這是由于IS-02位于冰架前緣和Svenner水道的過渡區(qū),向南運動的海流對沉積物有明顯的簸選作用。IS-09站位于埃默里冰架北側的冰間湖內。冰間湖是海冰的重要生產(chǎn)區(qū),在海冰形成的同時,析出大量的鹽分,使海水鹽度增加,形成密度較大的高鹽陸架水;該水團在下沉過程中,可能將部分粉砂和粘土帶到海底并沉積下來,因而造成該站沉積物粉砂含量高,砂含量低。

弗拉姆淺灘區(qū)沉積物為含礫泥質砂,沉積物分選較差,粒度頻率曲線的波峰(PA-01除外)位于粗砂區(qū),峰態(tài)非常窄。Hodgkison等人[17-19]在普里茲水道前端陸坡處(圖1,站位CM86/1)測得的近海底底流平均流速為14 cm·s-1,而在研究區(qū)西北部大約63°E附近陸坡區(qū)測得的近海底流流速最高達20 cm·s-1,故推斷弗拉姆淺灘區(qū)底流流速大體位于兩者之間。在該流速下,粘土和細粉砂可能被沖走,而粗粉砂則沉積下來。中國南極科考在該地區(qū)獲得的海冰密集度數(shù)據(jù)表明,該地區(qū)海冰密集度較高,其延緩了冰山隨洋流漂移的速度;同時,該地區(qū)水深較淺,大量的冰山在該淺灘區(qū)著底滯留,所以冰山與海水長時間相互作用使得冰山融化,較多的冰筏碎屑在海區(qū)沉積下來。這與Harris等人[22]在該地區(qū)海底觀測到的冰山侵蝕地貌相一致。海流和冰山的共同作用使得該淺灘沉積物中粘土含量較低、砂含量較高、粉砂次之。

5 結論

普里茲灣陸架表層沉積物普遍含有礫石,沉積物分選差或很差,是典型的冰海沉積作用區(qū)。該陸架沉積物類型變化大,包含礫(G)、泥質砂質礫(msG)、礫質泥(gM)、礫質泥質砂(gmS)、含礫泥((g)M)、含礫泥質砂((g)mS)、砂(S)、砂質粉砂(sZ)和粉砂(Z)九種類型。依據(jù)沉積物粒度特征與地形變化,可將研究區(qū)劃分為東部含礫泥質沉積區(qū)和西部含礫砂質沉積區(qū)。

在東部礫質泥質沉積區(qū),沉積作用主要受海流影響,冰筏碎屑的影響有限。其中,四夫人淺灘和Svenner水道區(qū)沉積作用的主要受沿岸流影響,而普里茲水道和埃默里海盆區(qū)主要受普里茲環(huán)流影響。隨著普里茲灣環(huán)流中心流速的降低,從周邊陸架搬運而來的粘土和粉砂得以在埃默里海盆和普里茲水道區(qū)沉積下來,從而使該區(qū)沉積物粘土和細粉砂含量較高,粗粉砂和砂含量較低。

在西部含礫砂質沉積區(qū),沉積作用主要受冰山、海流和埃默里冰架影響。在弗拉姆淺灘,海流經(jīng)該地流出海灣,水深較淺,流速較大,粘土和細粉砂不易沉積,但粗粉砂含量增加;與此同時,冰山的富集使大量的冰筏碎屑在該淺灘區(qū)沉積下來,因此沉積物中砂含量較高。在埃默里冰架前緣地區(qū),沉積作用受埃默里冰架的影響較為明顯,沉積物中粘土含量較低,砂和礫石含量較高,但也有個別站位(IS-09站)可能受冰間湖的影響,沉積物粒度偏細。

致謝感謝中國第24次和第29次南極科學考察隊,特別是后甲板工作組為樣品的獲取付出了艱辛的勞動,感謝中國極地研究中心極地沉積物樣品庫提供樣品。

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