方曉榮，胡寧靜,2，豆汝席，張穎，張輝，劉季花,2

1.自然資源部第一海洋研究所，青島266061

2. 青島海洋科學(xué)與技術(shù)試點(diǎn)國家實(shí)驗(yàn)室，青島266061

北冰洋由于其獨(dú)特的地理位置和海冰變化，對氣候變化有著一系列的反饋機(jī)制，同時(shí)也是氣候變化的主要驅(qū)動力[1-2]。北極地區(qū)最明顯的氣候變化表現(xiàn)在海冰覆蓋面積逐漸減小[3]，其中東西伯利亞海是北極海冰活動最劇烈的區(qū)域[4-5]。作為連接西伯利亞大陸和北冰洋的重要邊緣海之一，東西伯利亞海的海冰后退使永久性凍土融化，甲烷排放量增加[6-8]，從而對全球大氣組成和環(huán)境變化產(chǎn)生更嚴(yán)重的影響。文獻(xiàn)調(diào)查顯示，東西伯利亞海已開展沉積物礦物組成[9]、永久凍土作用機(jī)制[6]、有機(jī)碳來源[8,10-13]和環(huán)境特征[4,14-18]等方面的研究工作。研究指出，河流攜帶的陸源物質(zhì)是北極陸架區(qū)沉積物的重要來源[19]，但在東西伯利亞海和拉普捷夫海陸架區(qū)，海岸侵蝕對沉積物的貢獻(xiàn)也不容忽視[7,20]。Rachold等在對拉普捷夫海和波弗特海的研究中發(fā)現(xiàn)，拉普捷夫海的海岸侵蝕物質(zhì)輸入是河流沉積物的兩倍多[21]。Astakhov等根據(jù)東西伯利亞海表層沉積物中稀土元素的分布特征，解釋了該地區(qū)稀土元素的物質(zhì)來源和遷移路徑，認(rèn)為東西伯利亞海地區(qū)稀土元素主要來自勒拿河的輸入和周邊地區(qū)的海岸侵蝕[22-23]。通過分析GC58巖心沉積物的δ13C數(shù)據(jù)，Keskitalo發(fā)現(xiàn)全新世時(shí)期東西伯利亞海沉積物中的陸源碳大多來自海岸侵蝕[12]。Nikolaeva等也提出東西伯利亞海的沉積過程受到古火山侵蝕巖的影響[9]。盡管前人在西伯利亞海沉積物礦物組成、有機(jī)碳來源等方面取得了一些進(jìn)展，但由于東西伯利亞海海冰和永久凍土的存在，沉積物的采樣難度大，使得對該海域沉積物來源的研究程度一直較低。

沉積物是母巖風(fēng)化剝蝕的產(chǎn)物，在搬運(yùn)和沉積過程中受到各種環(huán)境條件的影響，而沉積物中可以代表源巖特征的穩(wěn)定元素，如主量元素Ti，微量元素中的高場強(qiáng)元素（包含稀土元素），受到風(fēng)化和水動力分選等的影響較小，可以作為示蹤物源的有效指標(biāo)[24-25]。本文在前人研究的基礎(chǔ)上，選取位于東西伯利亞陸架的LV77-36巖心，通過對其沉積物碎屑組分的主微量元素以及稀土元素進(jìn)行分析，探討中全新世以來東西伯利亞陸架沉積物碎屑組分來源的變化及其對古環(huán)境演化的響應(yīng)。

1 區(qū)域概況

1.1 地質(zhì)背景

東西伯利亞海南靠西伯利亞，北向有馬卡洛夫海盆和門捷列夫海脊，東面以弗蘭格爾島與楚科奇海相隔，西面有新西伯利亞群島，并通過德米特里-拉普捷夫海峽與拉普捷夫海相連。東西伯利亞海的入海河流主要是因迪吉爾卡河、阿拉澤亞河和科雷馬河，年總徑流量和懸浮物質(zhì)的輸入量分別是201.8 km3/a和29.7×106t/a[26]。其中科雷馬河是三者中的第一大河流，其流域面積約647×103km2，徑流量達(dá)122 km3/a，輸沙量為10.1×106t/a[27-28]。因迪吉爾卡河的流域面積大約是360×103km2，徑流量為54.2 km3/a，遠(yuǎn)低于科雷馬河，但輸沙量最高，為11.1×106t/a[27-28]。作為流入西伯利亞陸架最大的入海徑流，勒拿河的徑流量為532 km3/a，輸沙量為20.7×106t/a[29]；亞納河的徑流量為31.9 km3/a，輸沙量為4.0×106t/a[26]。雖然勒拿河和亞納河向北匯入拉普捷夫海，但在西伯利亞沿岸流的作用下也可以為東西伯利亞海提供沉積物。

由西向東，西伯利亞的地質(zhì)體主要有：①西伯利亞地臺，分布在俄羅斯的中部，巖石類型主要是沉積巖和溢流玄武巖[30]；②維爾霍楊斯克山脈，由西向東分別是陸架碎屑沉積和深海頁巖沉積[31]；③ 科雷馬-奧莫隆地塊，主要是島弧物質(zhì)和大陸碎片的混合沉積；④鄂霍茨克-楚科奇火山帶，在西伯利亞東北部的橫向上呈帶狀分布，西部以酸性-中酸性火山巖為主，東部以中性-基性火山巖為主[32-33]；⑤ 楚科奇地塊，位于火山帶的北部，主要為沉積巖，新西伯利亞群島和弗蘭格爾島巖性與其相同[34-35]。

1.2 海冰和洋流

整體上北極海冰覆蓋范圍受到緯度高低、洋流方向和海陸位置等多種因素的共同影響，衛(wèi)星數(shù)據(jù)顯示近幾十年來北極海冰面積明顯減少[1,36]。北冰洋地區(qū)的海冰分為多年海冰和季節(jié)性海冰，多年海冰僅占北冰洋海冰的14%，季節(jié)性海冰占北冰洋海冰的86%，主要位于邊緣海的淺水陸架區(qū)[37-38]。季節(jié)性海冰變化的具體表現(xiàn)為：每年10月至來年7月是海冰形成期，3月份海冰面積最大，在此期間會凍結(jié)懸浮顆粒；每年8—9月，隨著氣溫升高，海冰破裂融化，在9月份達(dá)到夏季海冰覆蓋范圍的最小值，在此階段，海冰可以隨洋流一起將凍結(jié)物質(zhì)搬運(yùn)到其他區(qū)域[39-40]。

北冰洋東、西部海域的水動力條件復(fù)雜，主要由北極入海徑流輸入的淡水、北極陸架水、西伯利亞沿岸流、穿極流、太平洋入流水和波弗特環(huán)流構(gòu)成區(qū)域內(nèi)的主要環(huán)流系統(tǒng)[33]。其中西伯利亞沿岸流源于拉普捷夫海，穿過水深20 m左右的德米特里-拉普捷夫海峽，經(jīng)東西伯利亞海后到達(dá)楚科奇海[41]。太平洋水經(jīng)白令海峽流入楚科奇海后，分為三支繼續(xù)向北擴(kuò)散，其中一支沿阿拉斯加海岸繼續(xù)向東北方向流動，稱為阿拉斯加沿岸流，中間為白令海陸架水，大致沿170°W經(jīng)線向北流，最后向西北方向流動的是阿納德爾流，到達(dá)弗蘭格爾島附近[41]。位于歐亞盆地的穿極流呈逆時(shí)針流動，可將西伯利亞陸架的海冰輸送至弗拉姆海峽[42-43]，而波弗特環(huán)流位于美亞盆地，呈順時(shí)針流動，主要將波弗特海和加拿大北極的物質(zhì)運(yùn)往北冰洋中部[42-43]。研究指出，表面大氣壓力梯度變化，如北極濤動（AO），對波弗特環(huán)流和穿極流在北冰洋的運(yùn)動模式造成很大的影響[42]。北極濤動正相時(shí)（+AO），穿極流向北美靠近，波弗特環(huán)流減弱[42]；相反，在北極濤動負(fù)相時(shí)（-AO），波弗特海處于一個(gè)高壓系統(tǒng)的控制下，導(dǎo)致波弗特環(huán)流增強(qiáng)，向東西伯利亞海一側(cè)延伸，而穿極流則被限制在北極西伯利亞一側(cè)[42-43]。

2 材料與方法

2.1 研究材料

LV77-36巖心（74.10°N、155.66°E）位于東西伯利亞海西部陸架區(qū)（圖1），由執(zhí)行第一次中俄北極聯(lián)合科學(xué)考察項(xiàng)目的“拉夫任捷耶夫院士號”科學(xué)考察船于2016年9月通過重力取樣獲得。該站位水深36 m，巖心總長為376 cm，顏色呈灰褐色。沉積物巖性比較均一，主要由黏土質(zhì)粉砂組成。

圖1 東西伯利亞海陸架概況及LV77-36巖心位置環(huán)流模式根據(jù)文獻(xiàn)[41,44]繪制；地形根據(jù)文獻(xiàn)[33]繪制。a.東西伯利亞海陸架概況（ACC：阿拉斯加沿岸流,BSSW：白令海陸架水, AC：阿納德爾流,SCC：西伯利亞沿岸流,TPD：穿極流,BG：波弗特環(huán)流。紅色圓點(diǎn)為LV77-36巖心位置；紫色圓點(diǎn)為鄂霍茨克-楚科奇火山帶，藍(lán)色圓點(diǎn)為維爾霍楊斯克褶皺帶，綠色圓點(diǎn)為西西伯利亞地臺取樣位置，數(shù)據(jù)來源：GEOROC數(shù)據(jù)庫；白色區(qū)域?yàn)楝F(xiàn)代夏季北冰洋海冰覆蓋范圍，數(shù)據(jù)來源：www.meereisportal.de）；b.LV77-36巖心位置（AO：北極濤動；黑色箭頭：負(fù)北極濤動時(shí)期的TPD和BG,白色箭頭：正北極濤動時(shí)期的TPD和BG）。Fig.1 Schematic map of Arctic East Siberian Shelf and site of LV77-36 Circumfluence modified from references[41,44]; the different terraines modified from references[33].a.Overview of the Arctic East Siberian Shelf（ACC:Alaskan Coastal Current,BSSW:Bering Sea Shelf Water, AC:Anadel Current,SCC:Siberian Coastal Current,TPD:Transpolar Drift,BG:Beaufort Gyre.The red dot represents site core LV77-36; purple dots represent sites in the Okhotsk-Chukochi volcanic belt,blue dots represent sites in the Verkhoyansk fold belt and green dots represent sites in the West Siberian platform,data source;GEOROC Database;The white area is the extent of Arctic sea ice in the modern summer,data source: www.meereisportal.de); b.The location of core LV77-36（Black arrow:TPD and BG during the negative Arctic Oscillation, White arrow:TPD and BG during the Positive Arctic Oscillation）.

2.2 分析方法

2.2.1 年齡框架建立

AMS14C年齡引自Astakhov數(shù)據(jù)[23]，實(shí)驗(yàn)在BETA公司的AMS放射性碳實(shí)驗(yàn)室完成。在LV77-36巖心的0～376 cm取7個(gè)層位貝殼樣品，測得14C年齡為1.2～7.8 ka，日歷校正年齡為0.7～8.2 cal.kaBP，通過內(nèi)插法計(jì)算出沉積物的底部年齡為8.3 cal.kaBP。

2.2.2 主微量元素測定

LV77-36巖 心 沉 積 物 以1 cm間 隔 取 樣，在0～100 cm和100～376 cm分 別 按 大 約9 cm和13 cm的間距選樣，對30個(gè)沉積物樣品進(jìn)行元素分析測試。將沉積物樣品冷凍干燥后研磨至200目粉末，稱取約0.6 g樣品倒入離心管，加入40 mL超純水于室溫下震蕩離心去除可交換態(tài)；加入10%的乙酸并在室溫下震蕩16 h去除碳酸鹽組分；在殘余物中加入25 g 0.5 mol/L的鹽酸羥胺與15%的乙酸混合溶液，去除自生鐵錳氧化物組分[45-46]；將殘留的硅酸鹽組分烘干研磨，稱取約0.05 g放入聚四氟乙烯罐中，加入HNO3和HF進(jìn)行高溫高壓溶樣，并定容到50 g。用Thermal ICAP 6300型電感耦合等離子光譜儀（ICP-OES）測試主量元素（Al、Fe、Ca、Mg、K、Na、Mn、P和Ti）含量，用Thermal X seriesⅡ型電感耦合等離子質(zhì)譜儀（ICP-MS）測試微量元素（Cu、Zn、Li、Sc、Co、Ni、REE等）含量。在分析測試時(shí)選取空白樣、平行樣，并采用標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)GSD-9進(jìn)行質(zhì)量控制，相對誤差小于0.5%。分析測試均在自然資源部海洋地質(zhì)與成礦作用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成。

3 結(jié)果

3.1 碎屑組分的主微量元素特征

LV77-36巖心碎屑組分主微量元素含量統(tǒng)計(jì)見表1、表2。沉積物碎屑組分中Al2O3含量為14.94%～16.75%，其他主量元素含量為0.03%～5.67%。微量元素中Ba的平均含量最高，為640μg/g；其次是Zr、Sr、V和Rb元素，平均含量分別為200、140、131和114μg/g，其余微量元素含量普遍低于100μg/g。從時(shí)間序列來看（圖2），LV77-36巖心碎屑組分中Al2O3和Fe2O3與黏土含量的變化趨勢相似，表明這些元素多存在于細(xì)顆粒沉積物中。8.3 cal.kaBP以來，主微量元素含量的變化較小，大致在6.7和2.5 cal.kaBP發(fā) 生 變 化。除CaO、TiO2、Sr和Zr之外，其余元素的含量在8.3～6.7 cal.kaBP逐漸增加，6.7 cal.kaBP之后開始減少，直到2.5 cal.kaBP再次出現(xiàn)增加的趨勢。

圖2 LV77-36巖心碎屑組分主微量元素含量和粒度參數(shù)垂向變化粒度數(shù)據(jù)引自Astakhov[23]。Fig.2 Profiles of major and trace element contents of detrital components and grain size parameters of core LV77-36 Grain size are quoted from Astakhov[23].

表1 LV77-36巖心沉積物碎屑組分主量元素含量Table 1 Major element contents of detrital components in core LV77-36

表2 LV77-36巖心沉積物碎屑組分微量元素含量Table 2 Trace element contents of detrital components in core LV77-36

3.2 碎屑組分的稀土元素特征

由表3可以看出，LV77-36巖心碎屑組分的稀土元素總量（ΣREE）為142～154μg/g，平均值為147μg/g，與 東 西 伯 利 亞 海 表 層 沉 積 物 的ΣREE（120～175μg/g）相近[22]。輕稀土總量（ΣLREE）為127～139μg/g，平 均 值 為132μg/g；重 稀 土 總 量（ΣHREE）為14～16μg/g，平均值為15μg/g。LREE/HREE比值為8.4～9.6。在隨時(shí)間序列的變化上（圖3），ΣREE、ΣLREE和ΣHREE在8.3～4.5 cal.kaBP變化較為頻繁，且稀土元素總量呈現(xiàn)逐漸增加；4.5 cal.kaBP之后稀土元素總量開始減少，其余參數(shù)的變化較小。

圖3 LV77-36巖心稀土元素含量及分異參數(shù)垂向變化Fig.3 Profiles of rare earth elements and parameters for core LV77-36

表3 LV77-36巖心碎屑組分稀土元素含量及主要參數(shù)Table 3 Contents and parameters of rare earth elements from detrital components of core LV77-36

北美頁巖（NASC）標(biāo)準(zhǔn)化后的計(jì)算結(jié)果顯示，δCe的值為0.86～0.90，平均值為0.87，整體表現(xiàn)為Ce弱負(fù)異常；δEu的值為0.99～1.05，平均值為1.02，基本無異常[47]。由圖4可以發(fā)現(xiàn)，8.3 cal.kaBP以來LV77-36巖心的NASC標(biāo)準(zhǔn)化稀土配分曲線很相似，差別較小。該巖心沉積物的稀土配分曲線整體顯示為平坦的稀土元素分布模式，稍微右傾，中稀土和重稀土較輕稀土出現(xiàn)虧損。

3.3 主成分分析

為提取出LV77-36巖心沉積物中各元素之間的內(nèi)在關(guān)系，本文利用SPSS 24軟件對沉積物碎屑組分中的主微量元素和稀土元素共17個(gè)變量進(jìn)行主成分分析，采用最大方差法，經(jīng)過正交旋轉(zhuǎn)后提取出4個(gè)公因子，累積方差大于80%，能較好地代表樣品整體的變化。因子載荷矩陣如表4所示，因子1和因子2的方差貢獻(xiàn)分別為33.15%和20.90%，是影響沉積物元素地球化學(xué)分布的主要因素。因子1主 要 由MgO、Fe2O3、Al2O3和Rb、Co、Th以及V等元素組成，其中主量元素如Fe2O3、Al2O3屬造巖礦物，海洋沉積物中可以表征陸源組分[51]，而微量元 素Co、Th、V分別 與Al2O3（R=0.512、0.507、0.653）和Fe2O3（R=0.936、0.663、0.839）具有很好的正相關(guān)關(guān)系，也可以代表陸源物質(zhì)的輸入。因子2是Y、REE、Ta、TiO2、Ba的組合，稀土元素具有較強(qiáng)的抗遷移性，能較好地反映母巖的化學(xué)性質(zhì)，因而可以作為示蹤物源的重要指標(biāo)[24,52]，其中TiO2元素主要在陸源黏土礦物中富集，性質(zhì)穩(wěn)定，基本隨礦物一起搬運(yùn)、沉積[53]，因此，因子2也可以作為指示陸源沉積物的指標(biāo)。因子3的方差貢獻(xiàn)率為15.48%，主要是Hf和Zr兩種元素。Hf和Zr等高場強(qiáng)元素傾向富集在鋯石等粗顆粒重礦物中，表明該巖心沉積物受到富含重礦物的物質(zhì)影響。根據(jù)Astakhov等人對東西伯利亞陸架沉積物的研究，這類重礦物元素與西伯利亞地臺的古老結(jié)晶巖有關(guān)[23]。因此，因子3主要反映了西伯利亞地臺物質(zhì)的輸入。因子4的方差貢獻(xiàn)率為14.66%，主要由Sr和CaO組成，這兩種元素常富集在碳酸鹽巖中，在海洋沉積物中的富集往往與生物作用有關(guān)。有研究發(fā)現(xiàn)，馬更些河沉積物以富碎屑碳酸鈣為特征[54-55]。Viscosi-Shirley指出北極西伯利亞陸架表層沉積物中Sr的富集主要是新西伯利亞群島地區(qū)未成熟砂巖的影響[32]。本研究樣品前處理已去除生物碳酸鈣，因子4可能代表馬更些河/新西伯利亞群島沉積物的輸入。

表4 LV77-36巖心沉積物主微量元素因子載荷矩陣Table 4 Factor loading matrix of major and trace elements in core LV77-36

4 討論

4.1 潛在源區(qū)的地球化學(xué)特征

LV77-36巖心位于東西伯利亞陸架，前人研究發(fā)現(xiàn)東西伯利亞海的陸源沉積物主要來自河流搬運(yùn)、海岸侵蝕和風(fēng)塵輸入[26-27,56]。由于鮮見該區(qū)域風(fēng)塵物質(zhì)的地球化學(xué)組成報(bào)道，本文將不做討論。因此，東西伯利亞海沉積物的潛在來源主要包括：①北極主要河流（勒拿河、因迪吉爾卡河、亞納河、科雷馬河和馬更些河）攜帶的懸浮物質(zhì)；②洋流和海冰搬運(yùn)的周邊海域沉積物；③西伯利亞大陸、北美大陸和島嶼的海岸侵蝕產(chǎn)物。表5中列出潛在源區(qū)的相關(guān)元素平均含量，各源區(qū)典型的稀土元素地球化學(xué)特征如圖4所示。

表5 東西伯利亞海潛在源區(qū)及其元素平均含量Table 5 Potential source areas of the ESS and their mean element contents

4.2 東西伯利亞陸架沉積物的來源

通過元素的主成分分析可知，因子1和因子2主要由陸源碎屑元素控制，其中MgO、Al2O3和REE的富集指示沉積物中有頁巖的加入[32]，而因迪吉爾卡河和亞納河的頁巖含量較高[29]。黏土礦物的證據(jù)也表明，東西伯利亞海表層沉積物中的伊利石主要來自因迪吉爾卡河[9,57-58]。最近的研究也指出因迪吉爾卡河在很大程度上控制了東西伯利亞海黏土礦物（＜2μm）的組成[59]，而LV77-36巖心沉積物的粒度組分以黏土（＜4μm）為主（46.2%～57.8%）[23]。因此，因子1和因子2所指示的陸源碎屑物的大部分黏土組分可能來自亞納河、因迪吉爾卡河。

因子3代表的西伯利亞地臺古代結(jié)晶巖可通過勒拿河以及海岸侵蝕搬運(yùn)至拉普捷夫海，后隨著西伯利亞沿岸流向東進(jìn)入研究區(qū)。除此之外，衛(wèi)星數(shù)據(jù)顯示，現(xiàn)代條件下，北極夏季時(shí)研究區(qū)未被永久性海冰覆蓋（圖1a）。西伯利亞陸架形成的冰間湖有利于大量細(xì)粒沉積物保存在季節(jié)性海冰中[14]，在夏季，破碎的海冰可以作為沉積物的搬運(yùn)載體。此外，在+AO時(shí)，穿極流將含有勒拿河、亞納河和西伯利亞地臺物質(zhì)的海冰攜帶至東西伯利亞海（圖1b）。

因子4主要代表馬更些河和新西伯利亞群島的物質(zhì)輸入。前人研究認(rèn)為，波弗特海陸架主要接收馬更些河物質(zhì)的供給[60]。根據(jù)波弗特環(huán)流的運(yùn)移路徑（圖1b），在-AO時(shí)，波弗特環(huán)流可以將馬更些河沉積物通過海冰搬運(yùn)至東西伯利亞海邊緣。目前在東西伯利亞海深水區(qū)發(fā)現(xiàn)有來自波弗特海的高嶺石[19]，并進(jìn)入穿極流中繼續(xù)向北搬運(yùn)[33]。我們認(rèn)為馬更些河物質(zhì)雖不能直接到達(dá)東西伯利亞陸架，但可能通過穿極流的循環(huán)對研究區(qū)產(chǎn)生影響。新西伯利亞群島冰群主要通過海岸侵蝕為研究區(qū)提供沉積物[23]。

稀土元素配分圖（圖4b）顯示，LV77-36巖心沉積物與勒拿河懸浮物質(zhì)和拉普捷夫海表層沉積物的稀土元素配分模式最為相似，與馬更些河和亞納河較接近，但馬更些河較研究區(qū)而言更為富集重稀土，亞納河則呈現(xiàn)明顯的Eu正異常。（La/Sm）NASC和（La/Yb）NASC關(guān)系圖（圖5）顯示，拉普捷夫海沉積物對LV77-36巖心的影響小于勒拿河，可能說明LV77-36巖心沉積物中來自拉普捷夫海的顆粒物質(zhì)主要沉積的是勒拿河物質(zhì)。勒拿河口沉積物再懸浮后，在西伯利亞沿岸流的作用下向東搬運(yùn)到研究區(qū)（圖1）。因此，LV77-36巖心沉積物稀土元素受到多種來源的影響，主要是勒拿河和拉普捷夫海，其次是馬更些河和亞納河。

圖5 LV77-36巖心沉積物和潛在物源的（La/Sm）N ASC與（ La/Yb）N ASC關(guān)系圖數(shù)據(jù)來源：鄂霍茨克-楚科奇火山帶、維爾霍楊斯克褶皺帶、西伯利亞克拉通和西西伯利亞地臺：GEOROC數(shù)據(jù)庫；拉普捷夫海[22]；東西伯利亞海（西部和東部）[23]、楚科奇海[23]；哈坦加河[48]、勒拿河[48]、亞納河[48]；馬更些河[49-50]。Fig.5 Plot of（La/Sm）NASC versus（La/Yb）NASC in core LV77-36 and potential sediment source end-members Data sources:Okhotsk-Chukotka volcanic belt,Verhoyansk fold belt,Siberian Craton and West Siberian platform:GEOROC Database;Laptev Sea[22];East Siberian Sea（West and East）and Chukchi Sea[23];Khatanga River,Lena River and Yana River [48]; Mackenzie River[49-50].

4.3 中全新世以來物質(zhì)來源的演化

由圖4可以發(fā)現(xiàn)，LV77-36巖心沉積物不同層位的稀土元素配分模式非常相似，稀土元素豐度的差異較小，說明中全新世以來沉積物的來源穩(wěn)定。為定量表示8.3 cal.kaBP以來東西伯利亞陸架沉積物碎屑物質(zhì)來源的變化，本文采用Pisias等人總結(jié)的利用元素進(jìn)行多元統(tǒng)計(jì)示蹤的方法[61]。該方法基于Matlab平臺，主要步驟是：①Q(mào)型因子分析：將選定的各元素輸入程序后，判斷沉積物可能的組成端元，以及各端元的元素含量；②約束最小二乘法多元線性回歸：將各端元選定元素和研究站位對應(yīng)元素輸入程序后進(jìn)行擬合，模型殘差絕對值之和最小的端元組合為最優(yōu)解。該方法目前已用于日本海[62]、中國東海[63]和南太平洋[64]等地的沉積物物源演化的重建工作。

圖4 LV77-36巖心碎屑組分稀土元素北美頁巖標(biāo)準(zhǔn)化配分圖a.樣品與所有潛在端元, b.樣品與相似潛在端元。數(shù)據(jù)來源：鄂霍茨克-楚科奇火山帶、維爾霍楊斯克褶皺帶、西伯利亞克拉通和西西伯利亞地臺：GEOROC數(shù)據(jù)庫；拉普捷夫海[22]；東西伯利亞海（西部和東部）、楚科奇海[23]；哈坦加河、勒拿河、亞納河[48]；馬更些河[49-50]。Fig.4 The NASC-normalized patterns of detrital components of rare earth elements in core LV77-36 a.Sample with all potential end-members, b.samples with similar potential end-members. Data sources: Okhotsk-Chukotka volcanic belt,Verhoyansk fold belt,Siberian Craton and West Siberian platform:GEOROC Database;Laptev Sea[22];East Siberian Sea（West and East）and Chukchi Sea [23];Khatanga River,Lena River and Yana River[48];Mackenzie River[49-50].

由于東西伯利亞海及其周邊區(qū)域的研究數(shù)據(jù)有限，Sc、Cr元素未有數(shù)據(jù)記錄，故而將Sc、Cr等物源判別元素剔除，選取物源指示意義較強(qiáng)的Al、Ti、Rb、Th和Zr元素進(jìn)行多元統(tǒng)計(jì)。對LV77-36巖心沉積物中的Al、Ti、Rb、Th和Zr元素進(jìn)行Q型因子分析，結(jié)果顯示為3個(gè)端元，可以解釋99.98%的數(shù)據(jù)變率。如圖6所示，端元1可以解釋43.7%的數(shù)據(jù)變率，代表元素為Ti；端元2可以解釋43%的數(shù)據(jù)變率，代表元素為Th；端元3可以解釋13.3%的變化，代表元素主要為Zr。

圖6 Q型因子分析得分Fig.6 Analysis score of Q-type factor

Q型因子分析確定的3個(gè)端元再進(jìn)行約束最小二乘法多元線性回歸計(jì)算。LV77-36巖心沉積物的主成分和稀土元素分析得出，研究區(qū)沉積物的來源有勒拿河、亞納河、因迪吉爾卡河、馬更些河和西伯利亞地臺與新西伯利亞群島，但因迪吉爾卡河和新西伯利亞群島的Al、Ti、Rb、Th和Zr元素?cái)?shù)據(jù)缺失。因此，本文選取西伯利亞克拉通①數(shù)據(jù)來源為GEOROC數(shù)據(jù)庫。、西西伯利亞地臺①、維爾霍楊斯克褶皺帶①、鄂霍茨克-楚科奇火山帶①、哈坦加河[48]、勒拿河[48]、亞納河[48]和馬更些河[49-50]8個(gè)Al、Ti、Rb、Th和Zr元素?cái)?shù)據(jù)充分的源區(qū)，利用約束最小二乘法迭代計(jì)算代碼進(jìn)行匹配。結(jié)果顯示，勒拿河、馬更些河和西西伯利亞地臺在LV77-36巖心沉積物中陸源碎屑物質(zhì)的貢獻(xiàn)上具有年代上的差異。勒拿河輸入在LV77-36巖心沉積物碎屑組分的貢獻(xiàn)中占主要部分，馬更些河沉積物的相對貢獻(xiàn)較小，而西西伯利亞地臺的貢獻(xiàn)最小。勒拿河與西西伯利亞地臺代表西伯利亞端元，馬更些河代表北美端元，相對中全新世而言，晚全新世時(shí)期西伯利亞端元的物質(zhì)相對貢獻(xiàn)有所下降，北美端元相對增加（圖7）。

4.4 沉積物來源變化對古環(huán)境演變的響應(yīng)

主成分分析結(jié)果顯示，因子1和因子2代表的元素組合可以指示陸源碎屑。將LV77-36巖心的因子1、因子2以及沉積速率與65°N夏季日射量[65]、全球海平面變化曲線[66]、格陵蘭NGRIP冰心的δ18O[67]和拉普捷夫海PS51/80-13巖心的孢粉通量[68]進(jìn)行對比（圖8）。

前人研究結(jié)果認(rèn)為，11.4 cal.kaBP以來，東西伯利亞海邊緣的海平面快速上升[15]，導(dǎo)致海岸線持續(xù)向南后退，東西伯利亞陸架也從陸相過渡為淺海相[69]，導(dǎo)致海岸侵蝕加劇[19]，為研究區(qū)提供了大量由河流排泄和海岸侵蝕輸送的陸源物質(zhì)。Klemann等認(rèn)為全新世以來拉普捷夫海和東西伯利亞海的海平面變化范圍大致相同，約8 cal.kaBP上升至-20～-10 m[70]，前文提到德米特里-拉普捷夫海峽水深在-20 m左右，也就是說在8 cal.kaBP左右海峽可能已經(jīng)打開。海峽的開通為勒拿河、亞納河以及拉普捷夫海物質(zhì)向東西伯利亞海的運(yùn)輸提供了通道，這些來源的沉積物隨著西伯利亞沿岸流輸送至東西伯利亞海。LV77-36巖心沉積物的沉積速率和因子1及因子2載荷也顯示8.3 cal.kaBP左右陸源物質(zhì)輸入的增加（圖8），表明此階段輸送到東西伯利亞陸架的陸源物質(zhì)大量增加。

前人通過對巖心沉積物的研究，重建了全新世以來西伯利亞邊緣海的海冰變化。H?rner等人用海冰生物標(biāo)志物（IP25）重建冰期后拉普捷夫海西部的海冰覆蓋條件的變化，研究顯示在全新世中期—晚期，隨著日射量減少，海冰覆蓋增加，并且河流徑流增強(qiáng)[71]，使得匯入到拉普捷夫海的勒拿河和亞納河的物質(zhì)，以及海岸侵蝕物質(zhì)，在西伯利亞沿岸流和穿極流的作用下搬運(yùn)至東西伯利亞海。因此，研究區(qū)可以接收來自西伯利亞端元的物質(zhì)。Stein等人通過對巖心PS72/350和ARA2B-1A的IP25研究發(fā)現(xiàn)，全新世中期東西伯利亞海和楚科奇海的海冰覆蓋面積也在逐漸減少[4]，加上7～1.8 cal.kaBP以來北美河流的徑流量與輸沙量的大幅下降[72]和波弗特環(huán)流的減弱[73]，從而導(dǎo)致馬更些河的物質(zhì)輸入較少。因此西伯利亞端元和北美端元的貢獻(xiàn)比例差異較大（圖7）。

圖7 物源區(qū)的相對貢獻(xiàn)變化圖Fig.7 The relative contribution of provenance area

Rudenko等通過對拉普捷夫海PS51/80-13巖心沉積物中孢粉通量進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)在6～5 cal.kaBP和2.5～2 cal.kaBP期間沉積物中記錄了孢粉的峰值（圖8），格陵蘭冰芯的δ18O值也呈現(xiàn)低值的趨勢，表明這兩個(gè)時(shí)期氣候非常溫暖。LV77-36巖心沉積物也顯示約6 cal.kaBP以來，陸源物質(zhì)輸入逐漸減少（圖8），進(jìn)一步說明海冰覆蓋減少影響研究區(qū)沉積物的物質(zhì)分布與沉積。

圖8 早全新世以來的環(huán)境記錄對比圖a.全球海平面曲線[67]，b.65°N夏季日射量[66]，c.格陵蘭NGRIP冰心的δ18O[68]，d.拉普捷夫海PS51/80-13巖心的孢粉通量[69]，e.LV77-36巖心沉積速率，f.LV77-36巖心主成分分析因子2，g.LV77-36巖心主成分分析因子1。Fig.8 Comparison of different records since Early Holocenea.Global sea level curve[67], b.Amount of solar radiation in summer at 65°N[66],c.δ18O in ice core NGRIP of Greenland[68],d.Palynological flux in core PS51/80-13[69],e.Deposition rate in core LV77-36,f.Factor 2 in core LV77-36,g.Factor 1 in core LV77-36.

記錄顯示，全新世晚期氣候普遍較冷[74]，勒拿河流域的植被中也記錄了東北西伯利亞地區(qū)2 cal.kaBP以來氣溫降低的信息[75]，Stein通過IP25記錄也指出楚科奇海自2 cal.kaBP以來由于日射量減少，海冰覆蓋增加[4]。根據(jù)北極濤動的變化周期，1.5 cal.kaBP之后，-AO占據(jù)主要位置，波弗特環(huán)流的作用增強(qiáng)，向東西伯利亞海一側(cè)延伸，而穿極流被限制在北極西伯利亞一側(cè)[42-43]。另外，2 cal.kaBP以來西伯利亞沿岸流的影響在不斷減弱[23]，使得勒拿河、西西伯利亞地臺和亞納河等物質(zhì)輸入減少，因而全新世晚期較中期而言，馬更些河的貢獻(xiàn)比例（并不代表絕對輸入量）有所增加（圖7），具體機(jī)制有待進(jìn)一步深入研究。

5 結(jié)論

（1）對LV77-36巖心沉積物的元素進(jìn)行主成分分析。因子1和因子2代表陸源物質(zhì)的輸入；因子3反映沉積物受含有重礦物的物質(zhì)影響；因子4指示沉積物受到陸源碎屑碳酸鹽巖和未成熟砂巖的影響。

（2）通過主成分分析和稀土元素分析，LV77-36巖心沉積物源不僅有勒拿河、亞納河、因迪吉爾卡河和馬更些河的河流輸入，而且包含西伯利亞地臺與新西伯利亞群島的海岸侵蝕物質(zhì)。

（3）中全新世以來，LV77-36巖心沉積物來源較穩(wěn)定，只是物源間的相對貢獻(xiàn)有一定程度的波動。東西伯利亞陸架沉積物的來源以西伯利亞端元的物質(zhì)供應(yīng)為主，北美端元的貢獻(xiàn)較小。相較全新世中期，晚期時(shí)西伯利亞端元的相對貢獻(xiàn)減小，北美端元增加。

（4）中全新世以來古環(huán)境和古氣候的變化影響著LV77-36巖心沉積物中陸源物質(zhì)貢獻(xiàn)的差異。在中全新世，拉普捷夫海海冰增加、楚科奇海海冰減少，使研究區(qū)中西伯利亞端元的物質(zhì)貢獻(xiàn)較大；在全新世晚期，隨著楚科奇海冰的增加、西伯利亞沿岸流的減弱和波弗特環(huán)流的增強(qiáng)，北美端元的物質(zhì)貢獻(xiàn)比例有所增加。

致謝：感謝第一次中俄北極聯(lián)合科學(xué)考察的全體工作人員為本文提供的樣品支持。