唐正，熊志方,2，賈奇，秦秉斌，李鐵剛,2

1. 自然資源部海洋地質(zhì)與成礦作用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，青島 266061

2. 嶗山實(shí)驗(yàn)室海洋地質(zhì)過(guò)程與功能實(shí)驗(yàn)室，青島 266237

西太平洋暖池（WPWP）是全球海洋和氣候系統(tǒng)的重要組分，也是大氣圈熱量和水汽的主要來(lái)源，因此可以驅(qū)動(dòng)諸如厄爾尼諾-南方濤動(dòng)（ENSO）的全球尺度氣候事件。而西太平洋暖池的生產(chǎn)力水平被認(rèn)為在調(diào)節(jié)第四紀(jì)全球大氣CO2分壓的變化上發(fā)揮著重要作用[1-3]。之前的研究認(rèn)為，風(fēng)塵和陸源有機(jī)質(zhì)輸入是WPWP 冰期-間冰期旋回尺度生物地球化學(xué)循環(huán)的首要控制因素[4-5]。也有研究發(fā)現(xiàn)，南大洋中層水（AAIW）可以將深層上涌的高營(yíng)養(yǎng)水體通過(guò)“大洋隧道”過(guò)程水平傳輸至熱帶太平洋上層水體[6-7]，從而影響其冰期旋回中的硅質(zhì)生產(chǎn)力變化。然而冰期旋回中WPWP 生產(chǎn)力的控制因素及其主次，目前依然存在爭(zhēng)議。

初級(jí)生產(chǎn)者（硅藻）對(duì)溶解態(tài)硅酸（H4SiO4）的消耗是有效碳封存的首要先決條件[8]。硅藻生活在透光層，并利用硅酸合成生源蛋白石。生源蛋白石指示的生產(chǎn)力不僅受限于溶解態(tài)硅酸的供應(yīng)[9-10]，鐵的供應(yīng)也可以限制單獨(dú)硅藻細(xì)胞的物理狀態(tài)和生產(chǎn)速率[11]。WPWP 沉積物中生源蛋白石的含量，不僅可以記錄該海區(qū)的生產(chǎn)力水平和碳封存狀態(tài)，也能記錄陸源有機(jī)質(zhì)、南源水體和風(fēng)塵鐵輸入對(duì)WPWP的影響。本文對(duì)取自西菲律賓海的MD06-3047 站柱狀沉積物開展了生源蛋白石含量分析，探討了700 ka以來(lái)WPWP 的硅質(zhì)生產(chǎn)力變化及其控制因素。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

西菲律賓海是西太平洋最大的邊緣洋盆。沿著西太平洋的菲律賓沿岸，北赤道流（NEC）在15°N分流為向北的黑潮和向南的棉蘭老流（MC）[12-14]。NEC 分叉點(diǎn)南北移動(dòng)的年際變化，受ENSO 過(guò)程的強(qiáng)烈影響，在厄爾尼諾發(fā)生的年份分叉點(diǎn)位置位于最北端[14]。來(lái)自南大洋的AAIW 可以通過(guò)南赤道流（SEC）和新幾內(nèi)亞沿岸潛流進(jìn)入到赤道中層水（EqPIW），并成為該水體的主要來(lái)源[7,15]。東亞夏季風(fēng)和冬季風(fēng)控制了研究區(qū)的氣候，導(dǎo)致了呂宋火山巖和亞洲風(fēng)塵向該地區(qū)的陸源輸入。另外，研究區(qū)的表層海水溫度（SST）幾乎是全球最高，其季節(jié)變化最小，且年均SST 基本大于28°C[16]。研究區(qū)因較低的表層海水營(yíng)養(yǎng)鹽濃度，整體上呈現(xiàn)出較低的初級(jí)生產(chǎn)力（葉綠素a 濃度 0.04～0.07 mg/m3），而較厚的混合層也限制了富含營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的深層水體上涌[17-18]。

2 材料與方法

2.1 樣品來(lái)源

重力柱狀巖芯 MD06-3047，總長(zhǎng)度890 cm，由中-法合作航次MARCO POLO 2/IMAGES XIV 于2006 年在西菲律賓洋盆的本哈姆海臺(tái)（17°00.44'N、124°47.93'E，水深約2 510 m，圖1）獲取。該巖芯樣品主要由黃褐色粉砂質(zhì)黏土組成，未見(jiàn)明顯生物擾動(dòng)。巖芯位置位于呂宋島以東240 km，該海區(qū)主要受亞熱帶東亞季風(fēng)氣候影響[19]。

圖1 MD06-3047 巖芯站位信息圖其中，NEC：北赤道流，KC：黑潮，MC：棉蘭老流，WPS：西菲律賓海，EAWM：東亞冬季風(fēng)，EASM：東亞夏季風(fēng)。Fig.1 Location of core MD06-3047NEC: North Equatorial Current, KC: Kuroshio Current, MC: Mindanao Current, WPS: western Philippine Sea, EAWM: East Asian winter monsoon, EASM:East Asian summer monsoon.

2.2 分析方法

將巖芯按照2 cm 間隔分為445 個(gè)樣品用于分析測(cè)試。樣品在50°C 下被烘干，接著用5%的H2O2進(jìn)行處理，然后用63 μm 孔徑的篩子在去離子水下進(jìn)行沖洗，以獲取有孔蟲殼體樣品。每個(gè)樣品挑選粒徑大于150 μm 的浮游和底棲有孔蟲殼體共計(jì)300 個(gè)起進(jìn)行屬種鑒定和計(jì)數(shù)，并進(jìn)行了底棲有孔蟲表生種Cibicidoides wuellerstorfi有孔蟲穩(wěn)定氧同位素測(cè)試和溫躍層深度（DOT）的函數(shù)轉(zhuǎn)換分析[3]。

生源蛋白石含量采用濕堿消解法測(cè)定[20]，該方法的平均誤差為0.2%～1.0%，在自然資源部海洋地質(zhì)與成礦作用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室由鉬酸藍(lán)分光光度計(jì)進(jìn)行測(cè)試。具體分析測(cè)試方法為：凍干樣品研磨至200 目以下，準(zhǔn)確稱取約130～140 mg 樣品粉末，置于 50 mL 離心管中。將 5 mL 10% 過(guò)氧化氫溶液加入離心管中，震蕩并靜置 30 min 以除去有機(jī)質(zhì)；再在離心管中加入 5 mL 1∶9 鹽酸，震蕩反應(yīng) 30 min以去除碳酸鹽。隨后，加入 40 mL 去離子水并以3 000 rpm 離心 10 min，濾出上清液，并重復(fù)該過(guò)程 3次后將樣品烘干。在烘干后的樣品中加入 40 mL 2 mol/L 的 Na2CO3溶液，充分混合后放入 85 ℃ 恒溫水浴箱中提取生物硅。每小時(shí)從水浴箱中取出樣品離心 15 min，取 125 μL 上清液加入鉬酸銨溶液，配置還原劑使其顯色。每次取樣后用力搖晃試管使固體重新懸浮后，繼續(xù)水浴加熱提取，共提取 6次；該過(guò)程快速完成，以減少可溶硅在固體表面的不可逆損失。通過(guò)鉬酸鹽藍(lán)光分光光度法分步測(cè)量提取物中的溶解硅，并根據(jù)硅的質(zhì)量百分比隨時(shí)間變化得出線性回歸方程，其截距為沉積物中生源硅的含量。沉積物中的生源蛋白石含量按公式（Opal%= 2.4×BSi%）計(jì)算。

3 結(jié)果與討論

3.1 年齡框架重建

MD06-3047 巖芯的年齡框架通過(guò)將該巖芯底棲有孔蟲表生種C. wuellerstorfi的δ18O 曲線[3]和LR04 δ18O 標(biāo)準(zhǔn)曲線[21]進(jìn)行圖形比對(duì)來(lái)獲得，并且考慮了浮游有孔蟲Globigerinoides ruber(pink)的末現(xiàn)面。G. ruber(pink)的末現(xiàn)面出現(xiàn)在巖芯160 cm 處，對(duì)應(yīng)年齡為120 kaBP[22]。該巖芯地層覆蓋了海洋氧同位素期次MIS 1-17 期（圖2），記錄了WPWP 近700 ka的古海洋變化歷史。

圖2 MD06-3047 巖芯生源蛋白石含量特征A：LR04 氧同位素標(biāo)準(zhǔn)曲線[21]，B：MD06-3047 巖芯底棲有孔蟲C. wuellerstorfi 氧同位素[3]，C：MD06-3047 巖芯生源蛋白石含量，D：MD06-3047 巖芯總有機(jī)碳含量[23]。圖中灰色條帶為間冰期。Fig.2 Characteristics of biogenic opal content in core MD06-3047A: LR04 oxygen isotope standard curve[21], B: benthic foraminifera[3], C: oxygen isotope of benthic foraminifera C. wuellerstorfi, D: total organic carbon content[23]. The gray bars in this figure are interglacial periods.

3.2 冰期旋回中的西太平洋暖池生源蛋白石含量特征

MD06-3047 巖芯的生源蛋白石含量在700 ka以來(lái)平均值為3.10%，最大值8.46%，最小值1.40%。在冰期-間冰期旋回中，其階段性低值往往出現(xiàn)在間冰期；而在大多數(shù)間冰期的中后期到緊接著的冰期，對(duì)應(yīng)著有孔蟲氧同位素記錄的全球冰量增加[3,21]，生源蛋白石含量往往呈現(xiàn)出階段性上升的趨勢(shì)（圖2C）。其最大值出現(xiàn)在MIS 5.4 期，基本對(duì)應(yīng)著MIS 5.5 期到MIS 5.4 期全球冰體積的迅速增加。在MIS 11 期以前，其冰期旋回尺度的變化幅度相對(duì)較小，而在MIS 11 期之后顯著增大。與同為生產(chǎn)力指標(biāo)的總有機(jī)碳含量（TOC）比較（圖2D）[23]，在冰期旋回中整體變化趨勢(shì)一致，即大致呈現(xiàn)出了冰期高、冰消期和間冰期低的特點(diǎn)。

3.3 西太平洋暖池硅質(zhì)生產(chǎn)力控制因素

可能影響WPWP 硅質(zhì)生產(chǎn)力的因素包括：風(fēng)塵帶來(lái)的Si 和Fe[2,23]、陸架物理剝蝕和硅酸鹽風(fēng)化導(dǎo)致的陸源有機(jī)質(zhì)輸入[24-25]、與類ENSO 過(guò)程相關(guān)的溫躍層動(dòng)力機(jī)制[26-27]和南大洋“硅溢漏”[28]。我們認(rèn)為，表層海水硅藻生產(chǎn)力的勃發(fā)需要3 個(gè)條件：① 充足的硅酸鹽供應(yīng)；② 可供生物利用的鐵的供給；③ 營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)在表層水體較小的縱向空間和充分的滯留時(shí)間。根據(jù)上述研究提出的可能影響因素，結(jié)合硅藻生長(zhǎng)所需條件，我們假設(shè)：亞洲陸源輸入和南大洋為研究區(qū)供應(yīng)硅酸；亞洲風(fēng)塵Fe 的輸入為水體提供Fe 供給；DOT 的深淺改變了混合層的深度，從而影響了硅酸和Fe 在表層水體的縱向空間和滯留時(shí)間。

通過(guò)與本巖芯風(fēng)塵通量和溶解Fe 含量的比較（圖3A，B）[23]，我們發(fā)現(xiàn)生源蛋白石和這兩項(xiàng)風(fēng)塵指標(biāo)基本都在冰期表現(xiàn)為高值，而冰消期時(shí)蛋白石的低值也往往對(duì)應(yīng)著風(fēng)塵的低值。這說(shuō)明風(fēng)塵通過(guò)Fe 的輸入對(duì)WPWP 生產(chǎn)力的影響符合我們的假設(shè)。而通過(guò)與本巖芯DOT 記錄的比對(duì)，發(fā)現(xiàn)生源蛋白石在冰期時(shí)的高值往往對(duì)應(yīng)DOT 較淺的時(shí)期；其低值期，DOT 也往往較深（圖3D）。這和我們的假設(shè)一致，即較淺的溫躍層可以減少營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和Fe 的垂向空間，增強(qiáng)其在透光層的滯留，為硅藻的生成創(chuàng)造時(shí)間窗口。而DOT 較深時(shí)，往往是北赤道流輸送至WPWP 核心區(qū)的寡營(yíng)養(yǎng)水體逐漸聚集、堆積，不利于硅藻的生長(zhǎng)。為了驗(yàn)證南大洋“硅溢漏”對(duì)WPWP 硅質(zhì)生產(chǎn)力的影響，我們比對(duì)了南大洋南極帶上升流區(qū)的生源蛋白石記錄和南半球西風(fēng)帶（SWW）記錄（圖3E，F(xiàn)）[29-30]，發(fā)現(xiàn)其最顯著特征是在每個(gè)冰消期呈現(xiàn)出峰值，意味著冰消期SWW的南移和增強(qiáng)，導(dǎo)致了南極帶風(fēng)驅(qū)上升流的增強(qiáng)、富硅深層水體進(jìn)入南極中層水和亞南極模態(tài)水并進(jìn)一步向低緯的上層水體輸送[29]。然而這一冰消期“硅溢漏”特征在WPWP 的生源蛋白石記錄中并未得到響應(yīng)。這說(shuō)明冰消期南大洋“硅溢漏”未能影響到WPWP 的硅質(zhì)生產(chǎn)力。另外，來(lái)自東菲律賓海的硅藻席硅同位素的研究也表明，末次盛冰期南大洋“硅溢漏”并未顯著影響到研究區(qū)[18]。本巖芯生源蛋白石含量并未在末次盛冰期出現(xiàn)峰值，可能與年齡框架的不確定性、生源蛋白石的保存狀況有關(guān)（圖3C）。而跟海平面記錄的比對(duì)（圖4B）[31]，則進(jìn)一步支持了我們的假設(shè)，即低海平面時(shí)裸露的東呂宋陸架的硅酸鹽物理剝蝕和化學(xué)風(fēng)化可能為研究區(qū)表層海水提供了硅酸和有機(jī)質(zhì)，導(dǎo)致了生源蛋白石的增長(zhǎng)，這與前人在這一海區(qū)的研究一致[25,32]。

圖3 MD06-3047 巖芯生源蛋白石含量與潛在控制因素比對(duì)MD06-3047 相關(guān)參數(shù)：A：風(fēng)塵通量[23]，B：溶解鐵含量[23]，C：生源蛋白石含量，D：溫躍層深度[3]；E：南大洋南極帶ANT29/P1-03 巖芯生源蛋白石含量[29]；F：南極EDC 冰芯積累率[30]。圖中灰色條帶為間冰期，綠色半透明條帶為冰消期。Fig.3 Comparison of bornite opal concentration and potential controls in core MD06-3047Proxies in MD06-3047: A: dust flux[23], B: dissolved iron content[23], C: biogenic opal concentration, D: thermocline depth[3]. E: biogenic opal content of core ANT29/P1-03 in the Antarctic Zone of the Southern Ocean[29], and F: accumulation rate in Antarctic Epica Dome C ice core[30]. The gray bars are interglacial periods, and the green translucent bars are the deglacial periods.

圖4 MD06-3047 巖芯相關(guān)參數(shù)與全球氣候指標(biāo)比對(duì)MD06-3047 相關(guān)參數(shù)：A：風(fēng)塵通量[23]，B：全球海平面變化[31]，C：生源蛋白石含量，D：總有機(jī)碳含量[23]，E：溫躍層深度[3]；F：南極冰芯Epica Dome C 大氣CO2 濃度[1]。圖中灰色條帶為間冰期，綠色半透明條帶為冰消期。Fig.4 Comparison of MD06-3047 proxies with global climate proxiesMD06-3047 proxies: A: dust flux[23], B: global sea-level changes[31], C: biogenic opal concentration, D: total organic carbon concentration[23], E: depth of thermocline[3]; F: atmospheric CO2 concentration in the Epica Dome C ice core[1]. The gray bars are interglacial periods, the green translucent bars are the deglacial periods.

3.4 冰期WPWP 硅質(zhì)生產(chǎn)力的增強(qiáng)與pCO2atm 的降低

冰期旋回中WPWP 的生源蛋白石含量大多在冰期中處于高值，這與TOC 的含量高值基本對(duì)應(yīng)（圖4C，D）。而且WPWP 硅質(zhì)生產(chǎn)力的高值，往往對(duì)應(yīng)大氣CO2低值；其生產(chǎn)力增加的過(guò)程，則往往對(duì)應(yīng)pCO2atm迅速降低的過(guò)程。WPWP 的硅質(zhì)生產(chǎn)力，可能在冰期旋回中影響了大氣CO2的濃度[4-5]。在第四紀(jì)的冰期，同時(shí)也是低海平面期，廣泛存在的熱帶火山弧，導(dǎo)致了此時(shí)期可侵蝕沉積物的面積顯著增大，并使暴露的未固結(jié)碎屑遭受侵蝕與風(fēng)化（圖4B）[25,32]。而從裸露的東呂宋陸架入海的巨量淡水，為研究區(qū)輸入了大量陸源硅，并使生產(chǎn)力顯著提高[25,32]。低海平面時(shí)期從熱帶火山弧向深海的硅質(zhì)有效搬運(yùn)，可能調(diào)節(jié)了WPWP 的生產(chǎn)力、碳埋藏和大氣CO2濃度[24,32-33]。而亞洲風(fēng)塵，則是WPWP的鐵的首要來(lái)源，刺激了這些海區(qū)的生產(chǎn)力水平（圖4A）[2,4,18,23]。冰期時(shí)熱帶火山弧附近裸露的陸架沉積物的物理剝蝕、硅酸鹽風(fēng)化以及風(fēng)塵輸入的增加，可使WPWP 西部邊緣海的有機(jī)碳埋藏效率提高，有可能降低了冰期時(shí)的大氣CO2分壓（圖4）[1-2,24-25,32]。而在這一過(guò)程中，較淺的DOT 水平使表層海水中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的垂向空間變小、滯留時(shí)間增強(qiáng)，則進(jìn)一步提高了這一海區(qū)的生產(chǎn)力水平和碳埋藏效率（圖4E）。

3.5 冰消期南大洋“硅溢漏”在WPWP 的失效與硅質(zhì)生產(chǎn)力的降低

緊接著冰期的冰消期，南大洋西風(fēng)帶和風(fēng)驅(qū)上升流增強(qiáng)，南大洋深部的大量硅酸進(jìn)入表層，并伴隨南大洋中層水生成的增強(qiáng)向北水平輸送，進(jìn)入低緯大洋的上層水體[28-30]。然而南大洋“硅溢漏”并未導(dǎo)致WPWP 硅質(zhì)生產(chǎn)力的提高（圖4C），我們認(rèn)為這與冰消期這一海區(qū)Fe 的輸入水平有關(guān)。在冰消期，海平面迅速上升，導(dǎo)致東呂宋陸架重新被海水覆蓋，顯著降低了可侵蝕沉積物的面積，向研究區(qū)的硅質(zhì)輸入隨之減少；而亞洲風(fēng)塵輸入也明顯降低，從而降低了對(duì)這一海區(qū)的Fe 的輸入（圖3B，圖4）。即使南大洋溢漏的硅酸到達(dá)WPWP 上層水體，此時(shí)亞洲風(fēng)塵帶來(lái)的Fe 含量的驟降，將使硅藻生長(zhǎng)速率無(wú)法有效提高，從而降低了這一海區(qū)的硅質(zhì)生產(chǎn)力，使南大洋“硅溢漏”失效。而冰消期的溫躍層深度均處于較深水平（圖4E），加厚的混合層使表層水體中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)縱向空間更大、滯留時(shí)間更短，而且是自東向西的寡營(yíng)養(yǎng)上層水體堆積，這使冰消期WPWP 的硅質(zhì)生產(chǎn)力進(jìn)一步降低。冰消期降低的WPWP 硅質(zhì)生產(chǎn)力，將降低WPWP 的碳埋藏效率，并影響大氣CO2濃度（圖4F）。

4 結(jié)論

（1）700 ka 以來(lái)西太平洋暖池的硅質(zhì)生產(chǎn)力變化呈現(xiàn)顯著的冰期-間冰期旋回，基本在冰期較高，而間冰期較低。其主要控制因素可能是海平面變化引起的東呂宋陸架沉積物風(fēng)化以及亞洲風(fēng)塵輸入，改變了該海區(qū)的陸源硅酸和鐵的輸入。溫躍層深度的改變則可能強(qiáng)化了這一過(guò)程。南大洋中層水的“硅溢漏”可能無(wú)法顯著影響WPWP 的生產(chǎn)力。

（2）冰期時(shí)的低海平面，導(dǎo)致熱帶火山弧附近裸露的陸架沉積物的物理剝蝕和硅酸鹽風(fēng)化，通過(guò)淡水輸入為WPWP 提供了更多的硅酸；增強(qiáng)的風(fēng)塵輸入則為WPWP 提供了更多的Fe；冰期時(shí)較淺的DOT 使表層海水的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)垂向空間變小、滯留時(shí)間增多。這些因素使冰期的WPWP 生產(chǎn)力增高，有可能降低大氣CO2分壓。

（3）冰消期時(shí)迅速升高的海平面、亞洲風(fēng)塵輸入的減少以及溫躍層變深，都使此時(shí)可能進(jìn)入到WPWP 的南大洋“硅溢漏”失效，并使其硅質(zhì)生產(chǎn)力顯著降低。