海洋地质与环境重点实验室知识库

  第四纪以来西北太平洋是亚洲大陆和周围火山岛弧物质的主要“汇”，其中的沉积物不仅记录了全球变化的信息、而且蕴含着亚洲大陆和火山岛弧古气候和古环境变化的信息。然而，由于西北太平洋复杂的沉积环境，不同区域的沉积记录不仅受到全球气候变化的影响，而且受到区域地质环境的制约，为了从中识别出全球和区域变化的信息，需要开展不同沉积环境沉积记录的的综合对比研究。论文以西北太平洋北部九州-帕劳海脊、中部帕里西-维拉海盆和南部西太平洋暖池核心区三个不同沉积环境的代表性岩心沉积物（分别为DSDP 296孔、PV090102孔和U1490B孔）为研究对象，通过分析沉积物的粒度、黏土矿物和石英单矿物特征等，对第四纪以来沉积物的来源和输入变化进行了研究，以探讨西北太平洋不同沉积环境沉积物源区及其对气候变化的响应。

  位于西北太平洋北部九州-帕劳海脊的DSDP 296孔沉积物中黏土矿物以伊利石（53%）和蒙皂石（30%）为主，绿泥石（13%）和高岭石（4%）含量较低。物源分析结果表明，伊利石、绿泥石和高岭石主要来源于亚洲大陆，蒙皂石主要来源于周围火山岛弧。对伊利石和蒙皂石的含量，以及（伊利石+绿泥石+高岭石）/蒙皂石进行滤波分析，结果表明，0.7 Ma以来，伊利石含量、蒙皂石含量和（伊利石+绿泥石+高岭石）/蒙皂石比值的100 kyr周期明显增强，这与受冬季风控制的中国黄土高原风尘通量以及中国黄土高原石英粒度的周期性变化一致，并且明显不同于受西风控制的洛川剖面细组分粒度的周期性变化，表明DSDP 296孔的风尘沉积物主要受东亚冬季风影响。中更新世以来，（伊利石+绿泥石+高岭石）/蒙皂石比值的显著增加，与亚洲内陆风尘通量的增加一致，表明其响应了中更新世亚洲内陆的干旱增强。此外，（伊利石+绿泥石+高岭石）/蒙皂石比值的主导周期在早中晚更新世分别为405 kyr、173 kyr和100 kyr，并且在1.4-1.0 Ma发生强烈的改变，这与全球海洋长偏心旋回的重组时间（1.6 Ma以来）一致，表明其响应了中更新世气候转型（MPT）气候重组的变化。（伊利石+绿泥石+高岭石）/蒙皂石比值在冰期较高，间冰期较低，表明冰期亚洲大陆来源的黏土矿物向研究区输入相对增加，这是由于北半球冰盖（NHIS）在冰期增加，亚洲内陆干旱化加剧，东亚冬季风增强导致的。此外，（伊利石+绿泥石+高岭石）/蒙皂石比值的交叉谱分析和演化频谱分析结果表明，2.58-1.25 Ma，该比值在405 kyr出现明显峰值，表明亚洲大陆风尘输入九州-帕劳海脊主要受低纬热带过程的调节；1.25-0.7 Ma，该比值出现了明显的173 kyr周期，表明北半球冰盖的扩张对低纬热带过程产生了影响，进而影响到亚洲大陆风尘对九州-帕劳海脊的贡献；0.7 Ma至今，173 kyr和405 kyr旋回消失，并且出现了强烈的100 kyr周期，表明此时亚洲大陆风尘向九州-帕劳海脊的输入主要受北半球冰盖的影响。

  位于帕里西-维拉海盆的PV090102孔沉积物中石英的含量平均为3.8%，粒度分布范围为0.7-35.0 μm，主要由众数粒径为3.2 μm的细粒端元（EM1）和众数粒径为9.5 μm的粗粒端元（EM2）组成。其中EM1端元的石英呈次棱角状/次圆状，表面有明显的碰撞凹坑，具有典型的风尘石英特征；EM2端元的石英呈棱角状，大部分石英颗粒表面有大面积的溶蚀痕迹，少数表面光滑，具有火山岛弧来源石英的特征。石英δ¹⁸O值和结晶度指数分析结果表明，EM1端元的石英主要来源于塔克拉玛干沙漠和蒙古戈壁；EM2端元的石英来自于火山岛弧和海脊。中更新世（约1.2 Ma）以来，风尘石英的通量比早更新世增加了3倍，这与帕里西-维拉海盆总的风尘通量、亚洲内陆风尘堆积速率，以及全球范围内风尘通量的增加是一致的，表明帕里西-维拉海盆的风尘石英敏感地响应了中更新世亚洲内陆的干旱变化。PV090102孔黏土矿物以伊利石（48%）和蒙皂石（34%）为主，绿泥石（13%）和高岭石（6%）含量较低。通过将PV090102孔黏土矿物的组合特征和含量与潜在源区对比，并结合其特征参数和形貌特征，表明蒙皂石主要来源于帕里西-维拉海盆周围的火山岛弧，伊利石、绿泥石和高岭石主要来源于亚洲大陆风尘。伊利石、绿泥石和高岭石的堆积速率在中更新世气候转型期均呈增加趋势，这与该孔总的风尘通量和风尘石英通量的变化趋势一致，均与亚洲大陆干旱化增强一致，同时与全球范围内风尘通量的增加一致，表明其响应了中更新世气候转型期亚洲内陆和全球范围的干旱。

  位于西太平洋暖池核心区的U1490B孔第四纪以来的黏土矿物由蒙皂石、伊利石、绿泥石和高岭石四种主要黏土矿物组成，其中蒙皂石（40%）、伊利石（35%）含量较高。通过蒙皂石含量、伊利石含量、伊利石结晶度指数、伊利石化学指数和黏土矿物组合特征等指标与可能源区（如：亚洲大陆、澳大利亚、四国海盆、九州-帕劳海脊等火山岛弧）对比研究，并结合相关地质背景进行分析，初步认为2.58-1.25 Ma，U1490B孔黏土矿物伊利石、绿泥石和高岭石的源区为亚洲大陆和澳大利亚，而蒙皂石主要来源于周围的火山岛弧。1.25 Ma至今，澳大利亚来源的伊利石、绿泥石和高岭石减少，亚洲大陆来源的上述三种黏土矿物增加。火山岛弧来源的蒙皂石没有明显变化。伊利石、绿泥石和高岭石来源的变化，反映了这一时期ITCZ的北缘向南移动，表明此时西伯利亚高压相对增强（北半球季风相对于南半球季风增强）。1.2-0.9 Ma以来，亚洲大陆来源的黏土矿物（伊利石、绿泥石和高岭石）沉积通量以及（伊利石+绿泥石+高岭石）/蒙皂石比值明显增加，这与柴达木盆地蒿/藜以及中国黄土风尘通量反映的亚洲大陆干旱的变化一致，表明其响应了中更新世以来的亚洲内陆的干旱加强，1.2 Ma以来西太平洋暖池核心区伊利石等黏土矿物的通量可以作为亚洲内陆气候变化的示踪指标。

  西北太平洋不同沉积环境的黏土矿物主要来源于亚洲大陆和周围火山岛弧，其中，伊利石、绿泥石和高岭石主要来源于亚洲大陆，蒙皂石主要来源于火山岛弧。第四纪以来西北太平洋风尘沉积物主要受控于低空的东亚冬季风和高空的西风急流系统。由于东亚冬季风和西风垂直分布范围与水平分布范围的不同，导致不同站位的风尘沉积物所受的搬运动力不同。西北太平洋不同沉积环境的风尘沉积物均对中更新世气候转型有一定的响应，且低纬地区可能比高纬地区对中更新世气候转型的响应更加敏感。

第1章 引言     1

1.1  选题背景及研究意义    1

1.2  第四纪以来西北太平洋沉积物研究现状   2

1.2.1  第四纪以来西北太平洋沉积物的来源   2

1.2.2  第四纪以来西北太平洋沉积物的沉积响应   4

1.3  存在的问题     6

1.4  所开展研究的创新性    6

1.5  发展趋势分析与未来研究建议    6

1.6  主要完成的工作     6

第2章 区域地质概况     8

2.1  研究区位置     8

2.2  研究区地形地貌     10

2.3  研究区构造背景     10

2.4  研究区沉积特征     12

2.5  研究区水文特征     13

2.5.1  水温和盐度   13

2.5.2  表层流   14

2.5.3  底层流   15

2.6  研究区气象特征     16

2.6.1  气温 16

2.6.2  降水 16

2.6.3  风   16

第3章 研究材料与方法  17

3.1  研究材料   17

3.2  技术路线   21

3.3  实验方法   22

3.3.1  矿物学分析   22

3.3.2  沉积通量      25

3.3.3  粒度测试及不同粒度端元组分的分离   25

第4章 DSDP 296孔的风尘沉积记录及古气候意义 27

4.1  石英   27

4.1.1  石英的粒度组成  27

4.1.2  石英的结晶度指数和氧同位素组成 29

4.2  黏土矿物特征  31

4.2.1  黏土矿物的含量和分布特征    31

4.2.2  黏土矿物的特征参数  31

4.2.3  黏土矿物的形貌特征  32

4.3  物源分析   33

4.3.1  石英物源分析     33

4.3.2  黏土矿物物源分析     35

4.4  古气候意义     39

4.4.1  风尘物质输入九州-帕劳海脊   39

4.4.2  对中更新世气候转型的响应    40

4.4.3  频谱分析      42

4.5  小结   44

第5章 PV090102孔的风尘沉积记录及古气候意义 45

5.1  石英   45

5.1.1  石英的粒度组成和分布特征    45

5.1.2  石英的结晶度指数和氧同位素组成 47

5.1.3  石英的形貌特征  48

5.2  黏土矿物特征  49

5.2.1  黏土矿物的组成  49

5.2.2  黏土矿物的含量和特征参数    50

5.2.3  黏土矿物的形貌特征  51

5.3  沉积物通量     52

5.4  物源分析   55

5.4.1  石英物源分析     55

5.4.2  黏土矿物物源分析     57

5.5  中更新世气候转型的沉积响应    62

5.5.1  搬运动力      62

5.5.2  对中更新世气候转型的响应    63

5.6  小结   66

第6章 U1490B孔的风尘沉积记录及古气候意义   68

6.1  碎屑沉积物的粒度组成和分布特征   68

6.2  黏土矿物特征  70

6.2.1  黏土矿物的组成  70

6.2.2  黏土矿物的含量和分布特征    71

6.2.3  黏土矿物的特征参数  72

6.2.4  黏土矿物的形貌特征  73

6.3  物源分析   73

6.3.1  碎屑沉积物物源分析  73

6.3.2  黏土矿物物源分析     76

6.4  古气候意义     80

6.4.1  黏土矿物输入西太平洋暖池区 80

6.4.2  黏土矿物对中更新世气候转型的响应   81

6.4.3  ITCZ的移动  82

6.5  小结   83

第7章 不同沉积环境的差异沉积响应及影响因素  85

7. 1  第四纪以来西北太平洋不同沉积环境黏土矿物的来源 85

7. 1.1  伊利石  85

7. 1.2  蒙皂石  88

7. 1.3  绿泥石和高岭石 88

7.2  第四纪以来西北太平洋不同沉积环境的差异沉积响应  88

7.3  小结   92

第8章 结论     93

参考文献    95

致  谢  109

作者简历及攻读学位期间发表的学术论文与其他相关学术成果  110