北部灣東南部末次冰期以來環境演化與驅動機制

梁 磊，許國強，黃武軒，梁定勇，李孫雄，郝 強，黃 蓉

（1.海南省地質綜合勘察院，海南 ?？?570206；2.海南省海洋地質資源與環境重點實驗室，海南 ?？?570206；3.海南省地質調查院，海南 ?？?570206；4.成都理工大學工程技術學院資源勘查與土木工程系，四川 樂山 614000）

0 引言

自 Raymo et al.（1988）提出“構造-風化-氣候”假說以來，構造尺度上隆升控制下的大陸風化一直被認為是平衡全球碳循環和調節全球氣候的關鍵制約因素（邵菁清等，2012）；而在軌道及千年尺度上的沉積環境變化，由于區域地質背景變化較小，細致刻畫氣候變化需采用能迅速指示環境變化的代用指標（楊希冰等，2019；Hilton R G and West A J，2020；Kump L R，2000；密蓓蓓等，2020）。過去40 年來，化學蝕變指數（chemical index of alteration，CIA）廣泛應用在長江、南亞諸河（恒河、湄公河、印度河、紅河）、亞馬遜流域等地的硅酸鹽化學風化程度研究（Nesbitt H W and Young G M，1982）。同時，黏土礦物組合特征結合精確的光釋光（OSL）定年，可建立高分辨率的黏土礦物組合時間序列，進而揭示區域性氣候變化及在地質運動背景下的演化過程（程捷等，2003；史興民等，2007；何海軍等，2016）。

南海作為緊鄰西太平洋島弧和亞洲大陸的低緯邊緣海，因其較高的沉積速率而成為研究從源到匯過程、古氣候演化、特別是東亞季風的天然實驗室，我國主導了3 次以南海氣候變化和成因為重點的“國際大洋鉆探計劃（ODP）”航次，多方面論證了低緯驅動效應以及南海是特提斯洋閉合過程中形成的弧后盆這一觀點，否定了Tapponnier 所認為的青藏高原碰撞逃逸模型。南海是國際上全球變化研究的重點區域（Tapponnier P et al.,1990；孫衛東等，2018），而北部灣是南海最大且三面環陸的半封閉型淺水海灣，受海洋活動影響有限，混染較弱，更易于源區信號的剝離，對正確判識和解讀晚第四紀東亞季風，尤其是對Heinrich 事件的響應研究具有指示意義。

1 研究區概況

研究區位于海南島昌化江入?？谀蟼戎稖\水海域（圖1），處在東西向壓性構造帶昌江-瓊海深大斷裂的西端，其海底地形受海岸及等深流制約，自南東向北西呈現灘槽相間的地形格局。氣候上受控于亞熱帶—熱帶季風氣候，風向季節變化顯著，尤以冬季東北季風為最，1 月平均風速可達6～8 m/s，多年平均氣溫約24.5℃。太平洋半日潮自呂松海峽由東南方向進入南海，其分支轉向西北傳入北部灣，平均海平面與風場和氣壓場分布有關，季節性變化明顯。水動力以季風影響下的表層流為主（何海軍等，2016）。區域上，海流全年均沿逆時針方向旋轉，外海水沿東側北上，灣內水順西南下形成環流，夏季因風向變化環流強度明顯減弱。

圖1 南海東北部數字高程影像及研究區地質圖Fig.1 Digital elevation model and geological map of the study area in the northeastern South China Sea

昌化江由東向西所攜帶的下行陸相泥砂、沿岸支流匯流補給泥砂以及隨潮流所裹挾泥砂在研究區東側入海。受河口堤壩及水利樞紐影響，近年來隨潮流和徑流進入三角洲河網內的泥砂比例大幅減小，據海南省寶橋水文站觀測顯示（表1），1957年—1994 年，多年平均輸沙量約為82×104t；大廣壩水利樞紐建成后下游輸沙量驟減，1995 年—2014 年，多年平均輸沙量減至40.9×104t 且變化幅度較大，最小5.78×104t（1998 年），最大達104×104t（2001 年）。

表1 寶橋水文站流量泥沙資料統計表Table 1 Statistical table of flow and sediment data in Baoqiao Hydrological Station

2 研究方法與結果

2.1 沉積地層格架

2.1.1 地震層序特征

地震反射相特征顯示，北側海底可連續追蹤6個反射界面，自海底往下依次編號為T0（海底）、T1、T2、T3、T4 及T5（基巖或界面），相應劃分為6 個層序，編號依次為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ和Ⅵ（圖2）。

圖2 單道地震淺地層結構及層序劃分Fig.2 Shallow stratigraphic structure and sequence division

Ⅰ層：反射波頻率高、振幅高，同向軸連續性好，全區可連續追蹤。厚度變化呈現為由陸向海逐漸變厚。鉆探揭露情況顯示，巖性以砂泥質沉積物為主，見大量貝殼類生物碎屑，自西向東砂質含量有所升高。

Ⅱ層：本層底（T2）為一強波阻抗面、呈小幅度波狀起伏；層內部上層為波狀反射結構，下層呈近空白反射結構，對下伏地層有明顯的削截現象，全區可連續追蹤。

Ⅲ層：本層底（T3）為一強波阻抗面；反射波具有中高頻率，中強振幅、連續性好等特點；內部結構由空白或無反射（靠陸一側）到斜交形前積結構，外部形態整體上呈楔形結構，由東向西傾斜沉積。

Ⅳ層：該層底界為T4 反射界面，具有中振幅、中頻率，連續性中等。內部反射結構從靠岸一側開始呈近空白反射-近平行反射-雜亂反射過渡，外部整體呈席形披蓋狀，全區可連續追蹤。

Ⅴ層：該層底界為T5 反射界面。T5 界面為一強波阻抗面，呈波浪狀起伏，整體表現為中強振幅、中低頻率、連續性較差，部分地段追蹤困難。層內部表現為亞平行結構，外部形態表現為席狀披蓋狀，由陸向海傾斜。

Ⅵ層：該層位于T5 界面以下，未見底。T5 為一強波阻抗面，中強振幅、中低頻率，連續性較差，整體由陸向海傾斜，界面以下反射波的能量明顯減弱，多數呈無反射狀，局部可見一些細、密、傾斜狀的平行反射線條和次級的波阻抗面。據此，可以認為本層為固結程度比較好的沉積層或基巖。

2.1.2 沉積地層特征

通過地震和鉆孔揭露，研究區晚第四紀地層大致可以劃分為現代海洋沉積層、陸-海交互沉積層和古河道沉積層（圖3）。地層從老到新分述如下：

圖3 研究區DL14 線地震—地質綜合剖面圖Fig.3 Comprehensive seismic-geological profile of DL14 line in the study area

（1）古河道沉積層

灰白色-灰黃色-棕紅色砂礫層，不含生物碎屑，磨圓較好、分選程度不一（圖4）。

圖4 KZK03 孔底部砂礫層（a）和頂部泥質沉積物（b）Fig.4 Gravel layer at the bottom of KZK03 (a) and argillaceous sediment on the top of hole KZK03 (shell) (b)

（2）陸-海交互相沉積層

灰黃色粉砂、灰色-淺綠黏土互層，局部泥質呈團塊狀，少見粗砂、礫石，偶見生物碎屑。平行層理發育，見生物潛穴。本層沉積環境陸相和海相交替頻繁，與下伏河道相沉積層整合接觸。

（3）現代海洋沉積層

全新世以來的海相沉積，受昌化江徑流、海流、潮汐等因素影響，沉積物變化較大，以灰白色砂和灰色-黑色泥質（圖4）為主，多見生物碎屑。研究區內大致沿45°方向區分，西北一側為泥質沉積，南東一側以砂質沉積為主。在研究區南部形成墩頭沙、墩頭淺灘等北東向展的水下沙脊。

2.2 風化指標變化

化學蝕變指數（CIA=[Al2O3/(Al2O3+CaO*+Na2O+K2O)]×100，其中CaO*為存在于硅酸鹽中的CaO，各成分含量均為摩爾分數）能較好地衡量流域內，尤其是硅酸鹽累積的綜合化學風化歷史，并排除瞬時（季節性）和短時間尺度的氣候變化所帶來的干擾，因在軌道-構造尺度上能定量地評價風化不徹底的區域和重建古環境特征而得到廣泛應用。其與K2O/Na2O、K2O/CaO、Al2O3/Na2O、MgO/CaO 等多個氣候指標結合使用，相互驗證可提高古氣候信息的準確性和可靠性。

KZK03 孔采集沉積物樣品103 件，經60℃烘干后均勻取樣，利用5% HCl 剔除碳酸鹽巖類中Ca2+對指標計算時的干擾，在馬弗爐中灼燒＞2 h（600℃）稱重計算燒失量，待冷卻精確稱重50±1 mg進行消解。樣品按規范要求在國土資源部?？诘V產資源監督檢測中心X-seriesⅡ型電感耦合等離子體質譜儀完成主量元素測試分析，測試結果參見圖5。

圖5 KZK03 孔巖性與多氣候指標差異性對比Fig.5 Comparison chart of lithology and multi-climatic index in KZK03

2.3 黏土礦物特征

對KZK03 柱狀樣等距離取樣，獲取106 個沉積物樣品（含3 個表層沉積物）進行黏土礦物分析，使用黏土粒級（＜2 μm）定向薄片的X 射線衍射方法，詳細流程見Liu et al.（2003）。全部分析測試使用海南省地質測試研究中心UltimaⅣ-185 型衍射儀完成。

黏土礦物在乙二醇蒸汽飽和、加熱和自然環境三種條件下獲得的XRD 疊加圖譜綜合對比發現（圖6）伊/蒙混層（001）晶面1.7 nm 峰值明顯，蒙脫石峰值（1.4 nm）不明顯，而伊利石1 nm（001）晶面、高嶺石（001）和綠泥石（002）晶面0.7 nm 峰值較明顯。

圖6 黏土礦物典型X 射線衍射圖譜Fig.6 Typical X-ray diffraction patterns of clay minerals

3 討論

3.1 黏土礦物的物質來源

北部灣東南部陸架近岸水淺水動力較強，次生和成巖作用對黏土礦物的影響完全可以忽略，因此，應用沉積物中的黏土礦物判識古氣候的先決條件僅取決于物質來源，潛在物源區依據對河流的輸沙量大小，依次為紅河、近源海南昌化江、越南諸河及沿瓊州海峽輸來陸源碎屑物質的珠江。

紅河是北部灣的最大供給端元，直接輸入的懸浮物約125×106t，以伊利石（含量為44%）為主，高嶺石和綠泥石次之，分別為26%和23%及7%的蒙脫石。近源的海南昌化江多年平均輸沙量約為82×104t，相對紅河和珠江（69×106t）而言很小，但因受全年季風影響下逆時針的表層流及陸架淺海區沉積環境的制約，對研究區沉積物的貢獻不能忽略。黏土礦物組合上展現出富高嶺石，低蒙脫石的端元特征，通過對地震-地質剖面層序特征識別發現其輸沙量直接控制著研究區沉積速率；珠江提供的黏土礦物蒙脫石含量極低（圖7），在KZK03 沉積柱中未見d=14 的蒙脫石峰值（圖6），這是否意味著珠江通過瓊州海峽為研究區輸送碎屑物質？Gibbs（1997）和周世文等（2014）認為物理分選導致黏土礦物差異沉降，使得較大粒徑的伊利石、高嶺石和綠泥石優先沉降在靠近河口的海區，而在遠離河口的區域，粒度較小的蒙脫石相對富集，這一特征在亞馬遜河、南海東北部和密西西比河等地區研究中均得到了驗證；而越南諸河及沿瓊州海峽輸送來的物質對研究區影響甚微，其多被表層流搬運至盆地內沉積下來。

圖7 周邊源區沉積物黏土礦物組合對比三角端元圖Fig.7 Ternary diagram of the clay mineral assemblages in potential provenance

綜上所述，通過黏土礦物組合差異可有效示蹤物質來源，研究區主要由紅河和昌化江提供陸源碎屑物質，而越南沿岸小河和珠江受距離和水動力分選作用的影響，對區內物質貢獻可以忽略。紅河和昌化江兩物源區具有低蒙脫石的共性，但伊利石和高嶺石含量懸殊，紅河伊利石含量最高，綠泥石次之，昌化江高嶺石含量最高，綠泥石次之（圖7）。

3.2 古氣候指示與事件對比

Heinrich（海因里希）事件是異常冰筏碎屑（icerafted debris，IRD）沉積的寒冷氣候事件的極端表現，具有全球遙相關特征，最早由Heinrich（1988）在研究北大西洋東部海山時發現末次冰期時期具有粗碎屑顆粒多次突然增加的現象而提出的。Broecker et al.（1992）和Bond et al.（1993）通過高分辨率取樣（以1 cm 為間隔）結合AMS14C 測年確定了事件的年齡，從新到老共劃分6 個期次（H1—H6），分別為14、21、28、41、52 和69 ka B.P.，關注點也從之前的物質來源轉至大氣-海洋相關作用與氣候變化的關系上，對于Heinrich 事件的觸發機制與氣候反饋機制，學術界一直爭論不休，至今仍未蓋棺定論，但是，在冰凍圈、大氣圈和海洋圈的共同作用下，其代表全球性的變冷事件這一點已被認可。

黏土礦物的組合類型、結晶程度和化學指數對風化程度和氣候變化具有不同的指示作用。伊利石多為鉀長石風化而成，是寒冷少雨氣候下的代表產物，當氣候轉為濕熱，大陸風化水解作用增強，則將進一步轉化為高嶺石。伊利石和綠泥石含量的增加常被認為是物理風化發育，而化學風化受到抑制的產物，實際應用中結晶度和化學指數往往可以更直觀地指示物源和氣候變化，結晶度和化學指數大小分別與氣候穩定度和風化程度呈正相關，當化學指數＜0.4 時，為富Fe-Mg 伊利石（反映較強的物理風化）；化學指數＞0.4 時，為富Al 伊利石（反映高度化學風化）。蒙脫石作為一種次生礦物，一般是來自火山巖蝕變的產物（劉志飛等，2010）。

研究區內氣候環境快速、極端的變化在黏土礦物指標（組合類型）上反映敏感。如圖8 所示，在Heinrich 期間反映寒冷少雨氣候的伊利石及物理風化發育的綠泥石明顯升高，在H3 和H4 時期，盡管伊利石整體含量驟降，但代表較強物理風化的Fe-Mg 伊利石（化學指數＜0.4）及綠泥石相對含量上升，同時因海平面下降，大河流域傳輸物質減少，近源碎屑物質供給相對提高，導致因主控源區的變化，從而使高嶺石含量明顯上升，并與伊利石含量呈負相關。受定年樣品密度和年齡限制，56 ka 冷事件與H5（52 ka）相差近4 ka，而H2 和H6 對北部灣東南部的影響相對其它期次較小。不同元素在特定環境下具有不同的遷移和富集能力（圖5），考慮到海陸交互區的開放性系統，將K2O/Na2O、K2O/CaO、Al2O3/ Na2O、MgO/CaO 和CIA 等多個比值結合起來作為氣候變化的指標，能更準確地代表流域內平均化學風化，在12 ka、40 ka 期間Na+、Ca2+等離子淋濾受限，指標皆呈下降趨勢，化學風化減弱與黏土礦物組合特征吻合。

圖8 近75 ka 以來黏土礦物組成以及結晶度指數變化Fig.8 Variation of clay mineral assemblages and crystallinity index since about 75000 years ago

如前所述，較北部灣其他地區而言，研究區受近源影響相對較大，如北部灣北部和中部地區更多受紅河和珠江等大河控制，由于大河均一化作用對整個地區氣候事件記錄較為完善（夏真，2015；黃向青，2018）；而北部灣東南部地區受山溪性小河影響，具有瞬間通量大，極端氣候響應敏感等特征，但就氣候事件記錄完整度上卻略顯不足。對KZK03 黏土礦物進行分析后發現，56 ka、41 ka 和28 ka 冷事件與雷州半島北部泥炭有機質和南京葫蘆洞匹配度較好（吳江瀅，2002；黃向青，2018；劉景昱和方念喬，2019）；黏土礦物可能受局部環境影響，H1 事件信號強度較弱，而H2 事件在黏土礦物特征上并未顯現（圖8），反之，在20 ka 左右，反映化學風化強度的伊利石化學指數有所升高，表現出近源控制對局部古氣候事件的響應。

3.3 環境演化的驅動機制

晚更新世氣候基本特征是，隨著末期間冰期的結束，氣溫整體呈下降趨勢；自末次冰期開始（距今約75 ka），出現了貫穿整個晚更新世晚期短時間內氣候振蕩變冷旋回（Dansgaard-Oeschger，D-O 旋回），在最冷期的D-O 旋回中，發生了上文提到的Heinrich 事件。KZK03 孔（圖8）中H3 和H4 信號最為顯著，期間出現反映遠源的伊利石含量接近零值，而近源的高嶺石含量和代表物理風化增強的綠泥石、伊利石化學指數迅速升高，盛冰期海平面下降近百米，北部灣東南部暴露在海平面以上由海相轉變為陸相沉積環境，傳輸介質發生的根本變化，即地形坡度和較強的冬季風導致近源影響顯著增大，高嶺石含量升高，這與地震層序解譯的海陸頻繁交互現象基本吻合（圖3）。從圖8 曲線的縱向變化上不難發現，在Heinrich 事件期間所有黏土礦物都出現降低的情況，而在步入全新世暖期后，隨著冰川融化，海平面上升，研究區再未出現陸相沉積，受水體均一化作用影響，黏土礦物組合類型波動相對變小，展現出紅河和昌化江協同影響的特征。

末次冰期結束后進入全新世暖期，全球氣候呈現前期由低溫快速轉暖后波動上升的趨勢。北部灣東南部氣候演變可劃分為3 個階段。

第一階段：晚冰期低溫升溫期（12.5～11.0 ka），高嶺石含量低，伊利石含量達60%，伊蒙混層也呈現出增加趨勢，伊利石不斷淋失K+，向蒙脫石演化，反映該期以寒冷干旱的氣候為主，并向淋濾作用強的潮濕環境的轉變。

第二階段：迅速升溫期（11.0～8.7 ka），伊利石含量降低，表征較強物理風化的化學指數也同步下降，而高嶺石含量升高，多個代用指標顯示古氣候顯著轉暖。

第三階段：溫度波動期（8.7 ka 至今），本期前半段表現為氣候轉暖后的小尺度的干濕交替；5 ka至今，伊利石含量再次升高，表明氣溫降低，同期高嶺石含量升高可能為海南沿岸地區人類作用影響導致近源剝蝕量增大所致。

中國北部黃土和季風敏感區神農架石筍δ18O記錄中均表現出在Heinrich 時期亞洲（夏）季風減弱的證據，事件期間短時間內大量冰川淡水傾瀉北大西洋導致水文重組，即北大西洋深層水（North Atlantic Deep Water，NADW）鹽度、密度發生巨大變化，三圈（冰凍圈、海洋圈和大氣圈）相互作用，引起遠程氣候響應（陳仕濤等，2006；劉景昱和方念喬，2019）；在巨大的高度和緯度效應的影響下，青藏高原不僅能迅速地響應冷事件，而且會放大這一過程，最為直觀的表現就是冰川覆蓋面積及東亞冬季風的顯著脈沖式增強，從而導致冰期時在海平面下降的背景下，地形坡度和較強的冬季風共同作用，導致北部灣東南部地區主控源區發生對應轉換。

4 結論

（1）通過地震和鉆孔揭露，研究區晚第四紀地層層序可以劃分為現代海洋沉積層、陸海交互沉積層和古河道沉積層，晚更新世陸相和海相交替頻繁，全新世以來皆為海相沉積。

（2）黏土礦物XRD 衍射分析顯示，周緣源區物質供給類型差異顯著，紅河攜帶物質高伊利石和綠泥石，低高嶺石，偶見蒙脫石，而昌化江以高高嶺石、低伊利石為典型特征。冷事件期間河流介質傳輸能力減弱，坡度和季風影響下的近源供給增強。

（3）Heinrich 事件中，三圈（冰凍圈、海洋圈和大氣圈）相互作用，引起遠程氣候響應；在青藏高原高度和緯度效應影響下迅速地響應變冷事件并放大氣候信號。在晚更新世北部灣東南部產生海陸頻繁交互作用，傳輸介質轉換導致黏土礦物組合發生相應變化；全新世以來，皆為海相沉積環境，呈現多次干濕交替性升溫過程，逐步演化到現今氣候特征。

致謝：兩位審稿專家提出的富有建設性的修改意見對提升文章質量有較大幫助，在此，謹致以衷心的感謝！