南海北部DSH-1C柱状样晚更新世以来沉积物磁性特征及其环境意义
罗祎1，苏新，陈芳2，黄永样2
罗祎（1982－），女，博士研究生，主要从事海洋地质方面研究，E-mail:wulude@163.com。
1.中国地质大学海洋学院，北京 100083
2.广州海洋地质调查局，广州 510760
摘要：对取自南海北部陆坡“海洋四号沉积体”DSH-1C柱状样进行了沉积学和磁学分析，结合相关资料探讨了该柱状样沉积物磁性特征其纵向变化，及其与该区沉积环境变化的关系。结果表明：DSH-1C柱状样自上而下***划分3个岩性单元，表层沉积物为全新世MIS1期以黏土质粉砂为主的深海－半深海沉积；中部含数层重力流沉积夹层，为晚更新世MIS2期沉积；底部为晚更新世MIS3期黏土质粉砂。该柱状样x值平均值为1.72×10-7m3/kg。所有样品的IRM 均已达到SIRM的80％以上，S300的最小值为0.605。该柱状样沉积物中的磁性矿物极少，以低矫顽力矿物为主；该柱状样磁性特征在陆源物质输入较多的间冰期（MIS1和MIS3期），磁性参数值较高；反之，在MIS2磁性参数值较低，可能与冰期该区陆源物质减少有关。此外，该岩心柱中富含有孔虫壳体或双壳碎屑的重力流层沉积物的磁性参数值低，与这些逆磁性碳酸盐组分的增加有关。
关键词：磁性特征；粒度分析；晚更新世；东沙；南海
The Magnetic Properties of Late Pleistocene Sediments in Core DSH-1 C from Northern South China Sea and Their Environment Significance
Luo Yi1,Su Xin1,Chen Fang2,H uan Yongyang2
1.School of Ocean Sciences,China University of Geosciences,Beijing 100083,China
2.Guangzhou Marine Geological Survey,Guangzhou 510760,China
Abstract:A study of magnetic properties of sediments at the piston core DSH-1C from deep sea area of Dongsha,the South China Sea was carried out.The 626cm-core were subdivided into three lithologic units:Holocene clayey silt (Unit I,MISl) at the top interval of the core; late Pleistocene turbidity sequences characterized by 3 to 4 major sand layers in the middle interval(Unit Ⅱ,MIS2) ; and then the lowest sequences composed by clayey silt interbedded with thin silty sand or silt layers (Unit Ⅲ,MIS 3)..The average value of the Xfor the sediments is 1.72×10-7m3/kg,and all samples show high values of IRM,over 80‰f sediment SIRM,while the minimum of S300for all samples is 0.605.According to magnetic properties obtained,it was inferred that sediments from the core contained very rare magnetic minerals.Lowest values of magnetic properties (X,NRM and SIRM) were observed in the intervals of Unit Ⅱ,where turbidity layers containing abundant calcareous foraminifera shells occurred,indicating the dilution of carbonate in these sediment layers.On the other hand,higher values those parameters were seen in the interglacial period (MIS l and MIS3) ,probably due to more terrigenous debris input during warm periods in this area.
Key word:magnetic properties ; grain size;late Pleistocene; Dongsha area; South China Sea
0 引言
环境磁学自20世纪80年代确立至今逐渐形成了一门以磁性测量为核心手段，磁性矿物为载体，利用磁学的方法去研究环境作用、环境过程和环境问题的新兴交叉学科[1-3]。海洋沉积物的环境磁学研究亦已成为近年来研究的热点。在这一领域国内外学者通过对深海岩心沉积物或浅表沉积物磁学特征的研究，结合年代学、沉积学和地球化学等资料，研究沉积物的来源及沉积环境的变化，去重建古气候和古环境[1-6]。
当前，在对海洋沉积物的磁学特征的研究中，沉积物磁化率的变化可以反映物源和环境的改变已经得到普遍的认同及应用。其他磁性参数（如：天然剩磁、等温剩磁、非磁滞剩磁等）也逐渐被引入到海洋沉积物的矿物学、古地磁学、次生变化及成岩过程等的研究中[4-12]。不仅如此，近年来国外学者在对海洋天然气水合物的研究中，探讨了水合物赋存区沉积物的磁性参数（主要以磁化率为代表）及其与自生矿物（主要以黄铁矿为代表）的关系[13-15]。
本文为首次在南海水合物赋存区进行柱状岩心沉积物的磁性研究。将利用环境磁学和沉积学方法，通过对来自南海北部水合物赋存区获得的DSH-1C重力柱状样沉积物的磁性特征及其沉积环境的对比研究，来探讨该研究区表层沉积物的磁性参数变化的因素及其与沉积环境变化的关系，希望通过以上研究获得该研究区表层沉积物的磁性特征及其环境意义。
1 样品与方法
1.1 样品来源
DSH-1C保压重力活塞柱状样全柱长626 cm，由2006年“海洋四号”科考船取自南海北部陆坡，东沙海域“海洋四号沉积体”气体水合物调查区，水深3 000 m。该区冷泉活动的证据首先由“海洋四号”科考船发现，2004年中德合作SO177航次“太阳号”科考船对“南海北部陆坡甲烷和天然气气体水合物分布、形成及其对环境的影响研究”的调查获得更多证据，并命名为“海洋四号”沉积体[16-17]。
该区位于南海北部陆坡东部，台湾海峡北岸，构造上属于被动大陆边缘，毗邻台湾岛西南的外滨增生楔。水深在1 500～3 000 m之间，平均水深大于2 500 m[16]（图1）。
研究区海底具有强似海底反射层（BSR）的地震反射特征。在海底电视对海底的调查中，发现该区有深水冷泉双壳类、菌席。对SO177航次GC10站位[16]（图1）的岩心描述中提到该区沉积物中有因甲烷气体胀气形成的裂隙结构。其孔隙水地球化学分析结果也在一些深度表现出孔隙水氯离子异常等地球化学特征，并由甲烷通量推测该站位深部存在甲烷源。
图1 南海北部陆坡“海洋四号沉积体”水深图及DSH-1C、SO177-GC10站位示意图
1.2 研究方法
对DSH-1C柱状样描述其岩性特征、照相后，按10 cm间隔取样，取样厚度为2 cm，得到***计63份沉积物样品，对其进行了磁学、粒度和碳酸盐含量测试。
1.2.1 岩石磁学方法
对DSH-1C柱状样的磁学参数进行了磁化率（X）、天然剩磁（NRM）、非磁滞剩磁（ARM）、等温剩磁（IRM）及饱和等温剩磁（SIRM）的测试。
所邻近的SO177-GC10柱状样已有对有孔虫AMS14C年龄的测试结果[16]，其底部年龄为50～60 ka，属于布容正极性期，因此未对DSH-1C柱状样的磁倾角方向进行考虑。环境磁学样品直接用无磁性立方盒封装，并对所有样品进行低温烘干（小于40℃）。
（1）磁化率测量在中国地质大学（北京）地学实验中心进行，利用KLY-4S卡帕桥磁化率仪测得全部样品的质量磁化率。
（2）样品剩磁及退磁参数测量均在中国科学院地质与地球物理研究所古地磁实验室进行。2G-755R岩石超导磁力仪上完成，对所有样品进行天然剩磁测量，然后进行退磁。仪器测量范围2.0×10-12～2.0×10-4Am2；灵敏度1.0×10-12 Am2。除490cm处样品测量值为2.37×10-4Am2超出量程仅作参考，320cm处由于电脑故障测量值未被保存外，其余61份样品测量值最小值为1.36×10-6Am2，最大值为1.18×10-4Am2，为可信值。一般的海洋沉积物样品经过15～25 m T的交变退磁，即可获得特征剩磁，故选择0、5、10、15、20、25、30、40、50、60、70m T的退磁步骤。240 cm和320 cm处由于电脑故障测量值未被保存外，获得61份样品的特征剩磁。
（3）应用2G-760超导磁力仪，在外加90 m T交变场叠置0.1 m T的直流场下测定样品的非磁滞剩磁。仪器测量范围1.0×10-7～1.0×10-2Am2；灵敏度2.0×10-12Am2。全部样品测量值最小值为3.96×10-5Am2，最大值为2.68×10-3Am2，为可信值。
（4）为保证对样品饱和等温剩磁的测量值在2G-760超导磁力仪量程范围内，对测量样品质量进行缩减。用Model660 Pulse Magnetizer在1.7 T磁场下进行磁化，后在2G-760超导磁力仪上测量饱和等温剩磁。全部样品测量值最小值为1.38× 10-4Am2，最大值为9.08×10-3Am2，为可信值。将样品置于100、300 m T的反向磁场中磁化得到全部样品的等温剩磁（IRM-100、IRM-300）。
定义S300＝(－IRM-300)/SIRM，计算得到S300。
1.2.2 粒度分析
粒度测试在中国地质大学（北京）海洋学院利用英国马尔文公司Mastersize2000型激光粒度仪进行测试。本文样品没有进行有机质和钙质组分的去除，希望得到沉积物全部碎屑的粒度特征，所以进行了全粒级的粒度分析。方法为：取2 g左右待测样品放入20 m L的烧杯中加入适量蒸馏水浸泡，使其在自然状态下分散。测试前加入0.5 mol/L的六偏磷酸钠溶液进行化学分散，测试中未进行超声处理。
1.2.3 碳酸盐含量测试
碳酸盐含量测试也在中国地质大学（北京）海洋学院利用容量法测试。因部分样品含有较多钙质生物壳体，为保证样品测定的准确性，每份样品至少取3份进行平行测定。
2 结果与讨论
2.1 岩性及粒度特征
DSH-1C柱状样沉积物的主要岩性为灰绿色黏土质粉砂，中间夹有数层富含有孔虫及生物碎屑的粗粒粉砂质夹层，部分层位夹有灰黄色或灰黑色细层，黏性较大，下部有皲裂现象和气胀孔结构。根据岩性和粒度变化可将该岩心自上而下分为3个岩性单元（Ⅰ-Ⅲ） （ 图2）。
图2 DSH-1C柱状样沉积物粒度分析结果
岩性单元I(0～约152 cm）为含有孔虫粉砂，砂粒组分中含有较多的有孔虫，因此与碳酸盐含量变化对应。岩性单元Ⅱ（约152～470 cm）以富含大量生物碎屑（双壳、腹足等壳体）及有孔虫砂黏土质粉砂为主要特征。砂层及黏土质粉砂层交替。岩性单元Ⅲ（约470～620 cm）为含深灰黑色粉砂质夹层的黏土质粉砂。沉积物中钙质组分相对较低，也较稳定。
2.2 年代确定
表1 SO177-GC10浮游有孔虫AMS14C年龄数据[16-17]
图3 DSH-1C与SO177-GC10柱状样岩性、粒度分析、对比曲线图（左图据文献[17])
采用SO177航次在“海洋四号”沉积体获得的GC10表层柱状沉积物样浮游有孔虫AMS14C年龄数据（表1)[16-17]。据Zhang等[17]研究，GC10柱状样的3个岩性单元（图3左图），上部为全新统沉积，中部和下部为更新统顶部沉积。两者分界以富含有孔虫和生物碎屑层末次出现为标志。通过与GC10进行对比可以得出：DSH-1C柱状样沉积物在约152 cm深度下部富含有孔虫和生物碎屑砂的首次出现为标志。152 cm之上为全新统沉积，之下为更新统顶部沉积（图3）。其中岩性单元Ⅱ为末次冰期MIS2时期的沉积，而岩性单元Ⅲ为MIS3时期的沉积。
2.3 磁学结果
图4为DSH-1C柱状样磁学参数测试结果随深度变化的曲线图，其中X、NRM、ARM和SIRM记录天然物质的磁性变化与沉积物中磁性矿物的含量、种类、粒度等相关。一般来说，通过计算得到S300的大小与沉积物中中低矫顽力磁性矿物和高矫顽力磁性矿物的相对含量呈正比例关系[18]。本文主要探讨DSH-1C柱状样沉积物中磁性矿物的含量变化。
根据测试结果，结合其岩性特征，可将DSH-1C柱状样的磁学参数特征分为Ⅰ(0～152 cm）、Ⅱ（152～470 cm）、Ⅲ（470～626 cm)3段。
图4 DSH-1C柱状样磁学参数（X、NRM、ARM、SIRM和S300）随深度变化图
Ⅰ段（0～152 cm）：该深度段X的变化范围为（2.37～4.84）×10-7m3/kg，波动幅度较大且随深度的增加而降低。NRM、ARM和SIRM数值曲线特征与X变化趋势相一致。此深度段样品的S300在0.925～1.00变化。
Ⅱ段（152～470cm）：该深度段X、NRM、ARM和SIRM平均值明显降低，整体数值趋于平稳。X平均值为1.10×10-7m3/kg。ARM平均值在1.17×10-7Am2/kg，比上一段减少87.6％。SIRM平均值为6.54×10-6Am2/kg，比上一段平均值减少57.5％。此段S300波动幅度大，全柱最小值0.605出现在330cm。
Ⅲ段（470～626cm）:X、NRM、ARM 和SIRM 数值相对上一段升高，有明显波动。全柱最大值出现在490 cm处，其X、NRM、ARM 及SIRM 均显示为最大值。S300与上两段明显不同，变化幅度很小，呈稳定趋势。
由于天然物质的磁化率主要取决于其中磁性矿物的含量，如果亚铁磁性矿物含量很少，磁化率则非常弱。主要是顺磁性矿物乃至逆磁性矿物对磁化率做出的实际贡献[1-2]。综合3个深度段， DSH-1C柱状样X值最大值仅为6.02×10-7m3/kg，平均值为1.72×10-7m3/kg。可见该柱状样沉积物中磁性矿物含量极少。
天然样品S300，低矫顽力磁性矿物（如磁铁矿）其值接近于1，高矫顽力磁性矿物（如赤铁矿）其值则低于0.5[9,18]。DSH-1C柱状样S300的最小值为0.605，并且所有样品在300 T外加磁场下获得的IRM均已达到SIRM的80％以上。由此该柱状样沉积物中以低矫顽力的软磁性矿物为主。
此外，该柱状样沉积物X、NRM、ARM 和SIRM随深度具有相同的变化趋势，以上这些特征表明磁性矿物的含量是该研究区沉积物磁性特征的主要影响因素。
2.4 磁性特征及其环境意义
本文选取磁性参数X和S300，结合已得到的沉积特征和古海洋学结果进行对比分析（图5）。
图5 DSH-1C柱状样x、S300、黏土体积分数和碳酸盐体积分数随深度变化图
2.4.1 磁性参数的变化
磁化率为代表的海洋沉积物的磁性参数受多种因素的影响。已经得知本文研究区沉积物磁性特征主要受到磁性矿物含量的影响。总体趋势来看，岩性单元Ⅰ和Ⅲ区间内沉积物的磁性矿物含量要高于岩性单元Ⅱ内沉积物。并且，在沉积物黏土粒级（体积）百分含量较高的层段沉积物磁化率数值相对较高。这一变化趋势与南海南部NS93-5孔[19]、东帝汶海MD98-2172岩心[12]和东海内陆架EC2005孔的部分层段[20]沉积物磁化率和粒度的相关关系的研究结果相似。在对台湾海峡西部外海表层沉积物[21]和墨西哥湾陆坡表层沉积物[15]的磁化率的研究中，也发现沉积物粒度越细，其磁化率数值越高。
在同一岩性单元内沉积物的磁性主要受到碳酸盐含量和碎屑矿物含量2个因素的影响。以岩性单元Ⅱ内沉积物为例：首先，在碳酸盐含量高的层段区间，X值相对较低（图5中阴影部分），这是由于碳酸盐是逆磁性矿物，对磁化率等磁性参数的贡献极小，并且碳酸盐含量的大幅增加稀释了沉积物中黏土粒级含量，使得相应层段的沉积物磁性相对较低。其次，在黏土粒级含量相对较低的层段，X值却相对较高（图5中虚线框部分）。具有这一特征的深度区间，通过对沉积物岩性观察、沉积物图片观察和粒度分析结果得出这些深度区间内粉砂含量高，含有相对大量碎屑矿物。可认为该深度区间碎屑矿物含量对沉积物磁性参数有重要的贡献。
该柱状样S300比值在碳酸盐含量较高的重力流沉积层段比值较小，在碎屑矿物含量较高的层段比值较大。这一特征仍然显示了磁性参数与碎屑矿物含量的关系。
2.4.2 磁性参数变化与沉积环境
通过与SO177航次GC10站位沉积学和古海洋学结果[16-17]相对比，可以得到DSH-1C柱状样3个岩性单元从下到上分别为MIS3期到MIS1期的沉积记录。在该沉积期间内，据前人研究[17,22-23],MIS1期（冰后期）为全新世高海面暖时期，MIS2期为末次冰期，MIS3期为末次间冰期。从图5可见，气候最暖时磁性参数值最高，末次冰期磁性参数最低，而末次间冰期较高。
在海洋沉积物中磁性矿物来源除海底火山和热液成岩作用带来的磁性矿物之外，其中主要是通过风、河流、冰川的搬运作用以及海岸的侵蚀作用，将陆源碎屑搬运至海洋沉积物中的磁性矿物；其他也有生物作用、成岩作用形成的自生磁性矿物。目前研究认为，陆坡海洋沉积物中磁性矿物主要来自于陆源，而其磁性参数（如磁化率）与沉积物中陆源物质丰度相关[1-2,4,9,19]。前人在对黄土磁性矿物揭示古气候变化的研究中[24]提出，温暖潮湿的气候促进黄土的化学风化形成磁性较强的古土壤，而寒冷时期的黄土磁性较弱。
由此可推知，物源区碎屑矿物自身的风化过程因气候冷暖改变而产生的磁性差异，输入海洋中也可能导致温暖时期的海洋沉积物磁性较强，反之在寒冷时期较弱。
因此，研究区内，气候温暖间冰期河流的淡水输入量较大，带来较多的陆源物质[23]，表现为磁性参数的相对高值。这一特征在碎屑矿物含量较高的层段（如490 cm深度区间）有明显的表现：沉积物中除含有较多碎屑矿物之外还含有少量木屑，具有陆源碎屑的特征相应其磁性也表现为高值。在寒冷的MIS2期间，淡水输入减少，同时海平面的降低，也增加了离开陆地的距离，整体陆源输入的不足导致沉积物中磁性矿物含量小，该岩心中此期的磁性参数值最低。此外，该地史时期内海平面为最低，有数层来自陆架的重力流沉积层[16-17,23,25-28]，这些重力流层中含有大量的有孔虫和生物碎屑[26-27]。它们的存在使得这些层中沉积物中碳酸盐含量增加，同时也是导致这些重力流层中磁性最低的原因。
3 结论
通过对南海北部陆坡DSH-1C柱状样沉积物的粒度分析结果、磁学分析结果、碳酸盐含量的分析，通过与相邻站位SO177-GC10站位沉积物岩心的对比，得到以下认识：
1)DSH-1C柱状样为晚更新世到全新世的深海—半深海沉积，主要岩性为黏土质粉砂，中间夹有数层重力流沉积物。
2)DSH-1C柱状样沉积物的磁性特征随深度变化的特征，显示其主要受沉积物中磁性矿物含量影响；沉积物中磁性矿物含量十分稀少，以低矫顽力软磁性矿物为主；沉积物磁性垂直变化与黏土粒级含量变化相似，并且受到碳酸盐稀释作用和碎屑矿物含量的影响。
3)DSH-1C柱状样在气候温暖的MISl冰后期（0～约152 cm），海平面最高，陆源输入量最大，沉积物磁性参数值最高；MIS2末次冰期（约152～470 cm深度区间），海平面最低，陆源输入不足，磁性参数最低；MIS3末次间冰期（约470～626 cm深度区间），气候相对较暖，海平面较高，磁性参数较高。
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