日本海ODP站上新统—更新统硅藻记录
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发布时间：2022-04-23 12:25
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时间：2023-08-25 02:24
Itaru Koizumi Akihiro Ikeda
（Division of Earth and Planetary Science，Gruate School of Sciences，Hokkaido University，Sapporo，060 JAPAN）
摘要 处在日本海水域关键位置的ODP797站，其上新统—更新统硅藻记录可分为四个部分：①上新统最上部（2.0～1.6Ma），硅藻含量较低且有小的周期性波动；②下更新统（1.6～1.1Ma），以高频振荡和阶段性尖峰期为特征；③中更新统（1.1～0.5Ma），与下部、上部相比，硅藻含量较丰富，且伴有高度复杂的波动；④上更新统（0.5～0.01Ma），硅藻含量的变化以100ka周期为主。
过去1600ka的硅藻丰度测定采用最大平均信息量法（MEM）功率谱密度分析（MEM-PSD）。以冰期－间冰期旋回为特征的105.3～112.2ka的变化主周期，相当于距今1100ka以来的轨道偏心率变化。次一级的40～42.8ka周期旋回与斜度的变化相一致。早更新世的28.6ka周期及中更新世31.0ka的周期，与由100ka周期的偏心率和41ka周期的斜度之间非线性相互作用所产生的29ka周期相一致。中－晚更新世的18.3ka周期相当于岁差周期的变化。
关键词 硅藻 日本海 ODP797站 谱线分析 米兰科维奇旋回
1 引言
日本海是一个半封闭的边缘海，位于亚洲*东端，东缘以日本岛弧为界（图1）。日本海西南部与中国东海相连，东部与太平洋相接，北部通过几个浅水海峡与鄂霍次克海连通。通过对马（深130m），津轻（深130m）和宗谷（55m）三个海峡的窄而浅的海槛深度，日本海被认为是对全球高频海平面位置变化的一个敏感的共振器。目前，对马暖流（TWC）——黑潮的一个支流，是惟一一支经对马海峡流入日本海的海流。这股暖流沿日本海西缘流动，大部分经津轻海峡流入太平洋。TWC的上部50m水体，以33.7‰～34.0‰的稍低盐度和大约0.1μmol/kg的低磷酸盐浓度为特征。然而TWC下部50m水体的盐度和磷酸盐浓度却较高，分别超过34.4‰和0.5μmol/kg[4]。中国东海及黄海海岸带的水体，以低盐度（31‰～32‰）和高磷酸盐浓度（0.5μmol/kg）为特征[3]。
图1 日本海研究钻孔的位置及中亚到东亚的黄土与大沙漠的分布中国东海及黄海的现代海洋环流以箭头表示。中国东海的-80m等深线（虚线表示）和估计的黄河及长江的路线（点线表示）也表示在图上，以便推测冰期时古河口的位置。日本海内的点线代表-2000m的等深线
形成于日本海北部的被称为日本海专有水团（Japan Sea Proper Water，JSPW）的深部水体，是在冬季通过来自TWC的盐度较高的表面水体的冷却，或通过海中冰块的融化形成的[10,11]。数百年来的高通风率，使得日本海深部水的氧溶量极高（>210mmol/kg），但磷酸盐浓度较低（＜2μmol/kg），水体的温度也较低（大约0℃）且几乎恒定不变[2]。在上新世—更新世期间，冰川性海平面变化对日本海海洋情况的变化影响巨大。
背景
大洋钻探（ODP）第127、128船次在海盆采样过程中，发现了晚上新世到全新世的半深海沉积物。这个半深海沉积物——粘土层，呈现清楚的深浅条带，层内含有少量到中等程度的硅藻物，偶而出现钙质沉积物（图2）。这些深浅条带（层）可在整个盆地范围内进行对比，并且是等时的。判断的依据是它们与火山灰标志层平行。深色层为橄榄黑色且通常呈层纹状；浅色层为浅灰色，均质或有生物扰动现象。层内颜色的深浅程度主要取决于有机炭的含量，深色层中有机炭含量为1%～7%，浅色层为0.1%～1%[14]。在这些沉积序列中的硅藻组合，在冰期时含量少，间冰期时含量丰富，表现为千年级到次米兰科维奇尺度范围的变化。
图2 ODP797站2000ka以来在上新统—更新统地层内硅藻丰度（每克）的变化及所选择的硅藻种
黑色代表深色层；白色代表浅色层；虚线代表灰色层；v代表火山灰层
暖水而又是滨岸水中的硅藻丰度表明，从对马海峡进入日本海的海水量主要由海平面的升降变化来调节。叠加在这种趋势上的是硅藻含量千年级尺度的波动。硅藻含量与有机炭含量的相关性说明，深色层的沉积与较大的入流高峰期相一致，而且这峰期在某些地区可出现1～2ka的深色层沉积。对这些时期的进一步研究表明，暖水硅藻在入流高峰期才占优势，并且只有中国东海暖流的入流量占主导地位时深色层才开始沉积。
由于*架底部营养物的大量再生作用，所以与上部的TWC相比，当今的东海暖流具有高度富集的营养物。这样，很可能是东海暖流的较大入流量提供了较多的营养物，造成日本海较高的营养物产出率。此外，由于日本海的盐度稍低，强大的入流量在日本海内也会加强层理密度。上述两种影响因素的结合导致了日本海缺氧到滞留的底部水体的生成和深色层的沉积。
与低海平面相比，在中等高度海平面时，东海暖流较多的流入会造成高产出率，并在深色层沉积时，底部水体处于较强的还原条件。另一方面，在东海暖流流入量较小期间，营养物质供应量减少，致密层理化被阻，并沉积浅色层，但暖水及滨岸相的硅藻含量很低[15]。
2 材料和方法
ODP797站选在日本海关键的水域边界部位[16]。在797站的797B-1H与797B-2H岩心间有一段约35cm的岩心缺失，此缺失在797A-1H岩心中得以补充（表1）。83.90m（海底面之下校正后米数，下同）的上新统到中新统层序为粘土及粉砂质粘土，偶而含有生物硅质和/或生物钙质物，它们见于797B孔。该孔位于38.616°N，134.536°E，水深2862.2m，并在797A-1H-3号井中有一段18～20cm厚的补充样品（表1）。浅色层与深色层的变化为厘米级到分米级，并可在日本海范围内对比[14]。Aira-Tanzawa（AT）、Aso-4、Ata-Th、Aso-1、Beagsan-Oga（B-Og）及Baegsan这些火山灰标志层分别在2.43m、8.80m、24.40m、25.50m、44.70m和58.00m处被发现（表1）。
在ODP797站83.90m的上新世—更新世层序中，平均采样间隔约为0.31cm，共获得274个样品（表1，图2），这些样品的年龄据6个精确测年的火山灰样品及磁性地层推得。深度—年龄剖面（即假定岩心顶部为0ka，且这10个基准面内线性沉积速率不变）指示，这些样品间平均时间间隔为6567年（表1）。
表1 ODP797站距今2000ka以来能说明表层水情况的标志物年龄和丰度
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①深度指海底面以下校正后深度。
3 材料处理和硅藻分析
我们制备了一些定量化的硅藻薄片[8]。有些样品中硅藻个体数不到200个。每克干样的硅藻个体数也已计算过。硅藻的丰度是生产率及保存率综合影响的反映。一种低盐度滨岸水硅藻Paraliasulcata丰度的增加指示了中等海平面水位期间的东海暖流[5，6，7，16]，而暖水硅藻的繁盛是高水位期间TWC的指示器（图2）。既然东海暖流及TWC都通过对马海峡流入日本海，那么暖水及滨岸水硅藻的丰度值将是其入流强度的指示器。叠加在这种趋向上的是硅藻丰度在千年级尺度上的波动（图2）。
4 硅藻组合
根据硅藻、P.sulcata的丰度及入流量的三次明显变化，可把上新统一更新统硅藻记录划分为四部分：①上新统最上部（2.0～1.6Ma）；②下更新统（1.6～1.1Ma）；③中更新统（1.1～0.5Ma）；④上更新统（0.5～0.01Ma）（图3）。在整个上新统最上部的硅藻记录中，硅藻和P.sulcata的丰度及入流量的振幅都较低，且有小的波动。在大约1.6Ma时，这些组分的振幅开始增加，并形成共振。这种趋势一直持续到1.1Ma，振幅发生显著降低时。此后从1.1～0.5Ma到小于0.5Ma期间，这些组分逐渐降低。相比较而言，地轨参数的变化幅度记录（气候变化的外部机制）实际上与这些组分的幅度变化并不完全一致，即并不峰峰对应。
图3 ODP797站2000ka以来海平面情况的三类标志物在地层上的变化与37°N日照地轨参数间的比较
5 硅藻的谱分析
这三部分在原来的时间序列上其时间间隔是无规律的（图4至图6A左上方），修正后的时间序列是通过在相等的时间间距采样而使时间序列正常化（图4至图6A左下方）。对修正后的时间序列进行了光谱估算（图4至图6的A，中上方及B左边）和最佳曲线的拟合试验（图4至图6B右方）。采用的软件是专为时间序列数据分析的系统软件MEMCALC1000（Suwa Trust有限公司）。这种软件是根据最大平均信息量法（MEM）和非线性最小二乘拟合（LSF）法设计的。为了精确地计算最大平均信息量法功率谱密度（MEM-PSD），需要一个合适的准则来确定最佳值M（一个预测误差筛选的最小相位）。在此研究中，M值位于特征相关时间（CCT）和样品数（N）的1/2之间，并由三个传统的准则的最小值所确定。这三个准则就是最终预测误差（fpe）准则、Akaike信息（aic）准则和自动回归转化机制（cat）准则。这些时间系列是未被任何调谐或叠加处理修正过的原始时间序列。
5.1 早更新世（1.6～1.1Ma）
在图4A的右方，箭头表示M值为30，位于CCT（=30）和N/2（=82.5）之间，采用的方法是MEM-PSD。在图4A的中上方，一个以对数为坐标的MEM-PSD图显示1/f3相关线有一个下降趋势，它与自然情况密切相关。MEM-PSD（线性尺度）由一个主周期（203.7ka）和三个次级周期（70.2、40.4和28.6ka）组成（图4B左方）。最佳LSF曲线（以下的变化）是根据这4个周期计算得出的（图4B右方）。
图4 ODP797站下更新统的硅藻丰度（1.6～1.1Ma）A：左上方为原始时间序列；左下方为修正后的时间序列；中下方为用对数坐标轴表示的MEM-PSD；中下方为自动相关性；右方为信息准则（fpe—最终预测误差值，aic—Akaike信息值，cat—自动回归转化机制值）；竖线指示特征相关时间，CCT=32，N/2=82.5；箭头表示预测误差筛选的最小相位（时间滞差），M在44处。B：左方显示MEM-PSD的线性特征；右方为最佳LSF曲线与原始曲线的比较
5.2 中更新世
基于CCT=19、N/2=99、M=44的谱分析结果显示了MEM-PSD（对数尺度）的1/f2相关线，对所谓的布朗运动而言，它是一个特殊的布朗干扰（图5A中上方）。它由224.0、112.2ka的两个主周期及57.3、42.8、31.0、25.2和18.3ka的五个次级周期组成（图5B左方）。
图5 ODP797站中更新统的硅藻丰度（1.1～0.5Ma）A：左上方为原始时间序列；左下方为修正后的时间序列；中上方为用对数坐标轴表示的MEM-PSD；中下方为自动相关性；右方为信息准则（fpe—最终预测误差值，aic—Akaike信息值，cat—自动回归转化机制值）；竖线指示特征相关时间；CCT=19，N/2=99，箭头表示预测误差筛选的最小相位（时间滞差），M在44处。B：左方显示MEM-PSD的线性特征；右方为最佳LSF曲线与原始曲线的比较
5.3 晚更新世
CCT=23、N/2=82、M=27的MEM-PSD表现为1/f3相关线（图6A），在105.3ka周期内有一强烈的峰值，且伴随40.0、18.3、25.8ka的三个次级周期（图6B左方）。最佳LSF曲线在整体上与原始的时间系列数据非常吻合，只有约40ka的偏差例外（图5B右方）。
图6 ODP797站上更新统的硅藻丰度（0.5～0.01Ma）
A：左上方为原始时间序列；左下方为修正后的时间序列；中上方为用对数坐标轴表示的MEM-PSD；中下方为自动相关性；右方为信息准则（fpe—最终预测误差值，aic—Akaike信息值，cat—自动回归转化机制值）；竖线指示特征相关时间，CCT=23，N/2=82，箭头表示预测误差筛选的最小相位（时间滞差），M在27处。B：左方显示MEM-PSD的线性特征；右方为最佳LSF曲线与原始曲线的比较
6 讨论和结论
在上新统－更新统（1.6Ma）界线的过渡带内，气温有轻微的下降，降水量有所增加[5,12]。在早更新世期间（1.6～1.1Ma），气温和降水量都有所波动，但气温的变化不如降水量变化那么强烈。在早更新世的1.35Ma左右硅藻丰度有明显的减小（图3），这可能与1.3Ma时亚北极水团的稍向南移有关。当时亚北极区的中部其温度有一个明显的下降，同时伴随有降水量和成层性的增加。
大约1.1Ma时，西北太平洋表层水温有一个明显的下降。亲潮（寒流）的运输力增大，导致西部边界水体强烈的混合和高的产出率。大约0.8Ma时日本海的硅藻丰度值升高。这时，亚北极区前沿在北太平洋中部向南扩展，并造成了大的盐度梯度。结果，冷的上涌水体成为亚北极区表层水的主要海水来源[12]。
自0.5Ma以来，日本海的岩性、硅藻记录以及亚北极区的位置表现为一明显的以100ka为周期的变化，并伴随有两个稳定的气候极端，即冰期和间冰期[5]。这种趋势表明，由于冰川作用引起的海平面降低比以前更为强烈。
更新世中期的112.2ka的主周期及晚期的105.3ka的主周期相当于地轨参数中95～124ka周期的轨道偏心率（图3）。这种日本海硅藻丰度中的一级时间序列开始于中更新世的1.1Ma，并且随着时间的推移，冰期—间冰期旋回的频率减小。更新世早期的203.7ka周期及中期的224.Oka的周期是轨道偏心率周期（95～124ka）的2倍。在海侵和间冰期期间，营养物丰富的中层水往上贯通到表层，使得硅藻含量增加。在海退或冰期期间，由于海平面下降，海峡内水深变浅，阻碍了中层海水流入日本海，导致硅藻含量明显减少[15]。
40.0～42.8ka周期的二级时间序列相当于地轨参数中倾斜度的变化周期（41～54ka）（图3）。更新世早期28.Oka的周期变化相当于100ka的偏心率周期和41ka的倾斜度周期的非线性作用造成的29ka的周期变化。更新世中晚期18.3ka的周期与岁差（19～23ka）变化相当。早更新世70.2ka到中更新世57.3ka的周期以及中更新世25.2ka到晚更新世25.8ka的周期，在米兰科维奇旋回中没有表现出来。
（聂浩刚译，余青校）
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