解读末次冰消期全球水文气候演变过程对于理解气候系统对内外强迫的响应具有重要意义.以冲绳海槽中部OKI02岩心为材料,通过浮游有孔虫Globigerinodes ruber和Pulleniatina obliquiloculata壳体Mg/Ca比值分别重建了19 ka BP以来海槽中部表层和温跃层海水温度(SST和TWT),结合浮游有孔虫群落组成变化重点恢复了末次冰消期(~18~11.7 ka BP)上层水体温度变化的特征和过程.结果显示SST在LGM显著偏低,末次冰消期表现为显著的千年尺度变化,清楚地记录了HS1、B/A、YD等快速气候波动事件. 19 ka BP以来重建的TWT整体呈明显的上升趋势,但波动频繁而剧烈,末次冰消期相对较低,未显示显著的千年尺度变化.对比北半球高纬和热带太平洋的记录发现,末次冰消期冲绳海槽中部SST开始上升的时间基本与前者相当,但明显滞后于热带西太平洋;冰消期其变化模式明显区别于热带西太平洋持续稳定的升温过程,而更类似于北半球高纬区的变化.与SST明显不同,海槽区温跃层的升温(~18 ka BP)明显早于北半球高纬变暖,却接近于热带西太平洋海表温度开始上升的时间;且TWT的上升和波动方式也更接近于热带太平洋海温的变化模式.对末次冰消期SST和TWT差异化演变的分析表明,AMOC对中低纬大气环流的影响可能通过东亚冬季风强度的变化控制了海槽区SST的演变,而热带太平洋ENSO过程则可能通过黑潮强度的变化决定了区域TWT的演化.末次冰消期冲绳海槽中部SST和TWT演化存在明显的脱耦现象,显示了其与高、低纬海洋和气候变化之间的密切联系.
异戊二烯类甘油二烷基甘油四醚脂类化合物(isoprenoid Glycerol dialkyl glycerol tetraethers,isoGDGTs)在海洋奇古菌(Thaumarchaeota)中广泛存在,其结构对温度变化的敏感性使其成为广受欢迎的古气候与古温度重建材料。在北冰洋和西太平洋气候以及黑潮等多种因素的影响下,冲绳海槽中部成为研究全新世以来古海洋和古气候变化的天然实验室。本文通过研究C14柱状沉积物的GDGTs组成、含量变化特征及其延伸的86个碳原子的四醚指标(tetraether index of tetraethers consisting of 86 carbons,TEX86H),分析冲绳海槽中部的GDGTs来源,并定量计算C14柱状沉积物记录的海洋表面温度(seasurfacetemperature,SST),从而探讨8.2ka以来冲绳海槽中部古温度变化的驱动机制。通过甲烷指数和支链/异戊二烯类指标等,我们确认isoGDGTs主要来自于氨氧化古菌,适用于古温度重建。距今8.2ka以来,TEX86H SST的变化范围是21.6~27.2℃。冲绳海槽中部SST主要受到西热带太平洋、低纬度冬季日晒量的影响;TEX86H指标记录的温度上升趋势与东亚夏季风强度的减弱不一致。7.4—6.6ka冷事件广泛存在于冲绳海槽的SST记录中,但只在TEX86H数据中显示较大幅度的降低(~5℃),我们推测可能受到Kikai-Akahoya火山灰(~7.3ka)的影响。
基于采自冲绳海槽中部的CS2站柱状沉积物黏土矿物和AMS14C年代分析,探讨了末次冰消期以来冲绳海槽中部黏土矿物的物质来源及其环境指示意义。结果显示,CS2站黏土矿物以伊利石为主,其次为绿泥石,高岭石和蒙脱石含量较少。根据黏土矿物分布趋势变化,CS2站柱状沉积物可划分为3个阶段:阶段Ⅰ(19~12 ka BP)和阶段Ⅱ(12~8 ka BP)期间沉积物主要来源于长江,台湾和黄河物质也有一定影响,其物质来源主要受海平面升降的控制;阶段Ⅲ(8~0 ka BP)主要来源于长江和台湾,黄河贡献有限,主要受黑潮演化的影响。CS2站(蒙脱石+高岭石)/(伊利石+绿泥石)比值可以作为东亚季风演化的矿物学指标,指标变化显示出东亚冬季风强度相对夏季风的强度在16.4~14.8 ka BP和12.8~11.6 ka BP期间有两次显著的加强,指示当时气候相对寒冷干燥,结果可以与格陵兰冰心δ18O和三宝洞δ18O记录等很好对比。
利用元素及同位素地球化学方法研究了冲绳海槽中部沉积物岩芯中有机碳及磷的地球化学特征及影响因素。结果表明,冲绳海槽沉积速率(16.5~32.5 cm/ka)变化小,不是沉积物中有机碳埋藏的重要影响因素。相对于全新世氧化性底水环境,末次盛冰期/冰消期冲绳海槽缺氧底水环境提高了沉积物对有机碳的埋藏效率。冲绳海槽沉积物中各形态磷的相对含量与其他边缘海沉积物中的相似。交换态磷(Ex-P)含量低、变化小。末次盛冰期/冰消期缺氧底水环境下铁氧化物的还原溶解导致铁结合磷(Fe-P)释放以及自生磷矿物(Au-P)的形成。全新世氧化性底水条件有利于铁氧化物的有效再生及对磷的再吸附,但不利于Au-P的保存。总有机碳(TOC)和有机磷(Org-P)之间良好的相关性表明TOC埋藏对Org-P含量的重要控制作用。冲绳海槽沉积物中碎屑磷(De-P)含量低于长江口及东海陆架沉积物中的含量,这与陆源碎屑向外海传输减弱有关。在约9.3 ka BP(岩芯200 cm深度),TOC、Fe-P、Org-P、De-P以及FeHR均出现的极小值可能由物质坡移造成。
冲绳海槽的高沉积速率使其成为研究全新世以来受海洋环流和气候变化的天然实验室。通过研究C14柱状沉积物的生物标志化合物的组成分布及其单体碳同位素特征,探讨冲绳海槽中部沉积物的有机物质来源,并定量估算C14柱状沉积物中陆源与海源有机物的相对贡献,从而建立有机地球化学指标对距今8.2 ka以来冲绳海槽中部古环境变化的响应机制。THC(C_(27)+C_(29)+C_(31))、MHC(C_(16)+C_(18)+C_(20))、TOL(C_(26)+C_(28)+C_(30))和MOL(C14+C_(16)+C_(18))的含量分布范围分别为0.28~1.69μg/g、0.28~2.22μg/g、0.24~3.21μg/g和1.93~9.18μg/g,且饱和烃的陆源、海源优势正构烷烃含量比值(RTA,HC)为0.51~1.18,大部分小于1,醇类的陆源、海源优势正构烷烃含量比值(RTA,OL)在0.04~0.74之间波动,反映了冲绳海槽中部大部分沉积物中来自海源的有机质对总有机质输入的贡献比陆源来源的有机质大;距今8.2 ka以来,在1.2~1.6 ka BP、2.3~2.8 ka BP、4.1~4.6 ka BP、6.2~6.7 ka BP和7.5~8.2 ka BP时期,代表海洋来源的有机质输入量的生物标志物指标(MOL和甲藻甾醇含量)明显升高,表明初级生产力有所提高。代表陆源有机质输入量的生物标志化合物指标(THC和TOL)在垂直剖面上也表现为升高趋势,说明当时陆源有机质输入增加。反映陆源与海源输入相对贡献量的生物标志化合物指标RTA,HC大部分也是突增趋势,而RTA,OL则由于海源输入量增加的倍数远远大于陆源输入增加的量而呈下降趋势。在海源有机质和陆源有机质输入量都同时增加的时期,短链饱和烃类和醇类的单体碳同位素表现出降低的趋势,说明这些时期处于表层水变冷时期;将有机质输入指标与前人研究的东海海水表面温度进行对比后发现,冲绳海槽中部沉积物中陆源与海源有机质的相对含量随冲绳海槽古气候的冷暖交替而产生相应的变化。在气候快速变冷时期,东亚冬季风盛行,�
