楚科奇海与加拿大海盆表层沉积物表观特征及其环境指示

2008年12月 海洋地质与第四纪地质 V ol.28,No.6第28卷第6期 M ARINE GEOLOGY&QUA TERNA RY GEOLOGY　Dec.,2008
D OI:10.3724/SP.J.1140.2008.06049
楚科奇海与加拿大海盆表层沉积物
表观特征及其环境指示
高爱国1,2,王汝建3,陈建芳4,张德玉5,张道建5
(1厦门大学海洋与环境学院海洋学系,厦门361005;　2近海海洋环境科学国家重点实验室,厦门361005;
3同济大学海洋地质国家重点实验室,上海200092;　4国家海洋局第二海洋研究所,杭州310012;　5国家海洋局第一海洋研究所,青岛266061)
摘要:通过对中国首次和第二次北极科学考察采集的表层沉积物的观察,根据沉积物的颜色和气味、砾石分布、底栖生物及贝壳分布特征的分析,探讨了该海区表层沉积物表观特征变化与有机质输入、沉积物的氧化还原状态的关系、底栖生物分布范围、冰筏碎屑的分布区域及与海流的关系,指出在研究区软体动物生长的北界位于
73.5°N,比浮游动物的北界约低2个纬度。

冰筏碎屑的北界可作为融冰水的北界或永久冰区的南界,位置在77°
24′N附近。

通过对沉积物表观特征的综合分析,结合研究区的海流特征,指出研究区的海流分布对沉积物分布有重要影响,尤其是两股不同性质的海流相遇,对西南部与东部两个区域的沉积物组成及性质具有较强的控制作用。

关键词:表层沉积物;表观特征;砾石;贝壳;环境指示;楚科奇海;加拿大海盆
中图分类号:P736.2 文献标识码:A 文章编号:0256-1492(2008)06-0049-07
北冰洋在全球海洋-气候系统中起着重要的作用,它是世界大洋冷而致密的中层和底层水源,北冰洋的环境变化将影响全球的大洋环流,从而对全球变化产生影响。

北极沉积物记录着北冰洋的古海洋、古气候、古环境等方面的重要信息,对了解全球的气候变化和地质过程,更全面地认识海洋地质过程有积极意义。

楚科奇海与加拿大海盆是太平洋与北冰洋进行能量与物质交换的区域,也是中国政府两次北极科学考察的重点海区。

为了探讨该区的海洋沉积过程,中国首次和第二次北极科学考察队分别于1999年和2003年利用“雪龙号”破冰船开展了楚科奇海、加拿大海盆海洋沉积物的取样,获取了大量的沉积物样品。

这是我国科学家首次在该海区进行的海洋地质调查,为了促进北极地区海洋地质研究,本文通过沉积物表观特征的分析,给出研究区物质来源、组成及沉积环境的基本框架,从宏观上把握研究区沉积特征,为更深入地研究北极海洋沉积过程及古海洋特征提供资料。

1　样品
中国首次北极科学考察队在楚科奇海、波弗特
基金项目:国家自然科学基金项目(40576060,40376017)
作者简介:高爱国(1959—),男,教授,主要从事生物地球化学研究,E-mall:aggao@
收稿日期:2008-07-01;改回日期:2008-09-06.　周立君编辑海与加拿大海盆3个海区共获取28个站位沉积物样品,开展海洋地质研究[1-3]。

中国第二次北极科学考察队在上述3个海区(简称研究区,下同)共获取47个站位的沉积物样品,其中楚科奇海33个站位,加拿大海盆及波弗特海14个站位(图1)。

采集的沉积物样品包括陆架、海台、陆坡、海盆底部的表层沉积物和柱状沉积物样品[4]。

在现场完成沉积物表层样品取样后,用网眼为1.0m m×1.0mm的底栖筛网进行冲洗筛选,搜集砾石及贝壳样品。

两次考察共对57个站位的剩余样品进行冲洗筛选,其中首次考察对25个站位的剩余样品进行冲洗筛选,获得22个站位的贝类遗壳样品和17个站位的砾石样品,采样率分别达到88%和68%;第二次考察对32个站位的剩余样品进行冲洗筛选,获得13个站位的贝类遗壳样品和20个站位的砾石样品,采样率分别达到40.6%和62.5%。

根据站位分布情况,从上述站位中挑选出55个站位,就沉积物的颜色、气味、砾石和贝壳等含量分布加以讨论。

2　表层沉积物颜色和气味特征
沉积物的颜色和气味是沉积物的重要特征,是现场描述的主要内容,是海洋地质调查中最直观的观察指标之一。

沉积物颜色深浅变化和气味的有无与浓淡反映出沉积物的物质来源、成分及沉积环境,也能反映出沉积物中有机质的多少及其分解的强
海洋地质与第四纪地质2008年　
弱。

这两项指标是现场描述人员凭视觉和嗅觉确定的,虽然存在着一些人为因素,会因人因时而有一定差异,但这种差异对结果不会产生较大影响。

两指标的结合,能较直观地判断沉积物中有机质的多少与氧化还原状态,甚至于有助于判断沉积物的物质组成和物质来源。

图1　调查站位及海流示意图
ES CC :东西伯利亚沿岸流;AIC :大西洋入流;BCC :波弗特海沿岸流;PIC :太平洋入流;TDC :跨极漂流
Fig .1　Dr aft of sampling sta tion and the current
in the study a rea
研究区沉积物颜色主要有褐红色(棕色)、褐灰色、褐色、黄灰色、灰色、浅灰色、青灰色、深灰色、灰黑色、黑色等,为了描述方便,分别归类为褐红色、褐灰色、黄灰色、浅灰色、深灰色五类(图2)。

沉积物
的气味主要是指有无臭味、H 2S 味或其他气味及其程度,在描述时分为气味浓、较浓、微臭和无味(图3)。

根据沉积物颜色分布图分析可知,深灰色沉积物出现的站位一般离岸较近,所处纬度较低,主要分布于70°N 及以南的楚科奇海西侧与东西伯利亚海附近的区域,沉积物表层一般为浅黄色或浅灰色薄层沉积物所覆盖,往下为灰黑色或深灰色沉积物样品,并伴有浓烈的H 2S 臭味,这些特征表明沉积物
处于强还原环境。

浅灰色沉积物位于楚科奇海69°～74°N 的区域,74°N 以北仅在加拿大海盆的B80站见到青灰色沉积物,显示此处海底为弱还原环境。

黄灰色沉积物主要分布于71°～73°N 之间的楚科奇海中部,同时,在加拿大海盆的B79站与白令海峡北侧的楚科奇海南部也有见到,为微氧化环境。

褐灰色沉积物主要分布于加拿大海盆(B77、B78)、楚科奇海陆架(R15)和波弗特海(S32)4站;褐红色沉积物主要见于74.5°～78°N 之间的楚科奇海台,波弗特海的S21站也能见到。

图2　北冰洋西部表层沉积物的颜色分布Fig .2　Surface sediment w ith different color
in the We ster n A r ctic Ocean
沉积物气味浓的站位有J8、P4和P7700,气味较浓的站位有P7100、P7130、P6630和P6700,微臭气味的沉积物主要分布于75°N 以南的大部分海域,而75°N 以北海域的沉积物大部分为无臭味的沉积物。

从沉积物的颜色与气味分布可知,研究区沉积物分布呈现较明显的分带现象。

来自陆源的有机质先在近岸处沉降,造成近岸沉积物中有机质的富集,而后有机物分解,消耗了沉积物中大量的氧,使沉积物显深黑色并具浓臭味。

随着离岸距离的增加,纬度增加,水深逐渐加深,沉积物中有机质含量逐渐降
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低,因而有机质产生的H 2S 等气体含量下降,表现为沉积物的颜色变浅、气味变淡,表层与下部沉积物颜色的差别缩小,逐渐趋于一致而呈浅灰色、灰色、浅黄色,乃至于黄灰色、褐灰色、褐色、褐红色。

沉积
环境也逐渐由还原环境向氧化环境演变。

在北部区域由于陆源物质所占比例较小,海洋生源组分含量相对增多,并因所处环境的氧化还原状态不同,呈现出褐灰、褐红、黄灰色,甚至青灰色。

图3　北冰洋西部表层沉积物的气味分布Fig .3　Surface sediment with diffe rent o do r
in the Western A rctic O cean
3　表层沉积物中的砾石分布
两次北极考察所采的沉积物样品从砾石到黏土
都有,以黏土质粉砂或粉砂质黏土为主,并可见数量不等的砾石。

砾石数量从无到有,在P27站沉积物中出现大量砾石,砾石含量超过2kg ,呈滚圆状—棱角状,扁平状,大者长径9cm 。

最大的砾石出现在P1站,砾石为扁平状,磨圆度差,尺寸为14.4cm ×8.5cm ×2cm ,重333g 。

砾石形状以棱角状、次棱角状为主,也有混圆状和半圆状,一般尺寸大的砾石磨圆度较差,砾石尺寸小者磨圆度较好,部分砾石表面可见擦痕,有的表面附有藻类植物,属于来自陆源的冰筏碎屑。

对表层沉积物中的砾石进行初步观察表明,砾石来源有两种:一些出现于粗粒沉积物中的砾石,主要是由河流、海流搬运的产物,它们与粗粒沉积物之间呈某种过渡关系。

它们的出现反映了采样点所在
位置的水动力状况较强,如BS11、P6630。

另一些砾石出现于离岸较远的细粒沉积物中,与细粒沉积物之间呈突变关系,几厘米大乃至十几厘米的砾石出现于远洋软泥中,表明两者具有不同的搬运条件。

这些砾石的来源与搬运方式可能与冰筏搬运有关,它们是由冰筏带来的,在融冰季节降落到研究区的为冰筏碎屑。

这些砾石常具有不同的磨圆度,从滚圆状、半滚圆状、到棱角状都有,表明这些砾石所经受的搬运过程也明显不同。

根据北冰洋的沉积环境及海冰漂流特点,初步判断它们是沿岸冰或河流冰携带的近岸或河流砾石,进入北冰洋后,随着海流运移,向远岸的沉积区搬运,而后天气转暖,海冰融化,这些冰筏碎屑便沉积到现在的位置。

两次考察冲洗筛选的57个站位中砾石样品的出现率为64.9%,按有、无砾石发现2种情况绘图(图4),其中36站存在砾石。

由图可知,从白令海峡南侧的BS11到77°24′N 的P22站(水深326m ),西起J7站、东到S32站均有砾石发现,水深最大的含砾石站位是S16站,水深达3800m 。

沉积物中砾石的纬向分布比较奇特,在白令海峡南(BS11)、北(P6630)两端均有砾石发现,然而从其北侧到68°N 所筛洗的沉积物样品中没有发现砾石。

再往北,也就是在68°20′～77°24′N 的楚科奇海中部及楚科奇海台区又有较多的砾石出现,到P23站(77°31′40″N )及以北各站,又不见砾石。

据Weing -artner 等和Aag aard 等研究[5-6],白令海峡及其附近的海流主要是由白令海流向北冰洋,因此,在融冰季节携带砾石的浮冰通过白令海峡进入白令海的情况很难发生。

考虑到这些砾石均是冰筏搬运、浮冰融化而沉降的结果,因此,68°N 可看作冰筏碎屑的南界,而砾石分布的北缘(77°24′N ),可以看作是融冰水能到达的北界,或永久冰区的南界。

砾石分布的西缘位于研究区的西南部,可能反映了东西伯利亚沿岸流与白令海峡入流的交汇作用的结果。

在J7站附近,由于受赫雷德浅滩(He rald sho al )影响,沉积物粒度变粗,分选性相对较差。

Grantz 等对这一海区的沉积物研究后,认为这些沉积物可能是经冰川和海流簸选后的残留沉积物[7]。

我们的初步分析表明,这可能是两股不同性质的海流相遇时沉积环境变化所致(详见后面讨论部分)。

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海洋地质与第四纪地质2008年
图4　北冰洋西部表层沉积物的砾石分布
F ig.4　Distributio n of g ravels a nd ice-rafted debris in
surface sediments o f the W estern A rctic O cean
在波弗特海一侧近加拿大海盆的站位,尽管P1站有较多的漂砾,但沉积物主要为黏土或软泥,到深水站位处沉积物过渡为硅质软泥为主。

这表明调查区沉积物中的砾石的分布是多因素作用的结果。

通过表层沉积物中冰筏碎屑的研究,不仅可指示海冰的运移方向,而且也可反映融冰水的北界,或永久冰区的南界。

通过沉积物岩心中冰筏碎屑的研究,则可揭示地质时期的气候变化过程。

4　表层沉积物中的生物及其贝壳分布
楚科奇海虽然纬度较高,温度较低,但沉积物中的底栖生物仍相当丰富,在所采样品中,多毛类、虫管(管栖多毛类)、寡毛类、蠕虫、蛇尾、沙蚕、海星、海参、端足类、纽虫、竹节虫、笔帽虫、螠虫、海饼、海鞘、海燕、星虫、小蟹、虾、藤壶、苔藓类、单壳类、双壳类等生物常有出现[3]。

个别站位底栖生物的丰度较高,例如在S21站表层沉积物中出现6～7条海参(取样器开口面积为35cm×35cm),表明该处较适宜它们的生存。

沉积物中还常有软体生物活体或遗壳出现,并且呈不同的组合分布,相互间呈过渡关系。

两次考察57个进行冲洗筛选的站位中,贝壳的出现率达61.4%,贝壳含量从无到多达140g(J2站)。

镜下鉴定初步表明贝壳类分属17个种[8]。

贝壳所在站位的水深大部分在47～58m之间。

在水深为92m 的站位也见少量贝壳,贝壳在沉积物中的埋藏深度以5～10cm为主,大部分贝壳的尺寸约为4.0cm ×3.0cm,最大的贝壳为一双壳类贝壳,尺寸为7.7 cm×6.4cm。

各站位因水深、离岸距离不同,贝壳数量及大小不同。

根据筛洗后沉积物中有无贝壳及其数量多少,按无贝壳、有贝壳2种情况绘图(图5)。

出现贝壳最北的站位是P7327站(73°26′58″N,水深92m),此站以南各测站几乎全有贝壳发现,差别在于种类的不同和数量的多少,此站以北的R15站(73°59′53″N,水深169m)没有采到贝壳。

因此,贝壳分布的北界应介于这2站之间,而贝类的分布可能与该海区的浮游生物量、水深等有关,其中浮游生物量又与海区的营养盐、水温、光照等因素有关。

据林景宏等资料,1999年夏季楚科奇海浮游动物的分布北界至少到达75°25′N[9],与其相比,贝壳分布的北界比浮游动物的北界约少两个纬度。

图5　北冰洋西部表层沉积物中的贝壳分布Fig.5　Dist ribution of mo lluscan remains in sur face
sediments of the W este rn A rctic Ocean
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贝壳分布的范围与浅灰(不含B80站)或深灰色的沉积物站位分布基本一致,显然贝壳多少是与底栖生物的数量相关联,而后者的多少与沉积物中不同程度的有机质积累有关,以及沉积物氧化还原状态的不同。

沉积物颜色的变深是与生物量多少有关的。

因此,贝壳分布的北界可作为软体动物生长的北界,在研究区则位于73.5°N附近,水深可达92m。

5　讨论
研究区的物质来源包括陆源物质、生源物质、火山物质及海底热水物质、风尘物质、自生物质、及地外物质等。

陆源物质在整个研究海区均有分布,并且是构成沉积物的主体,包括由河流、浮冰(沿岸冰)带来的各类碎屑物质、悬浮物质,从砾石到黏土粒级都有。

生源物质包括陆生生源物质及海生生源物质,在研究区表现出随着离岸距离增加,陆生生源物质数量减少,而来自海洋的生源物质增加的趋势;钙质生物减少、硅质生物增多的趋势。

门捷列夫海岭在地质历史时期中曾有海底火山活动,而在罗蒙诺索夫海岭及盖克海岭现在还发生海底火山活动及海底热水作用[10],由此进入北冰洋的火山物质或海底热水物质经大西洋入流的搬运可能影响研究区,这类沉积作用不可低估。

至于风尘、自生、地外物质尚需进一步研究确定,据Darby等估计风尘沉积约占北冰洋沉积物的1%～10%[11]。

研究区由南往北,随着纬度的升高,水深加深,离岸距离增加,沉积物中陆源物质逐渐减少,有机质含量降低,自生物质增多,沉积物的粒度由粗变细、颜色由深变浅,相应的气味也由较浓的H2S臭味逐渐过渡到无气味,冰筏碎屑也由多变少,沉积物中的贝壳及底栖生物量由多到少,且个体由大到小演变,显示由浅海陆架环境向深海环境演化,由还原环境向氧化环境转化,形成了研究区沉积物分布的基本格局。

在这一总体布局上,个别区域因所处环境不同而有所不同,如在赫雷德浅滩附近和巴罗角外侧海域表现为较多的砾石和贝壳、较深的颜色等,并呈现高的有机碳和生源蛋白石含量[12]。

前者位于西伯利亚沿岸流与白令海峡入流的西缘交汇处,后者则位于波弗特海沿岸流与白令海峡入流的东缘交汇处。

沉积物的分布与水动力条件密切相关,许多环境因素对沉积物的控制作用往往可以通过水动力条件而体现,而水动力条件与沉积物类型的耦合又是沉积过程研究的重要内容。

据Reimnitz等对研究区洋流系统的研究可知[13],影响研究区的海流系统有4部分,南侧主要受来自白令海峡的太平洋入流的影响,西南部主要受白令海峡入流与东西伯利亚沿岸流的双重影响,东部则受白令海峡入流与波弗特涡流的双重影响,西北部可能受大西洋入流与跨极漂流的双重影响。

在白令海峡附近,白令海入流进入研究区后,由于水动力较强,沉积物中供氧较为充足,而微生物分解所释放出来的还原性产物能较快被海流带走,因而也呈现氧化环境特征的黄灰色。

随着海流向北运移,由于海域由窄变宽,海流速度变慢,使海流挟带的沉积物在此海域大量沉降,并表现出由粗向细的转变。

在西南部的赫雷德浅滩附近和东部巴罗角外侧海域受海流双重影响的区域,携带浮冰的西伯利亚沿岸流和波弗特海沿岸流遇到势力较强且相对较为温暖的白令海峡入流,流速与流向以及水温均发生改变,不仅使所携带的悬浮颗粒物在此沉降,而且沿岸流所携带着的沿岸冰也因温暖的白令海入流影响而发生融化,结果冰筏碎屑发生沉降,以至于两处获得了较多的陆源物质,包括砾石及有机质。

表现为沉积物分选性相对较差,颜色为深灰—浅灰色,气味为浓臭—微臭,从而使沉积物呈现出含有丰富有机质的冰海沉积物特色。

汤毓祥曾据历年资料推测白令海混合水经白令海峡东侧进入楚科奇海后可一直影响到68°N以北海域[14]。

对研究区大型底栖生物进行初步研究,发现在P7200站(72°00′14″N,水深45m)仍有大型底栖生物分布[15]。

对浮游植物的研究显示,作为北太平洋水指示种的西氏细齿状藻可至72°22.5′N,表明白令海混合水对楚科奇海的影响范围大致可到此处。

而由浮游动物的调查资料不难看出[9],1999年夏季楚科奇海浮游动物的分布北界至少到达75°25′N。

本文根据冰筏碎屑分布的北缘在77°24′N,推断融冰水能到达的北界,或永久冰区的南界在77°24′N。

由上可知,沉积物颜色的变化、有无气味以及砾石、贝壳的分布可用以指示沉积物的物质来源、组成、沉积环境的氧化还原特征、海流的分布及其对沉积环境的影响、是否处于永久冰区、有无足够的营养支撑底栖生物的生存,甚至进一步指示全球变化的相关特征。

在赫雷德浅滩附近和巴罗角外侧海域由于受不同特性海流的双重影响,表现为沉积速率较高、沉积
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海洋地质与第四纪地质2008年　
物分选较差,有机质较丰富的冰海沉积物特色。

若以砾石分布的北缘作为融冰水能到达的北界,则西北冰洋的融冰水北界为77°24′N。

若以贝壳分布的北界作为软体动物生长的北界,在研究区该界线位于北纬73°30′N附近,水深为92m,比浮游动物的北界约少两个纬度。

致谢:感谢中国首次和第二次北极考察队的地质组成员为样品的采集付出了艰辛的劳动。

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THE APPEARANCE FEATURES AND ENVIRONMENTAL INDICATION OF SURFACE SEDIMENTS IN CHUKCHI SEA AND CANADA BASIN
GAO Ai-g uo1,2,WANG Ru-jian3,CH EN Jian-fang4,
ZH ANG De-yu5,ZH ANG Dao-jian5
(1Departm en t of Oceanography,College of Oceanography and Environmental S cience,Xiamen University,Xiamen361005,C hina;
2S tate Key Lab oratory of M arine Environmental S cience;Xiamen University,Xiamen361005,C hina;
3State Key Lab oratory of M arine Geology,Tongji University,Shanghai200092,China;
4S econd Institute of Ocean og raphy,State Oceanic Adminis tration,Hangzh ou310012,C hina;
5Firs t Institute of Ocean og raphy,State Oceanic Adminis tration,Qingdao266061,China)
A bstract:The apparent features of surface sediments co llected during Chinese Fir st and Second Arctic Re-search Expedition w ere o bserved.Based on the recognitio n o f colo r and odo r of the sediments,distribution of g ravels o r ice-rafted debris and mo lluscan rem ains in the surface sediments,w e discuss the relation a-m ong the apparent features of surface sediments and the content of org anic matters,o xidation-reduction status as well as the distributio n range of bentho s,ice-rafted detritus and the relation w ith ocean cur rent. We find that the north boundary of m ollusks is located at73.5°N,w hich is2°low er than that of zo oplank-to ns.The no rth bo undary of ice-rafted detritus w hich is also the no rth boundary of m elting w ater and e-quals to the south boundary of permanent ice regio n,appears near77°24′N.Acco rding to analysis of ap-parent features of sedim ents,combining w ith current characte ristics in study area,w e co nclude that cur-rent play s an important ro le in distributio n o f sediments,especially fo r that within the so uthw est region and east regio n.
Key words:surface sediment;co lor;o do r;ice-rafted debris;molluscan remains;environmental indication; the Canada Basin;the Chukchi Sea。