羅祎1，蘇新，陳芳2，黃永樣2
羅祎（1982－），女，博士研究生，主要從事海洋地質方面研究，E-mail:wulude@163.com。
1.中國地質大學海洋學院，北京 100083
2.廣州海洋地質調查局，廣州 510760
摘要：對取自南海北部陸坡“海洋四號沈積體”DSH-1C柱狀樣進行了沈積學和磁學分析，結合相關資料探討了該柱狀樣沈積物磁性特征其縱向變化，及其與該區沈積環境變化的關系。結果表明：DSH-1C柱狀樣自上而下***劃分3個巖性單元，表層沈積物為全新世MIS1期以黏土質粉砂為主的深海－半深海沈積；中部含數層重力流沈積夾層，為晚更新世MIS2期沈積；底部為晚更新世MIS3期黏土質粉砂。該柱狀樣x值平均值為1.72×10-7m3/kg。所有樣品的IRM 均已達到SIRM的80％以上，S300的最小值為0.605。該柱狀樣沈積物中的磁性礦物極少，以低矯頑力礦物為主；該柱狀樣磁性特征在陸源物質輸入較多的間冰期（MIS1和MIS3期），磁性參數值較高；反之，在MIS2磁性參數值較低，可能與冰期該區陸源物質減少有關。此外，該巖心柱中富含有孔蟲殼體或雙殼碎屑的重力流層沈積物的磁性參數值低，與這些逆磁性碳酸鹽組分的增加有關。
關鍵詞：磁性特征；粒度分析；晚更新世；東沙；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
環境磁學自20世紀80年代確立至今逐漸形成了壹門以磁性測量為核心手段，磁性礦物為載體，利用磁學的方法去研究環境作用、環境過程和環境問題的新興交叉學科[1-3]。海洋沈積物的環境磁學研究亦已成為近年來研究的熱點。在這壹領域國內外學者通過對深海巖心沈積物或淺表沈積物磁學特征的研究，結合年代學、沈積學和地球化學等資料，研究沈積物的來源及沈積環境的變化，去重建古氣候和古環境[1-6]。
當前，在對海洋沈積物的磁學特征的研究中，沈積物磁化率的變化可以反映物源和環境的改變已經得到普遍的認同及應用。其他磁性參數（如：天然剩磁、等溫剩磁、非磁滯剩磁等）也逐漸被引入到海洋沈積物的礦物學、古地磁學、次生變化及成巖過程等的研究中[4-12]。不僅如此，近年來國外學者在對海洋天然氣水合物的研究中，探討了水合物賦存區沈積物的磁性參數（主要以磁化率為代表）及其與自生礦物（主要以黃鐵礦為代表）的關系[13-15]。
本文為首次在南海水合物賦存區進行柱狀巖心沈積物的磁性研究。將利用環境磁學和沈積學方法，通過對來自南海北部水合物賦存區獲得的DSH-1C重力柱狀樣沈積物的磁性特征及其沈積環境的對比研究，來探討該研究區表層沈積物的磁性參數變化的因素及其與沈積環境變化的關系，希望通過以上研究獲得該研究區表層沈積物的磁性特征及其環境意義。
1 樣品與方法
1.1 樣品來源
DSH-1C保壓重力活塞柱狀樣全柱長626 cm，由2006年“海洋四號”科考船取自南海北部陸坡，東沙海域“海洋四號沈積體”氣體水合物調查區，水深3 000 m。該區冷泉活動的證據首先由“海洋四號”科考船發現，2004年中德合作SO177航次“太陽號”科考船對“南海北部陸坡甲烷和天然氣氣體水合物分布、形成及其對環境的影響研究”的調查獲得更多證據，並命名為“海洋四號”沈積體[16-17]。
該區位於南海北部陸坡東部，臺灣海峽北岸，構造上屬於被動大陸邊緣，毗鄰臺灣島西南的外濱增生楔。水深在1 500～3 000 m之間，平均水深大於2 500 m[16]（圖1）。
研究區海底具有強似海底反射層（BSR）的地震反射特征。在海底電視對海底的調查中，發現該區有深水冷泉雙殼類、菌席。對SO177航次GC10站位[16]（圖1）的巖心描述中提到該區沈積物中有因甲烷氣體脹氣形成的裂隙結構。其孔隙水地球化學分析結果也在壹些深度表現出孔隙水氯離子異常等地球化學特征，並由甲烷通量推測該站位深部存在甲烷源。
圖1 南海北部陸坡“海洋四號沈積體”水深圖及DSH-1C、SO177-GC10站位示意圖
1.2 研究方法
對DSH-1C柱狀樣描述其巖性特征、照相後，按10 cm間隔取樣，取樣厚度為2 cm，得到***計63份沈積物樣品，對其進行了磁學、粒度和碳酸鹽含量測試。
1.2.1 巖石磁學方法
對DSH-1C柱狀樣的磁學參數進行了磁化率（X）、天然剩磁（NRM）、非磁滯剩磁（ARM）、等溫剩磁（IRM）及飽和等溫剩磁（SIRM）的測試。
所鄰近的SO177-GC10柱狀樣已有對有孔蟲AMS14C年齡的測試結果[16]，其底部年齡為50～60 ka，屬於布容正極性期，因此未對DSH-1C柱狀樣的磁傾角方向進行考慮。環境磁學樣品直接用無磁性立方盒封裝，並對所有樣品進行低溫烘幹（小於40℃）。
（1）磁化率測量在中國地質大學（北京）地學實驗中心進行，利用KLY-4S卡帕橋磁化率儀測得全部樣品的質量磁化率。
（2）樣品剩磁及退磁參數測量均在中國科學院地質與地球物理研究所古地磁實驗室進行。2G-755R巖石超導磁力儀上完成，對所有樣品進行天然剩磁測量，然後進行退磁。儀器測量範圍2.0×10-12～2.0×10-4Am2；靈敏度1.0×10-12 Am2。除490cm處樣品測量值為2.37×10-4Am2超出量程僅作參考，320cm處由於電腦故障測量值未被保存外，其余61份樣品測量值最小值為1.36×10-6Am2，最大值為1.18×10-4Am2，為可信值。壹般的海洋沈積物樣品經過15～25 m T的交變退磁，即可獲得特征剩磁，故選擇0、5、10、15、20、25、30、40、50、60、70m T的退磁步驟。240 cm和320 cm處由於電腦故障測量值未被保存外，獲得61份樣品的特征剩磁。
（3）應用2G-760超導磁力儀，在外加90 m T交變場疊置0.1 m T的直流場下測定樣品的非磁滯剩磁。儀器測量範圍1.0×10-7～1.0×10-2Am2；靈敏度2.0×10-12Am2。全部樣品測量值最小值為3.96×10-5Am2，最大值為2.68×10-3Am2，為可信值。
（4）為保證對樣品飽和等溫剩磁的測量值在2G-760超導磁力儀量程範圍內，對測量樣品質量進行縮減。用Model660 Pulse Magnetizer在1.7 T磁場下進行磁化，後在2G-760超導磁力儀上測量飽和等溫剩磁。全部樣品測量值最小值為1.38× 10-4Am2，最大值為9.08×10-3Am2，為可信值。將樣品置於100、300 m T的反向磁場中磁化得到全部樣品的等溫剩磁（IRM-100、IRM-300）。
定義S300＝(－IRM-300)/SIRM，計算得到S300。
1.2.2 粒度分析
粒度測試在中國地質大學（北京）海洋學院利用英國馬爾文公司Mastersize2000型激光粒度儀進行測試。本文樣品沒有進行有機質和鈣質組分的去除，希望得到沈積物全部碎屑的粒度特征，所以進行了全粒級的粒度分析。方法為：取2 g左右待測樣品放入20 m L的燒杯中加入適量蒸餾水浸泡，使其在自然狀態下分散。測試前加入0.5 mol/L的六偏磷酸鈉溶液進行化學分散，測試中未進行超聲處理。
1.2.3 碳酸鹽含量測試
碳酸鹽含量測試也在中國地質大學（北京）海洋學院利用容量法測試。因部分樣品含有較多鈣質生物殼體，為保證樣品測定的準確性，每份樣品至少取3份進行平行測定。
2 結果與討論
2.1 巖性及粒度特征
DSH-1C柱狀樣沈積物的主要巖性為灰綠色黏土質粉砂，中間夾有數層富含有孔蟲及生物碎屑的粗粒粉砂質夾層，部分層位夾有灰黃色或灰黑色細層，黏性較大，下部有皸裂現象和氣脹孔結構。根據巖性和粒度變化可將該巖心自上而下分為3個巖性單元（Ⅰ-Ⅲ） （ 圖2）。
圖2 DSH-1C柱狀樣沈積物粒度分析結果
巖性單元I(0～約152 cm）為含有孔蟲粉砂，砂粒組分中含有較多的有孔蟲，因此與碳酸鹽含量變化對應。巖性單元Ⅱ（約152～470 cm）以富含大量生物碎屑（雙殼、腹足等殼體）及有孔蟲砂黏土質粉砂為主要特征。砂層及黏土質粉砂層交替。巖性單元Ⅲ（約470～620 cm）為含深灰黑色粉砂質夾層的黏土質粉砂。沈積物中鈣質組分相對較低，也較穩定。
2.2 年代確定
表1 SO177-GC10浮遊有孔蟲AMS14C年齡數據[16-17]
圖3 DSH-1C與SO177-GC10柱狀樣巖性、粒度分析、對比曲線圖（左圖據文獻[17])
采用SO177航次在“海洋四號”沈積體獲得的GC10表層柱狀沈積物樣浮遊有孔蟲AMS14C年齡數據（表1)[16-17]。據Zhang等[17]研究，GC10柱狀樣的3個巖性單元（圖3左圖），上部為全新統沈積，中部和下部為更新統頂部沈積。兩者分界以富含有孔蟲和生物碎屑層末次出現為標誌。通過與GC10進行對比可以得出：DSH-1C柱狀樣沈積物在約152 cm深度下部富含有孔蟲和生物碎屑砂的首次出現為標誌。152 cm之上為全新統沈積，之下為更新統頂部沈積（圖3）。其中巖性單元Ⅱ為末次冰期MIS2時期的沈積，而巖性單元Ⅲ為MIS3時期的沈積。
2.3 磁學結果
圖4為DSH-1C柱狀樣磁學參數測試結果隨深度變化的曲線圖，其中X、NRM、ARM和SIRM記錄天然物質的磁性變化與沈積物中磁性礦物的含量、種類、粒度等相關。壹般來說，通過計算得到S300的大小與沈積物中中低矯頑力磁性礦物和高矯頑力磁性礦物的相對含量呈正比例關系[18]。本文主要探討DSH-1C柱狀樣沈積物中磁性礦物的含量變化。
根據測試結果，結合其巖性特征，可將DSH-1C柱狀樣的磁學參數特征分為Ⅰ(0～152 cm）、Ⅱ（152～470 cm）、Ⅲ（470～626 cm)3段。
圖4 DSH-1C柱狀樣磁學參數（X、NRM、ARM、SIRM和S300）隨深度變化圖
Ⅰ段（0～152 cm）：該深度段X的變化範圍為（2.37～4.84）×10-7m3/kg，波動幅度較大且隨深度的增加而降低。NRM、ARM和SIRM數值曲線特征與X變化趨勢相壹致。此深度段樣品的S300在0.925～1.00變化。
Ⅱ段（152～470cm）：該深度段X、NRM、ARM和SIRM平均值明顯降低，整體數值趨於平穩。X平均值為1.10×10-7m3/kg。ARM平均值在1.17×10-7Am2/kg，比上壹段減少87.6％。SIRM平均值為6.54×10-6Am2/kg，比上壹段平均值減少57.5％。此段S300波動幅度大，全柱最小值0.605出現在330cm。
Ⅲ段（470～626cm）:X、NRM、ARM 和SIRM 數值相對上壹段升高，有明顯波動。全柱最大值出現在490 cm處，其X、NRM、ARM 及SIRM 均顯示為最大值。S300與上兩段明顯不同，變化幅度很小，呈穩定趨勢。
由於天然物質的磁化率主要取決於其中磁性礦物的含量，如果亞鐵磁性礦物含量很少，磁化率則非常弱。主要是順磁性礦物乃至逆磁性礦物對磁化率做出的實際貢獻[1-2]。綜合3個深度段， DSH-1C柱狀樣X值最大值僅為6.02×10-7m3/kg，平均值為1.72×10-7m3/kg。可見該柱狀樣沈積物中磁性礦物含量極少。
天然樣品S300，低矯頑力磁性礦物（如磁鐵礦）其值接近於1，高矯頑力磁性礦物（如赤鐵礦）其值則低於0.5[9,18]。DSH-1C柱狀樣S300的最小值為0.605，並且所有樣品在300 T外加磁場下獲得的IRM均已達到SIRM的80％以上。由此該柱狀樣沈積物中以低矯頑力的軟磁性礦物為主。
此外，該柱狀樣沈積物X、NRM、ARM 和SIRM隨深度具有相同的變化趨勢，以上這些特征表明磁性礦物的含量是該研究區沈積物磁性特征的主要影響因素。
2.4 磁性特征及其環境意義
本文選取磁性參數X和S300，結合已得到的沈積特征和古海洋學結果進行對比分析（圖5）。
圖5 DSH-1C柱狀樣x、S300、黏土體積分數和碳酸鹽體積分數隨深度變化圖
2.4.1 磁性參數的變化
磁化率為代表的海洋沈積物的磁性參數受多種因素的影響。已經得知本文研究區沈積物磁性特征主要受到磁性礦物含量的影響。總體趨勢來看，巖性單元Ⅰ和Ⅲ區間內沈積物的磁性礦物含量要高於巖性單元Ⅱ內沈積物。並且，在沈積物黏土粒級（體積）百分含量較高的層段沈積物磁化率數值相對較高。這壹變化趨勢與南海南部NS93-5孔[19]、東帝汶海MD98-2172巖心[12]和東海內陸架EC2005孔的部分層段[20]沈積物磁化率和粒度的相關關系的研究結果相似。在對臺灣海峽西部外海表層沈積物[21]和墨西哥灣陸坡表層沈積物[15]的磁化率的研究中，也發現沈積物粒度越細，其磁化率數值越高。
在同壹巖性單元內沈積物的磁性主要受到碳酸鹽含量和碎屑礦物含量2個因素的影響。以巖性單元Ⅱ內沈積物為例：首先，在碳酸鹽含量高的層段區間，X值相對較低（圖5中陰影部分），這是由於碳酸鹽是逆磁性礦物，對磁化率等磁性參數的貢獻極小，並且碳酸鹽含量的大幅增加稀釋了沈積物中黏土粒級含量，使得相應層段的沈積物磁性相對較低。其次，在黏土粒級含量相對較低的層段，X值卻相對較高（圖5中虛線框部分）。具有這壹特征的深度區間，通過對沈積物巖性觀察、沈積物圖片觀察和粒度分析結果得出這些深度區間內粉砂含量高，含有相對大量碎屑礦物。可認為該深度區間碎屑礦物含量對沈積物磁性參數有重要的貢獻。
該柱狀樣S300比值在碳酸鹽含量較高的重力流沈積層段比值較小，在碎屑礦物含量較高的層段比值較大。這壹特征仍然顯示了磁性參數與碎屑礦物含量的關系。
2.4.2 磁性參數變化與沈積環境
通過與SO177航次GC10站位沈積學和古海洋學結果[16-17]相對比，可以得到DSH-1C柱狀樣3個巖性單元從下到上分別為MIS3期到MIS1期的沈積記錄。在該沈積期間內，據前人研究[17,22-23],MIS1期（冰後期）為全新世高海面暖時期，MIS2期為末次冰期，MIS3期為末次間冰期。從圖5可見，氣候最暖時磁性參數值最高，末次冰期磁性參數最低，而末次間冰期較高。
在海洋沈積物中磁性礦物來源除海底火山和熱液成巖作用帶來的磁性礦物之外，其中主要是通過風、河流、冰川的搬運作用以及海岸的侵蝕作用，將陸源碎屑搬運至海洋沈積物中的磁性礦物；其他也有生物作用、成巖作用形成的自生磁性礦物。目前研究認為，陸坡海洋沈積物中磁性礦物主要來自於陸源，而其磁性參數（如磁化率）與沈積物中陸源物質豐度相關[1-2,4,9,19]。前人在對黃土磁性礦物揭示古氣候變化的研究中[24]提出，溫暖潮濕的氣候促進黃土的化學風化形成磁性較強的古土壤，而寒冷時期的黃土磁性較弱。
由此可推知，物源區碎屑礦物自身的風化過程因氣候冷暖改變而產生的磁性差異，輸入海洋中也可能導致溫暖時期的海洋沈積物磁性較強，反之在寒冷時期較弱。
因此，研究區內，氣候溫暖間冰期河流的淡水輸入量較大，帶來較多的陸源物質[23]，表現為磁性參數的相對高值。這壹特征在碎屑礦物含量較高的層段（如490 cm深度區間）有明顯的表現：沈積物中除含有較多碎屑礦物之外還含有少量木屑，具有陸源碎屑的特征相應其磁性也表現為高值。在寒冷的MIS2期間，淡水輸入減少，同時海平面的降低，也增加了離開陸地的距離，整體陸源輸入的不足導致沈積物中磁性礦物含量小，該巖心中此期的磁性參數值最低。此外，該地史時期內海平面為最低，有數層來自陸架的重力流沈積層[16-17,23,25-28]，這些重力流層中含有大量的有孔蟲和生物碎屑[26-27]。它們的存在使得這些層中沈積物中碳酸鹽含量增加，同時也是導致這些重力流層中磁性最低的原因。
3 結論
通過對南海北部陸坡DSH-1C柱狀樣沈積物的粒度分析結果、磁學分析結果、碳酸鹽含量的分析，通過與相鄰站位SO177-GC10站位沈積物巖心的對比，得到以下認識：
1)DSH-1C柱狀樣為晚更新世到全新世的深海—半深海沈積，主要巖性為黏土質粉砂，中間夾有數層重力流沈積物。
2)DSH-1C柱狀樣沈積物的磁性特征隨深度變化的特征，顯示其主要受沈積物中磁性礦物含量影響；沈積物中磁性礦物含量十分稀少，以低矯頑力軟磁性礦物為主；沈積物磁性垂直變化與黏土粒級含量變化相似，並且受到碳酸鹽稀釋作用和碎屑礦物含量的影響。
3)DSH-1C柱狀樣在氣候溫暖的MISl冰後期（0～約152 cm），海平面最高，陸源輸入量最大，沈積物磁性參數值最高；MIS2末次冰期（約152～470 cm深度區間），海平面最低，陸源輸入不足，磁性參數最低；MIS3末次間冰期（約470～626 cm深度區間），氣候相對較暖，海平面較高，磁性參數較高。
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