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Journal of Tropical Oceanography >

2017 , Vol. 36 >Issue 6: 19 - 26

DOI: https://doi.org/10.11978/2016116

海洋地质学

Indian Summer Monsoon evolution in the Andaman Sea during the Holocene: Evidence from grain size records

  • HUANG Yun , 1, 2 ,
  • XIANG Rong , 1 ,
  • LIU Shengfa 3 ,
  • YANG Yiping 1, 2 ,
  • LIU Jianguo 1
Expand
  • 1. CAS Key Laboratory of Ocean and Marginal Sea Geology, South China Sea Institute of Oceanology, Guangzhou 510301, China
  • 2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
  • 3. First Institute of Oceanography, State Oceanic Administration, Qingdao 266061, China
XIANG Rong. Email:

Received date: 2016-11-16

  Request revised date: 2017-01-02

  Online published: 2018-01-18

Supported by

Strategic Leading Science #cod#x00026; Technology Programme, Chinese Academy of Sciences (XDA11030104)

National Natural Science Foundation of China (91228207, 41476040)

Copyright

热带海洋学报编辑部
Fold

Abstract

Based on the sediment grain size analysis of the gravity core ADM-C1 from the Andaman Sea, grain size populations were partitioned using the method of grain size versus standard deviation. It was found that two sensitive grain size populations (1.5~11.9 #cod#x003bc;m and 11.9~74 #cod#x003bc;m) had significant fluctuations, and were mainly controlled by the circulation dynamics in the sea area, which was closely related to the Indian Summer Monsoon (ISM). Evolution history of the ISM in the Andaman Sea during the Holocene is reconstructed based on sensitive grain size populations. The results show that the evolution history of the ISM generally can be divided into three stages: 10.4~8.8 ka BP, when the intensity of the ISM was the weakest of the three stages; 8.8~4.7 ka BP, when percentage and average grain size of the sensitive grain size populations had significant increase, indicating that the intensity of the ISM was at its strongest stage during this period; and 4.7~0 ka BP, when sharp decreases of percentage and average grain size of the sensitive grain size populations indicated that the intensity of the ISM was obviously weaker than those of the previous two stages. The reconstructed evolution history of the ISM shown in this paper is consistent with many other records during the Holocene, and further verifies the feasibility that sensitive grain size can be used as a reliable proxy of the ISM in the Andaman Sea.

Key words： Andaman Sea; Indian Summer Monsoon; sensitive grain size group; percentage; average grain size

Cite this article

HUANG Yun , XIANG Rong , LIU Shengfa , YANG Yiping , LIU Jianguo . Indian Summer Monsoon evolution in the Andaman Sea during the Holocene: Evidence from grain size records[J]. Journal of Tropical Oceanography, 2017 , 36(6) : 19 -26 . DOI: 10.11978/2016116

沉积物的粒度特征是重建古气候、古沉积动力环境的一个重要代用指标。粒度分析是一种经典的沉积学研究方法, 粒度组成、粒度参数及各种图解是识别沉积环境的类型, 推断沉积物扩散搬运过程的常用手段(孙千里 等, 2001; 王伟 等, 2009)。粒度分析被广泛应用于对陆地沉积物以及海洋沉积物的古环境重建研究中。
对陆地沉积物黄土及湖泊的粒度研究已取得了许多成果。对黄土的研究表明, 其沉积物粒度值的大小是指示东亚冬季风气候变化的良好代用指标(An et al, 1991; Xiao et al, 1992; Ding et al, 1994); 对陆地湖泊的研究表明, 沉积物粒度是重建古水文的重要指标之一, 一些研究认为, 沉积物粒径增大反映采样点离湖岸距离减小、湖泊水位下降, 指示气候干旱; 反之, 沉积物粒径减小指示高水位时期的湿润气候(Menking et al, 1997; Digerfeldt G et al, 2000; 陈敬安 等, 2003)。
对海洋沉积物的研究也揭示了沉积物各组分含量的高低可用于度量洋流速度大小、搬运能力(Bianchi et al, 1999)以及重建古季风演化历史(曹鹏 等, 2015; Sheng et al, 2015; Cao et al, 2015)。在边缘海黄海及东海: Xiao 等(2005)、向荣 等(2006)通过对东海陆架西南泥质区沉积物的粒度分析, 提取出了对沉积环境变化敏感的粒度组分, 研究表明该敏感组分的粒级含量和平均粒径变化主要受东亚冬季风的强弱变化制约, 不少研究同样通过沉积物粒度重建了黄海、东海全新世以来东亚冬季风演化历史(Qiao et al, 2011; Hu et al, 2012; Zhou et al, 2014; Tu et al, 2016); 在边缘海南海北部: 郑洪波 等(2008)对南海北部陆坡沉积物研究发现, 陆源碎屑沉积特征主要受单一的因子控制, 通过对敏感粒级的变化序列进行分析发现, 北部的粒度变化与海平面升降作用紧密相关, 一些对南海北部陆坡敏感粒级组分以及南海北部陆坡沉积物物源的研究也表明沉积物组分主要受海平面升降的影响(Huang et al, 2011; Liu et al, 2016)。也有研究(葛倩 等, 2012)发现南海北部陆架泥质区的敏感粒级组分主要受到冬季风的影响。除了以上海域的粒度研究外, 沉积物粒度也应用于其他海域的研究, 如Zheng等(2016)通过沉积物粒度对黑潮进行研究并探讨了太平洋在全球海洋气候变化中的作用、Huang 等(2016)结合沉积物粒度对南海南部陆坡物源进行了研究。
由以上可知, 沉积物粒度研究在陆地沉积物及海洋沉积物的古环境研究中起着非常重要的作用。研究发现: 黄东海部分陆架泥质区沉积物敏感粒级组分的粒度主要受东亚冬季风的强弱变化制约(Xiao et al, 2005; 向荣 等, 2006; Qiao et al, 2011; Hu et al, 2012; Zhou et al, 2014; Tu et al, 2016), 而南海北部的沉积物粒度变化主要与海平面升降密切相关(郑洪波 等, 2008; Huang et al, 2011; Liu et al, 2016), 不同区域影响沉积物粒度变化的主导因素有明显差异。在安达曼海, 目前对于沉积物粒度主要影响因素的研究还较少, 影响沉积物粒度变化的机理还不完善。因此本研究期望通过对安达曼海柱样ADM-C1进行沉积物粒度分析, 并探讨影响沉积物粒径变化的主导因素以及沉积物粒度变化所揭示的全新世以来的古季风演化历史。

1 区域背景

安达曼海位于印度洋东北部, 是一个半封闭的边缘海, 左侧分布有安达曼群岛和尼科巴群岛, 右侧是马来半岛, 在西侧通过格雷特海峡、十度海峡以及普雷帕丽斯海峡与孟加拉湾进行水体交换, 在东南方向通过马六甲海峡与南中国海进行海水交换(Varkey et al, 1996; Suwannathatsa et al, 2012)。之所以选择安达曼海作为研究印度洋季风的区域, 由于其有以下几点优势: 1) 安达曼海是目前研究程度较低的边缘海之一; 2) 周围岛弧链的存在, 使得安达曼海能较好地保存古环境信息, 是研究印度洋季风的有利区域。
安达曼海水资源和物质来源的补给主要来自于陆上的伊洛瓦底江和萨尔温江(Rodolfo, 1969; Milliman et al, 1983; Robinson et al, 2007), 其中伊洛瓦底江每年向安达曼海输送大约428km3的水资源(Milliman et al, 1983), 萨尔温江输送大约211km3的水资源(Robinson et al, 2007), 输送速度在最强季风降水(8月)之后的两个月达到最快(Rashid et al, 2007), 伊洛瓦底江和萨尔温江搬运的水资源和陆源物质在安达曼海北部马达班湾经入海口汇入安达曼海。
安达曼海表层环流主要受印度洋季风流驱动。在印度洋季风(西南季风)盛行时, 由季风引起的季风流自安达曼海西北方向进入安达曼海, 与穿越马六甲海峡的西北向海流共同形成一个顺时针涡流, 最终在安达曼海西南部流出; 在东北季风盛行时, 北赤道暖流经由马六甲海峡进入安达曼海, 最终到达斯里兰卡南部, 形成东北季风流(Brown, 2007; 曹鹏 等, 2015), 研究区海流模式如图1所示。
Fig. 1 Circulation pattern of the study area and sampling sites. After. (a) shows positions of ADM-C1 and paleoclimate records: SO90-111kl (Schulz et al, 1998), Dongge cave (Yuan et al, 2004), Sanbao cave (Dong et al, 2010); (b) shows circulation patterns of the ADM-C1 and other paleoclimate sampling site RC12-344 (Rashid et al., 2007)

图1 研究区海流模式及取样站位(改自Cao et al, 2015)

a. 采样点ADM-C1孔以及其他古气候记录。SO90-111kl (Schulz et al, 1998)、董哥洞(Yuan et al, 2004)、三宝洞(Dong et al, 2010); b. ADM-C1环流图以及其他古气候站位RC12-344(Rashid et al, 2007)

2 材料及方法

研究材料来源于安达曼海重力柱样ADM-C1 (97#cod#x000b0;E, 7#cod#x000b0;26#cod#x02032;24″N, 水深850m)(图1), 岩芯全长157cm, 每隔2cm取一个样, 共取得79个样品, 将这79个样品放置在烘箱中低温烘干, 样品前处理如下: 1) 低温烘干后称量样品约1.0g放入烧杯中, 视有机质多少加入10~30ml的双氧水(H2O2), 摇匀并加热煮沸至反应无细小气泡为止, 途中视反应程度适当增加双氧水, 以便反应完全, 其目的是为了除去样品中的有机质。2)在烧杯中加入10ml的10%盐酸(HCL), 加热到不产生气泡为止, 目的在于除去碳酸盐及有机质胶结。3)上述步骤完成后, 给烧杯中加满蒸馏水, 静置24h, 直至溶液清亮, 所有颗粒沉降下来为止。4)小心除去上层清液, 加入0.05N的分散剂六偏磷酸钠 (NaPO3)6, 摇匀后置于超声波振荡器中振荡15min, 以形成高分散的颗粒悬浮液供激光粒度仪测量测定。
粒度的测试是在中国科学院南海海洋研究所粒度实验室引进的英国Malvern公司生产的Mastersizer 2000型激光粒度仪上进行的, 其测量范围为0.02~2000#cod#x003bc;m, 可提供每一粒度组分的百分含量、频率曲线、累计曲线及其他各种粒度参数。
挑选5个层位(31cm、61cm、93cm、125cm、157cm)样品的混合浮游有孔虫在Beta Analyses公司进行AMS 14C年代测试。

3 分析结果

3.1 年代学

通过5个不同层位的14C年龄, 结合线性内插法及外插法获得其他层位的年龄数据, 获取年龄深度曲线, 5个控制点(31cm、61cm、93cm、125cm、157cm)的年龄分别为3220a BP、5485a BP、6735a BP、8620a BP、11245a BP, ADM-C1孔测年结果如表1所示。
各个时段的沉积速率不同, 沉积速率最大能达到25.6cm#cod#x02022;ka-1, 最小为9.6cm#cod#x02022;ka-1, 如图2所示。本文中所用的ADM-C1孔年代均为日历年龄。
Tab. 1 Radiocarbon dates for samples from the ADM-C1 core

表1 ADM-C1孔测年结果

编号 层位 测试材料 AMS14C年龄(a BP) 校正年龄范围(2#cod#x003c3;, a BP)a 校正年龄(a BP)
Beta-391104 31 混合有孔虫 3370#cod#x000b1;30 3345~3105 3220
Beta-391105 61 混合有孔虫 5140#cod#x000b1;30 5585~5425 5485
Beta-391106 93 混合有孔虫 6290#cod#x000b1;30 6850~6635 6735
Beta-391107 125 混合有孔虫 8170#cod#x000b1;30 8775~8535 8620
Beta-391108 157 混合有孔虫 10290#cod#x000b1;30 11375~11175 11245

a 根据Marine13 radiocarbon database进行校正(Talma et al, 1993; Reimer et al, 2013)

Fig. 2 Age (a BP calendar year) versus depth (cm) plot for core ADM-C1. The linear sedimentation rates (LSR) are listed for each interval in cm･ka-1 and dotted lines indicate the extrapolated part of the age model

图2 ADM-C1钻孔的年龄深度图

斜线旁边的数据为沉积速率(单位: cm･ka-1), 虚线指示线性外插法推断的年龄

3.2 粒度分析结果

对已经取得的粒径测试结果进行分析, 沉积物粒度的频率分布曲线直观地反映了其所包含的粒度组分, 从图3(a)可看出不同深度下的沉积物粒度频率分布曲线大致呈现出一种单峰型曲线, 反映了相对单一的沉积动力环境。
通过沉积物的粒级-标准偏差变化(Boulay et al, 2003)来获取粒度组分的个数和分布区间, 划分出4个粒组, 分别为粒组A: 0.3~1.5#cod#x003bc;m、粒组B: 1.5~11.9#cod#x003bc;m、粒组C: 11.9~74#cod#x003bc;m、粒组D: 74~120#cod#x003bc;m, 如图3(b)所示。
通过对每个层位大于74#cod#x003bc;m的粒径含量进行统计后, 发现大多数层位大于74#cod#x003bc;m粒径的百分含量都低于5%, 仅少数几个层位含量高于5%, 如图3(c)所示。对粒组A、B、C的百分含量进行了统计分析, 粒组A的百分含量变化区间为10.79%~17.97%, 可以观察到B、C两个组分的含量变化呈现出相反的趋势, 其中粒组B的百分含量变化区间为42.96%~59.32%, 粒组C的百分含量变化区间为23.73%~40.33%, 粒组A的变化幅度比B、C小, 如图3(d)所示。对ABC三个粒组以及全样的平均粒径进行了分析, 分析结果表明粒组A的平均粒径变化区间为0.81~ 0.88#cod#x003bc;m, 粒组B的平均粒径变化区间为4.62~ 5.0#cod#x003bc;m, 粒组C平均粒径变化区间为19.45~ 24.61#cod#x003bc;m, 全样平均粒径变化幅度4.86~8.98#cod#x003bc;m, 如图3(e)所示。
Fig. 3 Results of grain size analysis. (a) Sediment grain size versus frequency at different depths, (b) standard deviation versus grain size, (c) grain size percentage (#cod#x0003E;74 #cod#x003bc;m) versus depth, (d) percentage of sensitive grain size populations (A, B, C) versus depth, and (e) average grain sizes of grain groups A, B and C and of the whole sample versus depth

图3 ADM-C1粒度分析结果

a. 不同深度沉积物粒度频率分布曲线; b. 标准偏差随粒级组分变化; c. 各个层位粒度大于74#cod#x003bc;m的百分含量变化; d. 敏感粒级组分的粒级含量变化; e. 敏感粒级组分的平均粒径变化

4 讨论

4.1 沉积物粒度与印度洋季风的关系

研究区域的沉积物主要来自于陆上伊洛瓦底江、萨尔温江等河流搬运的陆源物质(曹鹏 等, 2015)。陆源物质从马达班湾到达本研究区, 绝大部分是随表层环流搬运至此。安达曼海表层环流(如图1)主要受印度洋夏季风流驱动(Brown, 2007)。表层环流强弱与印度洋夏季风强弱密切相关。 印度洋夏季风增强时, 降水的增加会引起河水流量的增加, 进而引起河流搬运能力的加大, 能搬运颗粒粒径更大的沉积物汇入马达班湾, 而季风强度的增加也会对表层海水产生更大的摩擦力, 继而产生更强的风成环流。环流的强弱决定了自身搬运能力的大小, 环流越强搬运的沉积物粒径越大, 反之越小。因为本研究区沉积物主要是随着表层环流搬运而来, 所以本研究区沉积物颗粒粒径与表层环流的强弱成正相关, 而表层环流又与印度洋夏季风的强度成正相关, 所以本研究区沉积物颗粒粒径的大小与印度洋夏季风的强弱正相关, 可以作为研究印度洋夏季风变化的替代指标。

4.2 敏感粒组记录的全新世季风变化

对沉积物粒度数据的分析结果表明: 影响A、B、C、D四个粒组粒级的动力条件并不完全相同。如图3(d)所示, B、C两个粒组各自占全样的百分含量变化趋势呈现明显的反相关系, 对粒组B、C百分含量进行线性回归分析发现, R2=0.8081, P值小于0.01, 可见二者负相关较好, 进一步证实了二者的反相关系, 如图4所示。
通过对粒组B、C百分含量进行统计相加, 粒组B、C百分含量之和变化区间为79.7%~88.7%, 表明二者是沉积物粒度的主要组成部分, 如图5(b)所示。而前文已说明印度洋夏季风是影响沉积物粒度的主要因素, 印度洋夏季风的强弱对沉积物粒级的分布范围起着重要的作用, 而粒组B、粒组C两个组分是沉积物粒度中的主要部分, 再结合图3(b)反映出粒组B和粒组C具有较高的标准偏差值, 反映了不同样品的粒度含量在该粒径范围内差异较大, 据此我们得出粒组B、C是对印度洋夏季风敏感的敏感粒级组分, 二者同时受到印度洋夏季风的影响, 存在此消彼长的反相关系。
因为粒组B、C同时受到印度洋夏季风的影响, 存在着此消彼长的反相关系, 所以我们定义了一个参数K作为研究印度洋季风强度的替代指数:
$K=P_{c} /P_{b}$
其中, $ P_{c}$为粒组C占全样的百分含量, $ P_{b}$为粒组B占全样的百分含量。K值越大, 表示印度洋夏季风强度越强, 反之越弱。
通过对K值、敏感粒级组分B、C的平均粒径及百分含量变化曲线(图5)的综合分析表明: 10.4~ 8.8ka BP, K值、组分含量、平均粒径总体较低, 表明早全新世阶段印度洋夏季风的强度相对较弱; 8.8~4.7ka BP, K值、组分含量、平均粒径处于高值波动阶段, 表明印度洋夏季风强度处于全新世最强盛时期; 4.7~0ka BP, K值、平均粒径以及含量明显降低, 指示了该时期印度洋夏季风的强度明显减弱。
Fig. 4 Linear correlation analysis of percentage of sensitive grain size populations B and C

图4 敏感粒级组分B、C百分含量线性相关分析

Fig. 5 Percentage and average grain size variations of grain groups B and C

图5 敏感粒级组分B、C百分含量变化及平均粒径变化

4.3 与其他指标重建的全新世印度洋夏季风对比

粒组B、C是受印度洋夏季风影响的敏感粒级组分, 二者存在着负相关的关系, 为了避免重复讨论, 我们选取K值、粒组C百分含量以及粒组B和C的平均粒径作为印度洋夏季风的替代指标, 并与其他指标进行对比, 如图6所示。
利用以上三个指标重建的印度洋夏季风演化历史非常相似, 如图6(a, b, c)所示, 表明了早、晚全新世印度洋夏季风强度相对较低, 而在全新世的中期阶段印度洋夏季风处于整个全新世最强盛阶段, 早全新世印度洋夏季风是三个阶段中最弱的时期。在中、晚全新世, 我们重建的印度洋夏季风演化历史与总有机碳含量(TOC)(Schulz et al, 1998)指标、石笋#cod#x003b4;18O指标(Yuan et al, 2004; Dong et al, 2010)、海水盐度(#cod#x003b4;18Osw)(Rashid et al, 2007)指标以及花粉组合(Yang et al, 2016)指标等重建的演化历史具有一定程度的一致性。图6(d, e, f), 均表现出中全新世印度洋夏季风是三个阶段最强的时期, 晚全新世印度洋夏季风逐渐降低。但在早全新世阶段, 我们重建的夏季风变化与阿拉伯海总有机碳含量(Schulz et al, 1998)反映的上升流变化非常相似, 阿拉伯海总有机碳含量(TOC)主要反映了与印度洋季风风强度密切相关的沿岸流及上升流的变化, 而我们重建的夏季风在约8.8ka BP快速增强与总有机碳含量(TOC)在约8.8ka BP快速上升表现出时间上的一致性, 据此, 我们推测影响安达曼海沉积物粒度的因素可能与影响阿拉伯海总有机碳的因素一致, 可能都是受到印度洋季风风强的影响。
c) 4.7~0ka BP, 该时期印度洋夏季风的强度明显减弱。早全新世印度洋夏季风是三个阶段中最弱的时期, 印度洋季风在8.8ka左右增加至最强盛时期。
Fig. 6 Percentage variation and average grain size of sensitive grain size populations. (a) The values of K at ADM-C1, (b) the percentage variation of group C, (c) the average grain size variation of grain groups B and C, (d) the records of speleothem #cod#x003b4;18O from the Sanbao Cave (Dong et al, 2010) and the Dongge Cave (Yuan et al, 2004), (e) total organic carbon from SO90-111KL in the Arabian Sea (Schulz et al, 1998), and (f) #cod#x003b4;18Osw of the RC12-344 core in the Andaman Sea (Rashid et al, 2007)

图6 敏感粒级组分百分含量变化及平均粒径变化与其他古环境记录指标

a. ADM-C1的K值变化曲线; b. 粒组C百分含量变化曲线; c. 粒组B和C平均粒径变化曲线; d. 三宝洞(Dong et al, 2010)、董哥洞(Yuan et al, 2004)石笋的#cod#x003b4;18O变化曲线; e. 阿拉伯海SO90-111KL总有机碳(TOC)含量变化曲线(Schulz et al, 1998); f. 安达曼海RC12-344 的#cod#x003b4;18Osw含量变化(Rashid et al, 2007)

5 结论

1) 安达曼海沉积物粒度主要受到印度洋夏季风的强弱制约, 沉积物粒度在安达曼海域可以作为研究印度洋夏季风的替代指标, 受印度洋夏季风影响的敏感粒级组分是1.5~11.9#cod#x003bc;m、11.9~ 74#cod#x003bc;m。
2) 通过安达曼海ADM-C1孔敏感粒级组分百分含量及平均粒径变化建立了全新世以来印度洋夏季风的高分辨率演化历史:
a) 10.4~8.8ka BP, 早全新世阶段印度洋夏季风的强度相对较弱;
b) 8.8~4.7ka BP, 印度洋夏季风处于全新世最强盛时期;

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