西菲律宾海780ka以来气候变化的岩石磁学记录:基于地磁场相对强度指示的年龄框架

文章对取自西菲律宾海本哈姆高原东部的两个钻孔岩芯进行了岩石磁学和古地磁研究,两个岩芯长度近4m,水深均超过5000m。在岩芯146底部出现了磁倾角倒转和相对磁偏角偏移,被认为是布容-松山极性转换(780ka);而岩芯89中没有发现磁倾角倒转和磁偏角偏移,表明其底部年龄比780ka年轻。岩石磁学结果表明沉积物的磁学特征符合磁性"均一性"条件:即主要载磁矿物为低矫顽力的磁铁矿,磁性矿物粒度在假单畴-单畴范围内,并且磁性矿物含量变化不超过10倍;据此构建了地磁场相对强度(RPI)的3个指标NRM/κ,NRM/ARM和NRM/SIRM。综合古地磁和地磁场相对强度与Sint800的对比结果,我们得到了两个岩芯的深度-年龄对比,在此基础上获得的岩石磁学记录表明,岩芯记录了Brunhes期以来的气候演化:冰期时,磁性矿物的粒度变粗,细粒磁性矿物含量降低;反之,间冰期时磁性矿物的粒度变细,细粒磁性矿物含量增加,与南海ODP1143孔记录的氧同位素具有一致的变化,这反映了间冰期时加强的化学风化对源区物质的影响而不是海面升降造成的沉积分选。而且,在间冰期时磁学参数反映的粒度大小亚峰谷值与氧同位素的亚峰谷值一一对应,表明间冰期沉积过程能反映气候的细微变化。这种磁学参数对气候的响应也出现在南海钻孔中,表明该特征至少是东亚海域沉积物的共同规律。对细粒磁性矿物比较敏感的ARM显示了与磁学粒度参数相似的变化,在间冰期为高值,冰期为低值,而对粗颗粒更敏感的κ和SIRM则缺乏这种与冰期-间冰期旋回的对应关系。与此同时,S-ratio变化不大并且缺乏与亚洲风尘记录的对应关系,表明自从780ka以来沉积区的低矫顽力磁性矿物一直是主要磁性载体,并且暗示物质来源应以来自陆地的悬浮体为主,而非风尘。研究区内自西向东降低的沉积速率表明了沉积物的主要来源是西部的吕宋岛和东亚大陆。400kaB.P.前后,磁学参数出现转折,粒度由逐渐变粗到稳定,磁性矿物含量降低以及变化幅度增加;同时,碳酸盐含量的变化也相应降低,反映了全球海区出现的碳酸盐溶解加剧即中布容事件。磁性矿物含量和粒度与冰期-间冰期的同步变化反证了地磁场相对强度指示年龄的正确性,同时岩石磁学参数对稳定氧同位素和碳酸盐含量的响应也揭示了岩石磁学方法是进行古气候和古海洋研究的有效工具。

地磁场相对强度研究方法

主要介绍了地磁场相对强度研究的两种方法:常规归一化方法和假-Thellier方法的基本原理和做法,探讨了前者选择不同归一化参数的一般原则,并对比了两种方法的差异,指出地磁场相对强度研究方法在目前海洋沉积物定年研究中的应用方向和前景。

白令海岩芯记录的冰消期14ka以来地磁场强度和方向

对白令海北部陆坡B5-4孔进行了古地磁和岩石磁学研究,尝试获得该岩芯的地磁场相对强度和方向变化信息.结果表明：（1）除0～0.44m沉积物的磁性矿物粒度比其余沉积物细以外,岩芯的磁学性质总体均一,其记录的地磁场相对强度可以与北大西洋ODP983孔相应记录进行高度对比.（2）根据B5-4孔与ODP983孔地磁场相对强度记录对比结果,并结合该孔4.54～4.56 m处有孔虫AMS14C测年结果,可以确定3个深度-年龄对比点,并据此初步建立了B5-4孔的年龄模型.（3）B5-4孔磁偏角和磁倾角记录与贝加尔湖、北美、欧洲全新世以来的记录和当地地磁场球谐模型结果一致,其对比点丰富了强度对比点年龄模型,揭示了14 cal ka B.P.以来近线性的沉积模式.（4）根据与中国东部陆架两个钻孔的磁倾角对比,我们推测B5-4孔9～14 ka之间两段浅化的磁倾角可能是哥德堡极性事件的记录,但是受到早期成岩或者沉积物平滑效应的影响.以上结果足以证明,地磁场相对强度和方向变化可以从适宜的白令海沉积物中获得,它可以为确定该海区沉积物年龄提供相关辅助信息,有助于解决北极、亚北极古环境和古海洋研究中由于有孔虫等钙质生物壳体缺乏导致的年龄信息匮乏问题.

菲律宾海西北部岩芯记录的125ka以来的地磁场强度及其影响因素

沉积物记录的地磁场强度首先提供了模拟地磁场演化的数据约束,其次提供了沉积物的年龄信息.本文报道了菲律宾海西北部岩芯记录的地磁场相对强度,并结合岩石磁学和沉积学性质探讨了影响强度的各个因素.除底部红粘土层的局部磁偏角偏转可能揭示了沉积后改造以外,磁化率各向异性和地磁场方向特征表明沉积物为原状沉积.岩石磁学性质表明沉积物符合磁性均一性,可以记录可靠的地磁场强度.由于红粘土层及其下部的磁偏角异常,本文讨论其上部约125ka的结果.常规归一方法获得的两个地磁场强度参数NRM/ARM(特征剩磁和非磁滞剩磁比值)和NRM/κ(特征剩磁和磁化率比值)与其它记录对比得到时间-深度对比点,对比点之间的年龄为线性内推或者外推.地磁场强度时间模型上的岩芯氧同位素与全球氧同位素综合曲线一致证明强度结果的有效性和对比的正确性.磁化率为归一参数的强度大多低于以非磁滞剩磁为归一参数的强度,频谱和相关分析证明NRM/ARM不与ARM和磁性矿物粒度(ARM/κ)相关,也没有轨道周期性,而NRM/κ却与κ和ARM/κ相关,而且有13～12ka的周期.由此我们认为NRM/ARM记录的地磁场强度比NRM/κ更好地消除了气候印记.进一步探讨了超顺磁含量、碳酸钙含量、磁性矿物组成以及磁性矿物粒度变化与地磁场强度差值的关系,发现末次间冰期较高的超顺磁含量和磁性矿物粒度的较大范围变化造成了地磁场强度差值,后者至少造成了90%差异.中等含量的碳酸钙和较小的磁性矿物组成变化不是磁场强度差值产生的原因.如何校正磁性矿物粒度变化的影响将是下一步工作的重点.

近130ka以来地球磁场相对强度变化:南海南部NS93-5钻孔记录

选择位于南沙台地的NS93-5钻孔进行地磁场相对强度的研究。根据氧同位素地层学（MIS1～MIS5），建立130ka以来的沉积序列。岩石磁场研究表明，沉积物中的磁性矿物主要为1—15μm的细粒磁铁矿，磁性矿物浓度的变化在同一数量级之内，而且沉积物磁性比较稳定。选择NRM／X作为相对磁场强度的估计指标，发现在10-100ka时间尺度上，可以很好地进行全球对比，千年时间尺度上尽管有一定的误差，但也可以进行有效对比。130ka以来，有4次强度变化的低谷，分别发生在32．5—40ka、44—52．5ka、66．5-70ka和100-109．5ka。其中32．5—40ka和100～109．5ka两次强度的低值可能分别记录了Laschamp事件和Blake事件。这种高分辨率的地球磁场相对强度的全球可对比性，为全球高频气候和环境变化的研究提供了一种可选的年代对比框架。

四万年以来南海西北次海盆地磁场古强度演化及其地球动力学意义

海洋沉积物能够记录较为连续的古地磁信息.对沉积物记录的天然剩磁(NRM)进行归一化处理,可以构建过去较为连续的地磁场相对古强度(RPI)信息,这对于研究地磁场演变与全球记录对比具有重要的科学意义.本文以南海西北次海盆地区L07岩芯作为研究对象,利用等温剩磁(IRM)作为NRM的归一化参数,构建了南海西北次海盆地区37ka以来的RPI曲线.实验结果显示,L07岩芯中载磁矿物的成分较为单一,以单畴(SD)-细粒准单畴(PSD)低矫顽力磁铁矿为主,能够作为古强度记录的载体.此外,在11.5ka处RPI出现峰值.进一步结合东亚地区鄂霍茨克海岩芯的RPI记录以及中国黄土10Be的丰度变化,我们认为该RPI峰值是由于地球非偶极子场影响所致.这说明东亚正磁异常的影响范围可以达到中国南海等中低纬度地区,这为理解东亚地区磁场演化提供了新证据,同时也为该区千年尺度RPI记录变化特征提供了新机制.

南极半岛布兰斯菲尔德海峡沉积物的地磁场长期变化与定年

对南极半岛布兰斯菲尔德海峡内东北部的沉积物岩芯D1-7进行了初步环境磁学和古地磁研究，获得了连续的相对地磁场强度和方向。沉积物岩性总体为灰色软塑性黏土，中下部出现一层黑色火山灰层。结合废孔沉积物和有孔虫AMS14C测年结果（王汝建等，未发表），相对地磁场强度及其方向提供了8ka以来连续的定年标尺，其中相对地磁场强度与具有相似沉积速率的南美玛珥湖记录对比提供了5个对比点；同时特征剩磁倾角提供了另外4个对比点。磁化率各向异性分析揭示了全新世中晚期岩芯所在位置底流（南极深层水，～1100m）发生了阶段性显著变化，同时磁性矿物含量、粒度、沉积物湿密度等也发生了相应的变化。这些环境磁学和沉积学的变化主要受控于南极相应纬度处的太阳辐射量以及与辐射量相关的夏季季风降水量的变化，降水量增加导致磁性矿物粒度变细。D1-7也记录了一些千年尺度旋回变化，但是南极布兰斯菲尔德地区目前缺乏与之相似分辨率的气候参数记录，本孔其他古海洋学研究工作正在进行中，这些气候事件的缘起和分布范围有待后续的研究。对比发现，地磁场长期变化产生的年龄与沉积物全样有机碳AMS14C测年结果之间存在系统的差异，在8ka以来比有机碳年龄年轻，可能反映老碳的输入在8ka以来逐步增加。南极布兰斯菲尔德海峡内各种不同水体的混合以及在全新世全球升温背景下冰川的动态变化和由此引起的中、深层水变化，都是造成水体性质复杂的原因。而地磁场强度和方向变化则不受水体性质影响，因此可以提供更合理的年龄信息。自8ka至今，38cm·ka-1的平均沉积速率表明南极布兰斯菲尔德海峡地区全新世中晚期稳定和丰富的沉积物供应。

中国黄土磁性地层研究进展与展望

中国黄土是最重要的第四纪陆相气候记录之一,磁极性地层是建立第四纪黄土年代框架的主要方法之一。本文总结了中国黄土所记录的布容/松山(Brunhes/Matuyama)、加拉米诺(Jaramillo)、奥尔都维(Olduvai)和松山/高斯(Matuyama/Gauss)等几个作为主要定年依据的极性倒转界限的研究结果,并将黄土记录的这些界限位置与深海记录进行了对比。结果发现,不同黄土剖面所记录的各地磁极性倒转界限的位置并不一致,其差异可超过一个黄土-古土壤旋回,且不能用lock-in效应、气候和沉积速率差异、黄土地层划分差异来解释。这些地磁极性界限位置的差异指示极性界限附近的黄土可能经历了不同程度的重磁化。同时,这些差异也导致了不同研究者基于磁极性地层所建立的轨道尺度的黄土年代标尺与深海氧同位素记录的对比存在较大分歧。未来对黄土所记录的地磁场相对古强度(RPI)的研究可望为识别极性倒转界限的真实位置提供依据,并最终解决中国黄土与深海记录轨道尺度对比方案的分歧。

日本海南部48ka以来的环境磁学记录及其反映的千年尺度环境变化

本文系统分析了日本海郁陵海盆南部陆坡KCES钻孔48ka以来的古地磁、岩石磁学和沉积学性质。在已经报道的以AMS^(14)C测年、火灰地层和特征深色层年龄模型上,以磁化率、非磁滞剩磁和饱和等温剩磁为归一参数的"地磁场强度"特征低值可以与北大西洋ODP 983钻孔对比,方向可以与日本海和太平洋其他钻孔进行对比,强度年龄与之前年龄一致且更详细。48ka以来未次冰期(36～15kaB.P.)的磁性矿物输入最多,颗粒最细,软磁组分最高,末次冰期其他时段和冰消期、冰后期的磁性矿物输入降低,颗粒变粗,高矫顽力磁组分增加。岩石磁学的系统变化揭示早期成岩作用在7kaB.P.以来程度稍强,48～7kaB.P.作用较弱,不足以影响岩石磁学参数的环境记录。由于样品的不连续,末次冰期岩石磁学与千年冷暖事件的对应不明显,而在冰消期(15～11kaB.P.)海面急剧上升、全球温度变化剧烈的时期,岩石磁学参数表现为非常均匀的粗颗粒快速堆积,但是磁性矿物含量减少,软磁性组分也减少。此时陆源输入中的稳定元素Ti的相应变化暗示物质源区的变化和/或强劲水动力条件的筛选作用。与此同时,底流强劲并且方向多变,沉积物中砂和粉砂含量剧增都说明海底处于动荡和充氧的条件,与末次盛冰期时的分层海洋明显不同。因此,KCES钻孔的岩石磁学变化记录了陆源物质输入、底流演变和沉积后变化,这些都可能与著名的千年事件具有成因关系。