南冲绳海槽近1000年来的硅藻记录及所反映的古环境演化设计.docx

南冲绳海槽近1000年来的硅藻记录及所反映的古环境演化设计.docx

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南冲绳海槽近1000年来的硅藻记录及所反映的古环境演化设计

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本科毕业设计（论文）

题目：

南冲绳海槽近1000年来的硅藻记录及

所反映的古环境演化

Adiatomrecordofpalaeo-environmentalchangesinthesouthernOkinawaTroughoverthepastmillennium

学院建筑工程与环境学院

专业地理科学（师范）

诚信承诺

我谨在此承诺：

本人所写的毕业论文《南冲绳海槽近1000年来的硅藻记录及所反映的古环境演化》的主体均系本人独立完成，没有抄袭行为，凡涉及其他作者的观点和材料，均作了注释，若有不实，后果由本人承担并愿接受校方的处分。

承诺人（签名）：

洪燕娜

2013年4月13日

目　录

南冲绳海槽近1000年来的硅藻记录及所反映的古环境演化

摘要

东北地区的降水变化。

研究结果表明，900~1500AD期间，淡水种含量较低，均低于平均值，说明当时台湾东北地区降水较少，气候较为干旱；而1500~1900AD年间，淡水硅藻含量呈波动上升趋势，表明该时期台湾东北地区降水丰富，气候湿润。

由于900~1500AD对应历史上的中世纪暖期，而1500~1900AD对应于小冰期，因此，本文硅藻结果反映了1000年以来台湾东北地区暖干—冷湿的气候特点。

我们认为这种气候特点可能跟西太平洋副热带高压的南北移动有关：

当温度升高时，西太平洋副热带高压向北移动，中国的雨带向北移动，造成台湾东北地区的降雨减少；当温度降低时，西太平洋副热带高压则滞留在中国南部，引起台湾东北地区的降雨增多。

Adiatomrecordofpalaeo-environmentalchangesinthesouthernOkinawaTroughoverthepastmillennium

Abstract

【ABSTRACT】ThisarticlethroughtheanalysisofthesouthwesterntheEastChinaSea,freshwaterdiatomsinthesince1000.Theresultsshowthatfreshwaterspecieswerelowerthantheaverageduringthe900~1500AD,indicatingthatTaiwan'snortheastregionwithlittleprecipitation,theclimateisrelativelydry.Thefreshwaterdiatomscontentfluctuateupwardduringthe1500~1900AD,showingthattheabundantrainfallandnortheastTaiwanduringtheperiod.Becauseof900~1500ADcorrespondtotheregionwarmanddry-coldandwetclimatecharacteristicssince1000.Webelievethatthecharacteristicsofthisclimatemaybeassociatedwiththenorth-southmovementofthewesternPacificsubtropicalthetemperaturerisesandthewesternPacificsubtropicalbeltmovingnorth,leadtoareductionoftherainfallinTaiwan'snortheastregion;Whenthetemperaturedecreases,theWestPacificsubtropicalsouthernChina,causingTaiwan'snortheastregionincreasedrainfall.

1前言

1.1冲绳海槽在研究区域古环境中的重要性

冲绳海槽位于东海大陆架边缘，是琉球群岛和钓鱼岛之间，东海晚第四纪唯一保存连续海相沉积物的弧后盆地。

由于边缘海的岩芯具有较高的沉积速率，这为我们研究区域古气候环境和海洋环境提供了可靠的保证。

近年来，冲绳海槽成为了中外学者研究的重点靶区。

对于冲绳海槽的研究主要分为南部、中部和北部。

冲绳海槽南部是一个高速沉降中心，尤其是水深大于1000m以下的堆积速率非常高；而中部和北部的地理位置十分适合研究黑潮，海平面下降导致了北部的沉积速率逐渐加快以至于在此也能取得高分辨率的研究材料。

李麦村等人对中国东部季风降水做过相关研究，研究表明东太平洋海温异常改变着西太平洋副高的强度及位置[1]。

罗建育[2]等人对台湾大鬼湖的古气候做过相关研究，发现沉积物岩芯记录能很好的对应冷干、暖湿的气候变动。

李传顺、江波等人[3]对冲绳海槽西南端的沉积速率研究发现，五期快速沉积事件与气候变化引起的区域性降水增加有关。

南青云[4]在探究南冲绳海槽古生产力和气候变化的联系时指出古生产力的变化与热带辐合带（ITCZ）的南北移动有密切的关系：

ITCZ的南北移动导致了降水量的变化，降水量的变化导致了台湾东部兰阳溪沉积物的输送量，进而影响了南冲绳海槽古生产力。

1.2淡水硅藻百分含量与降水量的联系

硅藻是一大类群单细胞藻类，是生活在水中或潮湿环境中的微体生物，其细胞壁具有硅质，不易溶解。

不同种硅藻它们表现出来的物理、化学属性是不一样的，当外界环境发生变化时，硅藻的种类、数量及组合等也会发生变化来适应所生活的环境。

因此，可以通过研究沉积物中硅藻的种类、数量等特征来探究当时外界的环境和气候条件。

[5][6]

Jouse等人[7]认为太平洋硅藻分布可以划分成7个带，其中北太平洋硅藻占4个带，从低纬到高纬依次是：

热带硅藻带、亚热带硅藻带、北方硅藻带和极地-北方硅藻带。

1000年以来，台湾东北部海水中的硅藻均以亚热带种类占绝对优势，其中还有数量不多的热带、赤道浮游硅藻。

除了生活在咸水中的硅藻外，还有种硅藻生活在浅水沼泽和小型水体沿岸带[8]，属淡水种。

本文研究的区域位于台湾东北部，该区域无大型的河流，淡水对区域的影响较少。

淡水硅藻是通过地表径流进入冲绳海槽南部，而径流量的变化与区域降水密切相关。

因此，本文通过分析东海西南部沉积物中淡水硅藻含量的变化来探究1000年以来台湾东北部降雨量的变化情况。

1.3研究目的与内容

降雨量对海洋环境有很重要的影响，尤其表现在温度、湿度、生物种类等方面。

如何推测过去1000年以来的降雨量的变化是本文的重点和难点。

降雨量的变化会导致地面径流发生相应的变化：

当降雨量增加时地面径流就会增多，导致淡水硅藻随河水进入海洋的数量增加；当降雨量减少时地面径流量就会相应减少，导致淡水硅藻随河流进入海洋的数量减少。

因此，只要知道1000年以来该区域海水中淡水硅藻水量变化，就可推算出该区域的降水量变化。

近几年来，边缘海的岩芯研究成为热点，它为系统地揭示古海洋事件提供了有力的材料。

本文通北地区的降水变化，并通过对应历史上的气候变化事件揭示该区域的海洋环境。

针对上述现状中存在的问题，我们开展了以下研究内容：

（2）获取该孔中的硅藻的沉积记录：

分析记录中淡水硅藻的种属，结合年代信息，分析淡水硅藻的百分含量变化；

（4）探讨台湾东北部气候特点的影响因子。

2区域概况

冲绳海槽位于东海陆架东南部，地处台湾东北部。

东海是中国海的一部分、中国三大边缘海之一，位于中纬度（25°N~35°N），中国大陆、台湾岛、日本琉球岛和九州岛之间。

影响该区的水团主要有黑潮（包括台湾暖流）和长江沿岸流，其中又属黑潮的影响最大。

黑潮的主干沿着台湾岛东部进入东海海域，随之而来的热量和大洋物质也进入了东海陆架。

淡水和陆源物质通过河流进入了海洋，受洋流等水文条件的影响，这些物质随后又被带入了东海西南部、西太平洋地区等边缘海域。

大洋物质和陆源物质在此交汇，使南冲绳海槽享有得天独厚的沉积环境，有很高的研究价值。

因此，了解冲绳海槽及其附近的区域的自然地理、海洋及气候背景，是本文研究工作的前提。

2.1自然地理概况

冲绳海槽地处东海大陆架东南部，日本琉球岛西北侧，台湾岛东北部。

海槽整体狭长，如弓向西太平洋一侧突出。

海槽南深北浅，南部最大水深可达2000多米（最深达2270m）[9]，北部最浅近200米。

冲绳海槽位于太平洋板块和亚欧板块碰撞带，是一个活动弧后盆地[10]，其显著特点是断裂构造十分发育。

冲绳海槽属晚第四纪海盆，为一个U形海槽，底部比较平坦，两侧较陡。

因其地处大陆板块和海洋板块的消亡边界，在环太平洋地震带上，地震、火山活动较多。

地震造成了海底深处岩层错动、破裂，火山岩浆活动使地壳内部物质流出地表，形成了复杂的地形。

同时，也加剧了区域沉积环境的复杂性。

南青云在研究冲绳海槽沉积环境时，也发现了研究区域的沉积作用十分复杂，它往往以多种作用形式共同存在，其中垂直沉降作用是该区生物碎屑堆积的主要形式[11]。

2.2区域环流和水文特征

东海是一开阔的边缘海，其环流系统相当复杂，影响该区的水团主要有黑潮、长江沿岸流和台湾暖流。

台湾东北部地处亚热带季风区，主要受东北季风影响。

该区域的流域环流和水文特征随着季节的变化发生相应的变化，具有明显的季节性。

而导致这种变化的因素主要是太阳辐射强弱的季节性差异和气候的变化。

黑潮属于北太平洋西边界流，它从西太平洋经台湾东北部进入东海，受东海陆架的影响流向发生明显的偏转[12]，从东北变成向东。

黑潮主体指的是流经东海的部分，其在日本九州岛南部发生分歧，一支继续向北流动，进入福建、浙江海域，成为台湾暖流。

一支沿九州西岸沿海向下流动，形成逆时针环流。

黑潮是一种暖流，对区域热量输送和交换，调节区域热量分布有着重要意义。

黑潮暖流对流经海区的沿岸气候、海洋生物分布和渔业生产都有一定的影响，其主流轴与海洋表层生产力变化密切相关[13]。

由于季风、降水的变化，黑潮的特征具有季节性变化，主要体现在温度和盐度两个方面。

在夏季、秋季，表层温度较高，盐度较低；在春季和冬季，表层温度降低，盐度有所上升。

长江沿岸流是长江径流入海形成的。

长江是中国第一大河，每年向东海输入巨量的径流和陆源物质。

长江径流主要来自区域降水，由于该区域主要分布在亚热带季风区，因此，长江入海径流明显存在季节性。

这种夏季径流量大，冬季径流量明显减少的特征也使得入海径流在海洋流动方向上存在明显差异，径流入海后主要分为三个方向[14]：

向东北（济州岛方向），主要集中在夏季；东南（沿浙江沿岸南下），主要集中在冬季；向东。

当沿浙闽沿岸向南输运的长江沿岸流遇到台湾暖流后，其流向转向台湾岛东北海域，然后进入冲绳海槽，并带来了中国大陆的陆源沉积物[15-16]。

但是目前关于南冲绳海槽物质来源的问题尚存在争议。

2.3区域气候特征

研究区域位于东海西南部、台湾东北部，属北亚热带。

区域气候主要受三大要素控制，即季风、副热带高压及热带辐合带（ITCZ）。

2.3.1季风

季风（monsoon）是由于大陆及邻近海洋之间存在的温度差异而形成大范围盛行的，风向随季节有显著变化的风系。

它的形成是由冬夏季海洋和陆地温度差异所致，夏季季风由海洋吹向大陆，冬季由大陆吹向海洋。

大陆冬季干燥寒冷，夏季温暖湿润的特点就是因为季风的季节性变化而引起的。

台湾东北部位于东亚季风区，其气候受东亚夏季风和冬季风的控制，为亚热带湿润气候。

夏季，湿润的季风带来了菲律宾和中国南海的水汽，增加了台湾东北部的降水量；冬季，来自干冷大陆的东北季风在到达台湾之前，经过海洋时携带了大量水汽，因此，冬季风盛行的年份，台湾东北地区秋冬季节的降水也是相当丰富的。

综合来看，台湾东北部因受东亚季风的影响，降水量差异分布特点由东北向西南递减（图2）。

研究区的风力变化、降雨量和径流量大小都受到东亚季风的影响。

兰阳河是台湾东北部最大的河流，在台风暴雨期间，兰阳河所输出的沉积物将被快速传输至研究区，使得该区沉积通量大为增加[3]。

2.3.2副热带高压

副热带高压是指位于副热带地区的暖性高压系统。

它对中、高纬度地区和低纬度地区之间的水汽、热量、能量的输送和平衡起着重要的作用，是夏季影响中国大陆天气的主要天气系统。

西太平洋地区和东亚地区的天气变化受其影响巨大，并且它是直接控制台风活动的主要天气系统，对研究台风活动有着重要价值[17]。

气压带的形成和分布，是以太阳直射赤道为前提的。

在地球公转的过程中，太阳直射点每年都在有规律的南北移动，由此产生了气压带的季节性移动现象。

西太平洋副高具有明显的季节变化，随着季节的更迭，其强度、位置也会发生明显的季节变化。

从1月到8月，西太平洋副高呈现出向北移动和强度增强的趋势；从8月到1月，西太平洋副高向南移动和强度减弱的动向。

这种季节性的变化，还具有明显的缓慢式变化和跳跃式变化的不同阶段。

西太平洋副高影响着东南季风从太平洋向大陆输送的水汽。

另外，太平洋副高的位置、强度和活动还影响着从印度洋来的西南气流水汽输送。

当西太平洋副高北侧的暖气团和中纬度的冷气团相遇时，暖气团密度小，冷气团密度大，暖气团沿着锋面爬升，高空遇冷达到降水条件时锋面处往往就形成了大范围的阴雨天气。

可见，副高是影响我国的区域降水的重要因素之一。

2.3.3赤道辐合带（ITCZ）

赤道辐合带（ITCZ）是热带主要的天气系统，它是两半球信风气流形成的辐合地带的总称。

研究表明太阳辐射的强弱变化和ENSO事件与ITCZ的南北移动存在一定联系[18]。

北半球辐射量增加时ITCZ北移，7月份时处于最北端；北半球辐射量减少时ITCZ南移，1月份时到达最南端。

在北半球，ITCZ与降水量密切相关，当ITCZ表现为暖湿气团，它与来自高纬大陆的冷干气团相遇时形成锋面，在锋面附近往往出现降雨的天气现象。

刘晓东等人认为区域降水量的变化与ITCZ的南北移动不存在必然的联系，只有在锋面滞留时间较长情况下区域降水才增多，反之减少[19-20]。

3材料与方法

3.1材料来源

南冲绳海槽位于台湾东北部，琉球群岛西北侧，它比北部、中部两个研究区窄，是冲绳海槽水深最深的部分[9]，相较于冲绳海槽其他研究地区，南部又是一个高速沉降中心，有望获得较高地层分辨率和超高沉积速率的岩芯记录。

具有高分辨率的沉积记录是探明千年尺度的气候波动事件以及其中的影响机制的关键。

因此，本文选择的材料较合适研究论文主体关心的问题。

2005年5月中法合作的“马可波罗”航次，在台湾东北冲绳海槽南部，通过考察船“MarionDufresne”122°29.35′E，长34.17米。

该柱状沉积柱为深入研究全新世以来气候波动事件和古海洋事件提供了极佳的素材。

其岩性特征如下[3-4]：

0~979cm：

黑灰色粘土，颜色均一，含有有机质；

979~3416cm：

黑灰色砂质粘土，有机质含量少，有浮游生物碎屑；

0~979cm无沙层，979~3416cm有少量的沙层，0~850cm和2734~3414cm粗颗粒物质较少，850~2733cm石英、云母等粗颗粒物质含量较高。

本文处理的样品仅限于顶部7.5m1000年以来的沉积物。

3.2硅藻分析

本研究采用8cm间距取样，由于样品缺失，部分样品采用16cm间距，平均采样间距为11cm，共获得86个样品。

采用Hakansson的方法对硅藻样品进行处理，首先，利用10%的HCl除去沉积物的钙质，接着蒸馏水洗净后加入适量30%的H2O2，再在恒温60℃下煮1~2h以有效去除硅藻样品中有机质，最后蒸馏水洗净沉积物，Na-phrax胶制片后放在1000倍莱卡油镜下观察，分析样品中硅藻的种类特征。

[21]

3.3AMS14C年代分析

的浮游有孔虫G.ruber和G.sacculifer混合完整壳体进行检测。

结果显示，送测的6个AMS14C数据没有明显的倒转现象，与岩性特征保持一致。

校正年龄由丹麦奥弗斯大学JesperOlsen教授完成，运用OxCalv.4.13.9程序[22]和marinecalibrationcurveMarine09[23]计算得出（calyrBP）（表1）。

深度

（cm）

材料

AMS14C年龄

（14CaBP）

误差1σ±（years）

日历年

（calyrBP）

10~16

G.sacculifer+G.ruber

470

±32

42

102~108

G.sacculifer+G.ruber

600

±40

160

210~216

G.sacculifer+G.ruber

650

±33

271

410~416

G.sacculifer+G.ruber

900

±26

497

610~616

G.sacculifer+G.ruber

1370

±49

859

810~816

G.sacculifer+G.ruber

1570

±45

1139

根据送测的6个AMS14C数据控制点（表1），对控制点内的年代序列采用线性内插法，控制点以外的采用线性外推法求得，建立了该孔1000年的年代模式（图3）。

样品深度与年龄一一对应，其平均分辨率约为11年。

图3基于6个深度AMS14C测年资料建立的深度-年龄模式

4研究结果

在分析的86个硅藻样品中发现硅藻种属总共有181种，但是它们的百分含量各不相同。

其中百分含量较高的是亚热带种菱形海线藻，其含量高达30~45%且变化不大。

本文主要对淡水种硅藻的百分含量变化进行分析与讨论。

Cymbella属，Eunotia属和Gomphonema属。

Fragilaria属（如图4）是本研究区含量最丰富的淡水种属，该种属多营附生和底栖生活。

羊向东等人发现Fragilaria属喜欢生存在缓流的环境中，如浅水沼泽和小型水体沿岸。

当遇到急流时，在流水等外力作用下到达另一水域成为偶然性浮游类型[24]。

在冷水环境中Fragilaria属更加丰富[25]，其中小型底栖Fragilaria属种主要适应于光照充足、透明度较大的贫营养水体[24]，其种属变化对环境具有明显的指示意义[26]，其含量较大常指示着湖泊的贫营养状况[25]及较低的湖泊生产力。

图4Fragilaria属图版

积硅藻可知，Fragilaria是该孔主要的淡水种类，此外，Cymbella和Gomphonema等也少量存在于沉积样品中，这可以在台湾北部湖泊记录中得到验证。

淡水硅藻中的Cymbella属（图5a），Eunotia属（图5b）和Gomphonema属（图5c）均为浮游型或附生型，淡水种类分布很广，多见于沿岸带和草丛中[29][30]。

图5其他淡水种属图版：

a1、a2为Cymbella属；b为Eunotia属；c1、c2为Gomphone属

的硅藻数目较少。

此外，硅藻组合中又以亚热带广布种Thalassionemanitzschioides的含量占绝对优势（30~45%），淡水硅藻所占的比例相对要少得多。

由于本文研究区位于深海盆地（水深为1276m），且冲绳海槽南部周围无大型河流，样品中的淡水硅藻只可能是台湾东北部河流（主要是兰阳河）通过入海径流携带至此，而台湾东北部的降雨量变化又会影响区域的入海径流量，可见台湾东北部的降雨量变化很可能与沉积物中淡水硅藻百分含量的波动相关。

因此，我们对含量较少但却具有重要环境指示意义的淡水硅藻的百分含量进行求和，探讨1000年以来淡水硅藻百分含量的波动（图6）所反映的台湾东北部降雨量的变化情况。

呈波动下降趋势，出现13个小峰值，都低于3%，总体维持在较低的范围，并且小于其平均值（约1.6%），这表明当时由台湾东北部河流（兰阳河）注入冲绳海槽南部的淡水较少，即台湾东北部降水较少。

此外，淡水硅藻的含量在1500~1900AD期间发生了显著变化，其含量逐渐增加并达到峰值。

其中，1500AD以后，淡水硅藻的含量逐渐增加，表明台湾东北部河流注入南冲绳海槽的径流量逐渐增加，台湾东北部降水量增多。

在1650~1750AD年间，淡水硅藻含量远远高于其平均值，并在1700AD达到峰值，约为8%。

雨量变化[36]，以及历史资料记载的中国南部洪水事件[37]的对比

4.3.1中世纪暖期

目前，对于中国1000年以来的气候变化，讨论最多的主要是中国是否存在中世纪暖期（800~1300AD）和小冰期（1300~1900AD），以及这两个时期气候的干湿状况。

洪业汤[31]通过对金川泥炭δ18O记录的研究证实了1100~1300AD为一温暖期，徐海[32]在研究红原泥炭时也提到了这一时期为温暖期。

满志敏[16]指出10世纪到13世纪末为气候较温暖的时期，水稻、冬麦、甘蔗、柑桔、茶树和苎麻等作物种植边界较现代偏北约1纬度，表明当时的气候要比现在来的温暖。

Zhang[33]也指出13世纪苎麻与柑桔种植北界较现代偏北。

王绍武等人在研究全新世几个特征时期气候发现9世纪后半叶到11世纪末及13世纪为中国东部两个不连续的温暖期，与20世纪气候相比较其温暖程度有着惊人的相似[34]。

此外，Esper等人[35]通过树轮的研究显示北半球大部分地区确实存在中世纪暖期。

罗建育等人[2]对台湾大鬼湖古气候的研究中得出820~1320AD为温暖期。

Chen等人[28]在研究台湾湖泊沉积物中的硅藻和花粉时同样得出在全新世暖期结束后，台湾处于降温阶段，但是在820~1320AD期间气温较温暖，推测这可能对应中世纪暖期。

含量略大于平均值（约1.6%），小于3%，而1180~1500AD期间，其含量远远小于平均值，表明孔的淡水硅藻含量变化与台湾东北部宜兰平原的DahuLake的粒径反映的近1000年来的台风降雨量变化[36]，以及历史文献记录的中国南部每10年中洪水事件发生的次数进行对比（如图6）[37]，可以看出，900~1500AD期间，台湾东北部的台风降雨量比较少，而中国南部每十年发生的洪水事件发生的次数也较少，暗示中国南部在该时期气候较为干旱，与本文研究结果相一致。

4.3.2小冰期

在中国，小冰期的存在是被公认的。

敦德冰芯显示从1400AD以来曾出现过3个明显的冷期，满志敏、施雅风等人[16,38]通过研究也证实了这3个冷期的存在，即分别发生在15、17和19世纪。

此外，竺可桢在研究中国五千年气候变迁时把13世纪以来长江流域河湖结冰的年份与近海平面热带地区降雪落霜的年数作对比得出在1550~1600以及1770~1830AD期间中国出现了暖冬季，1470~1520AD，1620~1720AD及1840~1890AD期间出现了严寒的冬季，可见1470~1890AD时期可能对应小冰期[39]。

同时，他根据物候的变化推测了小冰期的寒冷程度，认为最严寒的冬季出现在17世纪，且要比现代低示，450~1850AD期间夏季和冬季的海水表层水温都呈下降趋势，但是又存在明显差异：

夏季表层水温波动下降；冬季表层水温持续下降[23]。

阳河向本文研究区注入的淡水增加，反映了台湾东北部小冰期期间降雨量增加。

台湾东北部宜兰平原DahuLake沉积物粒径结果反映的台风降雨量变化显示（如图6），1500~1900AD期间，台湾东北部的台风降雨量显著增加[36]。

中国南部1000年来的洪水事件曲线（图6）也显示150