综述第四纪以来西伯利亚极地海域的古海洋环境演变第四纪以来,全球气候出现不同尺度的频繁波动,特别是千年尺度的气候波动异常剧烈而北极冰盖所呈现的冰期-间冰期的反复变化和海平面的波动则被认为是影响北半球千年尺度快速气候变化的重要因素工业革命以来随着全球变暖,北极成为全球气候变化响应和反馈最敏感的区域之一,广泛覆盖的海冰在大气与海洋间的热量转换中发挥着重要作用[1,2],并通过一系列的正负反馈机制来影响全球的大气环境和海洋环境[3]受海冰变化影响:北极海域的波弗特环流和穿极流强度增强从而抑制了北大西洋深层水的形成,导致全球温盐环流发生变化[3]北极冷空气与西风带长波槽脊的位置与强弱发生变化对亚洲东部与南部大气环流产生影响,进而导致季风系统的不稳定和异常[3]因此,北极地区的研究对于全球气候变化有着极为重要的意义我国自1999年以来已圆满完成了10次北极地区多学科的综合考察,对白令海、楚科奇海、加拿大海盆、楚科奇海台等北极海域开展了地质、海冰、海水和大气等因子的系统观测与调查此外,在中国国家海洋局和俄罗斯科学院远东分院的支持下,利用俄罗斯科考船在北冰洋西伯利亚海域实施联合科学考察,把调查海域进一步拓展到东西伯利亚海及附近海域。
然而,受各种因素的限制,以东西伯利亚海为中心的西伯利亚极地海域研究程度参差不一东部的楚科奇海因位于北冰洋和太平洋交汇区,国内外均进行了相对系统的样品采集、现场观测和科学研究,国内的海洋地质学研究主要集中在北部的海台、大陆坡、海盆、北部陆架与北风脊区域,运用粒度、元素地球化学、冰筏碎屑(IRD)、有孔虫、介形虫、硅藻、氧碳同位素、碳酸盐、蛋白石(Opal)和有机碳(TOC)含量等多项古海洋学指标研究了第四纪以来的波弗特环流、太平洋水和大西洋水团的强弱变化及古海冰等古海洋环境演化(表1);国外的相关研究则多集中在陆坡和陆架区域,运用碳酸盐、TOC、有孔虫、硅藻、孢粉、沟鞭藻等地球化学与微体古生物指标分析了末次间冰期以来的海平面、海冰及温盐变化(表1)而西部的东西伯利亚海和拉普捷夫海(LaptevSea),因主体位于俄罗斯专属经济区内,研究程度相对较低,且以国外的研究成果为主在东西伯利亚海,目前运用有孔虫、孢粉与介形类等微体古生物指标研究了末次盛冰期以来的海平面及冰盖变化(表1);拉普捷夫海的研究则集中在陆架中东部及北部陆坡附近,运用粒度、IRD、有孔虫、硅藻、孢粉、沟鞭藻、碳同位素、TOC、IP25等古海洋学指标分析了早更新世以来拉普捷夫海的海平面、温盐及海冰等古海洋环境演变(表1)。
表1楚科奇海、东西伯利亚海、拉普捷夫海各钻孔研究对比本文以楚科奇海、东西伯利亚海和拉普捷夫海三个海域所开展的第四纪以来古海洋环境研究为基础,通过对比分析不同指标所重建的古海洋环境演变与古气候记录,全面系统地了解第四纪以来西伯利亚极地海域的古海洋环境演变规律,从而为今后北极古海洋古气候研究工作的开展提供借鉴1、区域背景西伯利亚极地海域自东向西分布着楚科奇海、东西伯利亚海、拉普捷夫海三个边缘海其中,楚科奇海位于阿拉斯加半岛、楚科奇半岛与弗兰格尔岛之间,海域面积约为59.5´10[4]km[2]作为太平洋海水进入北冰洋的必经之路,楚科奇海南北宽东西窄,南北长约800km,东西宽约500km向南经宽约85km、深约30—50m的白令海峡与北太平洋的白令海相通,向北过楚科奇海大陆坡、楚科奇海台、楚科奇海盆、北风脊与水深超过4000m的加拿大深海平原为邻向东经巴罗角与波弗特海相邻,向西经德朗海峡连通东西伯利亚海(图1)东西伯利亚海地理位置位于东侧的弗兰格尔岛与西侧的新西伯利亚群岛之间,作为北冰洋最宽的陆架海,面积达89.5´10[4]km[2]整个海域南北窄东西宽,南北间距400km,而东西间距达到1000km左右,北部面向北冰洋门捷列夫海脊和马卡洛夫海盆,南部紧依俄罗斯西伯利亚大陆,向西通过德米特里-拉普捷夫海峡与拉普捷夫海相连(图1)。
拉普捷夫海位于西伯利亚沿岸的泰梅尔半岛和新西伯利亚群岛之间向西连接喀拉海,面积约67.2´10[4]km[2](图1)楚科奇海、东西伯利亚海和拉普捷夫海是北冰洋边缘的主要浅陆架海楚科奇海陆架上自西向东相间分布着赫雷德海谷、赫雷德浅滩、中央水道、汉纳浅滩、巴罗海谷,整体水深较浅,平均水深为88m,且56%的海域水深低于50m,相对来说楚科奇海北部边缘区的大陆坡、海台、海盆与北风脊区域水深较深而东西伯利亚海的海水平均深度仅有52m左右,其西部的德米特里-拉普捷夫海峡平均水深甚至只有12—15m,最小深度还不到10m,只有在北部大陆坡附近才有深水区相比于楚科奇海与东西伯利亚海,拉普捷夫海海底地形缓慢向北倾斜,水深相对较深,平均水深为578m,最大水深更是达到了3385m,但陆架区近70%区域的水深小于20m入海径流是北冰洋边缘海的主要淡水来源楚科奇海沿岸缺乏有效入海径流的汇入东西伯利亚海的入海径流主要由科雷马河(Kolyma)与因迪吉尔卡河(Indigirka)组成,径流量分别为3800m[3]·s–[1]和1810m[3]·s–[1](图1)康坦加河(Khatanga)、阿纳巴尔河(Anabar)、奥列尼克河(Olenek)、勒拿河(Lena)、亚纳河(Yana)自西向东汇入拉普捷夫海,总量约为552km[3]·s–[1],占北冰洋的大陆淡水总径流量的1/4以上,其中70%左右来自勒拿河(图1),勒拿河作为俄罗斯的第二大河,流量十分惊人,平均流量达到了17000m[3]·s–[1]。
尤其在6月份,峰值流量超过100000m[3]·s–[1](1993),达到了亚马逊河的一半,每年带入拉普捷夫海的悬浮物总量估计约为1750万吨,其中27%为有机物图1楚科奇海、东西伯利亚海、拉普捷夫海海流模式及入海径流分布图.黑色实线表示表层洋流,黑色虚线表示中层洋流[7-14].楚科奇海、东西伯利亚海和拉普捷夫海是北冰洋季节性海冰最活跃的区域之一楚科奇海每年从11月底到次年的4月下旬,将近5个月的时间里覆盖着厚达2m左右的冰层,5月份开始,阿拉斯加半岛沿岸率先开始解冻,海冰沿正北到西北方向退缩,7—8月份在洋流影响下形成湾状结构到8月下旬,基本上已经没有密集分布的海冰,海冰外缘线北移到75°N,9月中旬楚科奇海80%的海域成为无冰海域,从10月开始,海面自北向南开始冻结,到11月底楚科奇海全面封冻东西伯利亚海每年从11月初到次年的4月底,在长达6个月的时间内被厚厚的海冰完全覆盖,5月上旬到6月底,东西伯利亚海西部先于东部开始消融,到9月中旬左右达到海冰覆盖面积的最小值,在东西伯利亚沿海形成广阔的无冰海域,10月初,东西伯利亚海东部就已全面封冻,而西部完全被海冰覆盖则要到10月底左右。
拉普捷夫海从11月到次年4月为冰封期,海冰覆盖率接近100%,之后从5月初至9月中旬进入融冰期,在4个月的融冰期内,融冰速率保持稳定,每月减少约20%,至9月份达到最小值,从10月初到11月初的1个多月的时间里,迅速恢复到全面冰封的状态卫星观测记录表明,近40年北极海冰年平均覆盖以～4.4%/(10a)的速率快速退缩(NSIDC),而西伯利亚极地海域海冰消退面积更远高于北极其他海域[4,5,6]楚科奇海、东西伯利亚海和拉普捷夫海主要受到北冰洋四个主要洋流系统的影响包括:从西伯利亚大陆架向弗拉姆海峡移动的横跨欧亚海盆的穿极流[7];主导美亚盆地呈顺时针方向流动的波弗特环流[7];经白令海峡流入楚科奇海南部的太平洋水(自西向东依次形成:低温高盐富营养的阿纳德流、白令海陆架水和高温低盐的阿拉斯加沿岸流[8],其中阿拉斯加沿岸流朝东北方向流入波弗特海陆坡,白令海陆架水向北与波弗特环流和穿极流相遇[7]);通过德朗海峡流入楚科奇海并与北太平洋水西支阿纳德流交汇的西伯利亚沿岸流[8,9](图1)上述洋流混合环北极的入流淡水及冰融水共同组成极地表层水(PolarSurfaceWater,0—200m)[8,10,11]。
在极地表层水之下,由上到下垂直方向上还分布着其他三个水团:大西洋水(AtlanticWater,200—1000m)、北极中层水(ArcticIntermediateWater,欧亚海盆1000—1500m,美亚海盆1000—2000m)、北极深层水(ArcticDeepWater,欧亚海盆(29)1500m,美亚海盆>2000m)[10]大西洋水是由温暖高盐的北大西洋表层水通过弗拉姆海峡沿北大西洋—挪威海进入北冰洋,沿欧亚大陆边缘冷却下沉形成[11],它穿过门捷列夫脊后分成两支,一支向南进入楚科奇深海平原,另一支向北围绕楚科奇海台进入北风脊北部地区大西洋水不仅输送了主要的热量和盐分,而且它的消长对北极气候系统产生了重要影响[10]而发源于挪威海与格陵兰海的北极深层水则位于中层水之下[11,12,13,14]2、第四纪古海洋环境演变第四纪以来,北极中等规模冰盖的形成和海平面的波动极大地影响着北冰洋,北冰洋古海洋环境与古气候由之前缓慢、不规则的变冷逐渐转为具有明显周期性的冷暖波动的气候2.1楚科奇海域的古海洋环境记录楚科奇海受波弗特环流、东西伯利亚沿岸流、太平洋水、大西洋水影响强烈,更新世中期(大约2.7—0.7MaBP),北冰洋的海水垂直混合作用弱化,出现了咸淡水的分层现象,影响楚科奇海的波弗特环流逐渐形成[15]。
但更新世晚期(75.46—73.35kaBP间)的波弗特环流流向可能与现在相反,表现为逆时针方向[16,17],通过对加拿大海盆B78孔和楚科奇海台M03孔的IRD对比研究发现,两钻孔中第二次IRD事件出现时间明显不同,加拿大海盆B78开始于75.46kaBP而楚科奇海台M03孔却开始于73.35kaBP,这表明IRD可能被逆时针流向的波弗特环流从加拿大海盆搬运到楚科奇海台[16,17](图2)第四纪晚期以来,波弗特环流大致表现为冰期偏弱、间冰期偏强的状态在MIS2、MIS4、MIS6冰期,北冰洋巨厚的海冰阻碍了波弗特环流,使波弗特环流几乎消亡尤其在MIS2期时(包括末次冰盛期与末次冰消期早期)在楚科奇海中西部(楚科奇深海平原和楚科奇海台)甚至覆盖着一个靠近亚欧大陆厚达1km的冰盖,从而导致各种沉积物的含量急剧下降[18],楚科奇海台和北风脊的沉积速率均较低[1,7,8,10,11,18,19,20,21],且楚科奇海台边缘区的沉积速率高于海台内部与海盆内部[18,22]而在MIS1、MIS3、MIS5等间冰期波弗特环流则有所增强、范围扩大,楚科奇海盆内沉积了大量来自班克斯岛、维多利亚岛和麦肯锡地区的陆源碎屑,其中,发生在MIS1暖期的两次IRD事件有显著的指示作用,它们分别对应末次冰消期末期的增暖和8.2ka变冷事件后的升温事件[16,23,24]。
楚科奇海陆坡在MIS3晚期的两次IRD事件中沉积下来的黏土矿物组成则与加拿大麦肯锡河的入海物质类似[7]但进入全新世中期,因为气温升高,麦肯锡河流量增加,波弗特环流通过麦肯锡河口向西输送的陆源有机物减少[25]图2楚科奇海、东西伯利亚海、拉普捷夫海钻孔位置分布图(位置信息详见表1)西伯利亚沿岸流则与波弗特环流不同,冰期时出现显著增强楚科奇海盆在冰期时沉积物粒度较细,Fe2O3、TiO2、K2O、Sc、V、Li、Y含量高,Mn与Co含量减少,Zr/Al值较大,反映了海域被海冰所覆盖,海洋底部处于缺氧还原环境,同时西伯利亚沿岸流不断增强,其携带的东西伯利亚海与拉普捷夫海的碎屑物质显著增多[15]同时,在MIS2和MIS3早期楚科奇海大陆坡的沉积物矿物组成成分与东西伯利亚海相似,指示了较强的西伯利亚沿岸流[7],且每年9月是该沿岸流最强的时刻[26]太平洋水从上新世—更新世期间,随着海侵的发生开始频繁流入楚科奇海,尤其在MIS5期时发生了第四纪以来最大规模的海侵,并在楚科奇海沿岸地区及白令海峡附近。