Astronomically Tuned Time Scale 12 Ma to 18.3 Ma, ODP Site 1148, Northern South China Sea
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摘要: ODP1148站深海沉积岩心的磁化率记录显示出较强的周期性变化规律.研究发现, 中新世和渐新世的深海地层物性参数具有很强的斜率周期.Shackleton et al.利用这一规律, 以北半球高纬太阳辐射曲线作为天文调谐的目标, 以ODP154航次的深海沉积岩心的磁化率记录作为调谐对象, 将磁化率的极大值与北半球天文辐射的极小值相对应, 建立了14~34 Ma的天文调谐的年代标尺.采用相同的方法, 利用南海北部ODP1148站深海沉积岩心的磁化率记录和北半球高纬太阳辐射曲线建立了南海中中新世天文调谐的年代标尺.调谐后的磁化率记录显示了很强的斜率周期和较强的岁差周期, 并与太阳辐射在这2个记录上高度相关, 此外偏心率周期在磁化率记录中也较显著.调谐后1148站的浮游有孔虫事件年龄与ODP154航次采用相同的天文调谐方法获取的事件年龄异常接近, 而与传统方法获取的生物地层事件年龄有较大差距, 这在一定程度上证明了利用天文调谐的方法建立中新世深海地层年代标尺的可行性.Abstract: Lithological cyclicity was observed in magnetic susceptibility records of the deep sea sediments from ODP Site 1184 in the northern South China Sea (SCS), which was considered to be related to obliquity cycles in the Miocene and Oligocene. Using recent methodology, an astronomically tuned time scale for the middle Miocene of ODP Site 1148 in the northern SCS was established. After tuning, the magnetic susceptibility (MS) records show strong obliquity and precession cycles as well as prominent eccentricity cycles. The planktonic foraminiferal events identified within the studied interval of ODP Site 1148 show ages very close to those set by Shackleton et al. (1999) for ODP Leg 154, which were obtained by the same astronomical tuning method as this study, but differ substantially from the traditional age. The results lend support to the practicality of the method for establishing a tuned Miocene time scale.
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Key words:
- South China Sea /
- ODP site 1148 /
- Middle Miocene /
- magnetic susceptibility /
- astronomical timescale
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精确的年代标尺是古海洋学研究的基础.0~6 Ma底栖有孔虫壳体的δ18O表现出显著的冰期、间冰期旋回, 可进行全球对比, 通常被用来建立天文调谐的年代标尺.比较典型的底栖有孔虫δ18O剖面包括大西洋ODP659站(Tiedemann et al., 1994)、东太平洋ODP846站(Shackleton et al., 1995a, 1995b)、西太平洋ODP1143站(Tian et al., 2002; 田军等, 2005) 以及Shackleton的6 Ma合成剖面(http://131.111.44.196/coredata/v677846.html).更老的深海地层, 特别是中新世及其以前的地层, 由于有孔虫δ18O的冰期、间冰期旋回不甚显著, 变化幅度较小, 轨道尺度上的全球对比已显得捉襟见肘, 地层年代框架通常依靠生物地层和磁性地层, 例如古地磁极性反转年代标尺(GRTS) (Tauxe et al., 1984; Cande and Kent, 1992, 1995) 和生物地层年代标尺(Berggren et al., 1985a, 1985b).由于生物地层和磁性地层年龄控制点较少, 误差较大, 难以满足轨道尺度上的古海洋学研究, 研究者开始尝试利用深海沉积岩心的物性参数, 如磁化率, 建立早上新世、中新世和渐新世的天文年代标尺.原因之一是, 深海沉积岩心中与生产力有关的参数如碳酸钙的含量表现出较强的斜率周期, 而与陆源输入物有关的参数如风尘含量则表现出较强的岁差周期(Shackleton and Crowhurst, 1997), 而物性参数的变化则受到这些因素的影响.Shackleton及其合作者在大西洋ODP154航次钻取的深海沉积岩心中, 利用周期性变化显著的磁化率记录建立了14~34 Ma的天文年代标尺, 取得了很好的效果(Shackleton and Crowhurst, 1997; Shackleton et al., 1999), 被后来的研究者广泛地引用(Zachos et al., 2001a, 2001b).本文尝试利用南海北部ODP1148站深海沉积岩心的磁化率记录, 运用同样的方法建立中中新世的天文年代标尺.
1. 材料和方法
1.1 磁化率数据
ODP1148站位于南海北部下陆坡(N18°50.17′, E116°33.94′, 水深3 294 m, 图 1), 包括2个钻孔(1148A和1148B), 依靠岩心的物性参数, 建立了1148站A、B两孔的合成深度(0~852 m) (Wang et al., 2000).岩心的磁化率通过多传感追踪(Multi-Sensor track, MST) 装置在取心的过程中现场测定, 分辨率为5 cm.1148站合成深度155 m以上岩心采用高级活塞取心技术, 155 m以下采用延伸式取心筒技术, 2种取心方式对GRA密度的测定会带来误差, 但对磁化率的影响很小.本文应用的岩心磁化率深度范围为280~370 m, 数据由ODP提供(Wang et al., 2000).
图 1 南海北部ODP1148站位置Fig. 1. Location map of ODP site 1148 in the northernSouth China Sea1.2 地球轨道参数
有多种计算地质历史时期地球轨道参数(偏心率、斜率和岁差) 的方案, 其中著名的有Berger (1988)、Berger and Loutre (1991)和Laskar et al. (1993).地球轨道参数的计算通常考虑两方面的因素, 首先是地月系统围绕太阳公转的轨道, 其次是地月相互作用对地球轨道的影响. Laskar et al. (1993)的解决方案考虑了地月引力导致的地表潮汐摩擦力, 因为潮汐摩擦力会影响地球自转速率和地球形状, 从而对斜率和岁差的计算产生影响.笔者采用Laskar et al. (1993)的解决方案, 利用斜率和岁差模拟了一条北纬65°盛夏的太阳辐射曲线.尽管更新世以来, 模拟分析的结果证明气候响应与太阳辐射驱动之间在斜率和岁差周期上有明显的相位差(Imbrie and Imbrie, 1980; Imbrie et al., 1984), 但在上新世及更老的地质年代, 尚无确凿的数据刻画具体的滞后关系, 因此假定太阳辐射与磁化率记录在斜率和岁差周期上的相位差为0, 尽管这种假设会影响结果, 但一个斜率周期(41 ka) 或一个岁差周期(21 ka) 的误差仍在可以容忍的范围内.
1.3 调谐方法
ODP1148站的磁化率是我们用作天文调谐的主要源信号.在碳酸钙含量较高的深海地层中, 岩心磁化率的大小与陆源物质的比例成正比.与岩心磁化率的极小值相比, 岩心磁化率的极大值通常不受背景噪音的影响, 因此, 我们选择磁化率极大值点作年龄的控制点.在天文调谐的过程中, 存在2种相反的调谐方案, 即可以将磁化率的极大值与北半球天文辐射的极小值相对应, 也可以将磁化率的极大值与天文辐射的极大值相对应.大西洋ODP154航次的调谐结果表明, 后一种方案会在斜率周期上产生不连续的相位差, 甚至导致底栖有孔虫δ18O的极大值与北半球高纬辐射量的极大值呈正相关性的情况出现(Shackleton and Crowhurst, 1997; Shackleton et al., 1999), 这显然与常理相悖.因此, 本文采用第一种方案, 即将磁化率的极大值与北半球天文辐射的极小值相对应.
2. 结果与讨论
调谐过程如图 2所示.在将磁化率极大值与北半球太阳辐射极小值对应的过程中, 尽量考虑均一的原则, 避免沉积速率大范围波动的情况出现.由于1148站天文调谐的深度范围为280~370 m, 在综合考虑了ODP1148站底栖有孔虫δ18O曲线形态与Zachos et al. (2001b)合成的全球大洋底栖有孔虫δ18O曲线形态对比和生物地层的基础上, 将合成深度280.74 m处的磁化率极大值对应于12.021 Ma的太阳辐射曲线的极小值, 将合成深度370.54 m处的磁化率极大值对应于18.3 Ma的太阳辐射曲线的极小值.
图 2 南海北部ODP1148站磁化率记录(280~370 m) 与北半球高纬太阳辐射曲线(12~18.3 Ma).磁化率的极大值与太阳辐射曲线的极小值相对应Fig. 2. Magnetic susceptibility (MS) records of ODP site 1148 in the northern SCS (280-370 m) and the high northern hemisphere insolation records (12-18.3 Ma)天文调谐后, 1148站280~370 m钻孔深度与年龄表现出较好的线性关系(图 3a), 沉积速率基本在10~40 (m·Ma-1) 之间变化(图 3b), 平均沉积速率为15.7 (m·Ma-1), 与184航次初始报告根据分辨率较低的生物地层年代框架估算的沉积速率(11~17 (m·Ma-1)) 相近(Wang et al., 2000), 而且表现出明显的冰期、间冰期旋回的差异, 反映了南极冰盖的形成对地表气候变化的影响.结果表明, 该研究段的沉积基本上是连续的, 没有明显的沉积间断, 虽然短尺度的地层缺失可能表现在磁化率相邻极大值峰的紧密排列或叠加上, 如366~370 m这一段(图 2), 但是对于整体并无太大影响.
图 3 南海北部ODP1148站深度与年龄的关系(a) 以及线性沉积速率(b)Fig. 3. The depth-age relationship of ODP site 1148 (a) and the linear sedimentation rate (b)交叉频谱分析是衡量2个时间序列在某个特定的频率域(或周期) 上相关性的有效分析方法, 也是评估天文调谐的年代标尺的常用方法.相关系数和相位是交叉频谱分析结果的2个重要指标.当相位被置于0时, 相关系数用作衡量2个时间序列在某些特定周期上的线性相关性.大于某个标准的相关系数意味着用作分析的2个时间序列在特定的周期上线性相关.相位差指示2个时间序列时间上的变化在某些特定周期上的先后关系.本文采用古气候时间序列分析常用的“ANALYSERIES 1.2”程序对1148站的磁化率与北半球太阳辐射进行交叉频谱分析(12~18.3 Ma).结果显示, 磁化率(MS) 与太阳辐射(Insolation) 均表现出显著的斜率(41 ka) 与岁差周期(23 ka, 22 ka, 19 ka), 且二者在斜率与岁差周期上高度相关(相关系数均远远超过了80%的检验标准).由于调谐的过程中假定了两者之间的0相位差, 因此相关差的讨论在此没有意义.与太阳辐射的频谱相比, 1148站12~18.3 Ma的频谱还表现出较强的偏心率周期(100 ka, 138 ka), 显示了偏心率的控制作用, 这与ODP154航次相同时间范围内天文调谐后的磁化率频谱特征一致(Shackleton et al., 1999).此外, 12~18.3 Ma的磁化率记录还显示出很强的175 ka的周期, 这是中中新世斜率的振幅变化表现出的典型周期, 在ODP154航次天文调谐后的磁化率频谱中也有很明显的表现(Shackleton et al., 1999).
表 1列举了1148站280~370 m之间的浮游有孔虫事件及其相应的年龄.年龄1来自Berggren et al. (1995), 年龄2来自Shackleton et al. (1999), 年龄3为1148站采用天文调谐后的年龄.总体上, 1148站经天文调谐后获得的浮游有孔虫事件年龄与Berggren et al. (1995)的年龄差距大多为30万年左右, 但也有少数事件年龄的差距较大, 达到70至80万年; 但与同样采用天文调谐获得的Shackleton et al. (1999)的年龄相比, 1148站浮游有孔虫事件的年龄则与其异常接近, 差距一般为10万年左右, 这在一定程度上证明了利用磁化率进行天文调谐的方法在全球范围内的适用性.
表 1 ODP1148站280~370 m合成深度浮游有孔虫事件及其年龄Table Supplementary Table Foraminiferal events of ODP Site 1148 (280-370 m)
图 4 南海北部ODP1148站磁化率记录与北半球太阳辐射记录的交叉频谱Fig. 4. Cross spectral analyses of magnetic susceptibility records of ODP site 1148 with the high northern hemisphere insolation records. The solid line in the upper part denotes the spectrum of the MS records and the dashed line the insolation records3. 结论
本文利用ODP1148站深海沉积岩心的磁化率记录和北半球高纬太阳辐射曲线建立了南海中中新世天文调谐的年代标尺.调谐后的磁化率记录显示了很强的斜率周期和较强的岁差周期, 并与太阳辐射在这2个记录上高度相关, 此外偏心率周期在磁化率记录中也较显著.调谐后1148站的浮游有孔虫事件年龄与ODP154航次采用相同的天文调谐方法获取的事件年龄异常接近, 而与传统方法获取的生物地层事件年龄有一定差距, 这在一定程度上证明了利用天文调谐的方法建立中新世深海地层年代标尺的可行性.ODP1148站天文调谐的年代标尺必将在南海晚新生代古海洋学与古环境学研究方面带来新的认识.
致谢: 本文感谢分析研究的样品及资料由国际大洋钻探计划提供. -
图 1 南海北部ODP1148站位置
Fig. 1. Location map of ODP site 1148 in the northernSouth China Sea
图 2 南海北部ODP1148站磁化率记录(280~370 m) 与北半球高纬太阳辐射曲线(12~18.3 Ma).磁化率的极大值与太阳辐射曲线的极小值相对应
Fig. 2. Magnetic susceptibility (MS) records of ODP site 1148 in the northern SCS (280-370 m) and the high northern hemisphere insolation records (12-18.3 Ma)
图 3 南海北部ODP1148站深度与年龄的关系(a) 以及线性沉积速率(b)
Fig. 3. The depth-age relationship of ODP site 1148 (a) and the linear sedimentation rate (b)
图 4 南海北部ODP1148站磁化率记录与北半球太阳辐射记录的交叉频谱
图 4上部的实线代表磁化率的频谱, 虚线代表太阳辐射记录的频谱; 图 4下部的实线代表相关系数
Fig. 4. Cross spectral analyses of magnetic susceptibility records of ODP site 1148 with the high northern hemisphere insolation records. The solid line in the upper part denotes the spectrum of the MS records and the dashed line the insolation records
表 1 ODP1148站280~370 m合成深度浮游有孔虫事件及其年龄
Table 1. Foraminiferal events of ODP Site 1148 (280-370 m)
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