菲律宾海位于太平洋西北部, 是亚洲风尘和太平洋火山岛弧物质的重要“汇”(Jiang et al, 2013, 2016; Zheng et al, 2014; 刘华华等, 2016; 周烨等, 2016), 其中的亚洲风尘记录对于重建亚洲内陆的干旱历史、大气环流演化, 以及古气候变化机制等具有重要意义(Jiang et al, 2013, 2016; Xu et al, 2015), 而且风尘输入在区域和全球的气候变化中发挥重要作用(Huang et al, 2011, 2014; Heald et al, 2014)。因此, 菲律宾海是开展风尘研究的重要区域, 在菲律宾海寻找风尘信号, 研究风尘源区, 对于区域和全球气候变化研究具有重要意义。有鉴于此, 目前已有学者从碎屑组分的粒度特征(于兆杰等, 2012; Zheng et al, 2014; 周宇等, 2015; Jiang et al, 2016; 周烨等, 2016)、黏土矿物(石学法等, 1995; 靳宁等, 2007; Seo et al, 2014)、沉积物的化学特征(Asahara et al, 1999; 徐兆凯等, 2010; Jiang et al, 2013, 2016; Seo et al, 2014; Zheng et al, 2014)等方面对菲律宾海沉积物的来源进行了研究, 最初的研究认为菲律宾海沉积物中存在亚洲大陆来源的风尘, 但是风尘源区笼统地归结为亚洲大陆, 并未进一步细分。事实上仅在中国, 风尘源区就可以划分为不同的区域(Chen et al, 2007), 如中国中西部沙漠、中国北方沙漠和中国东部沙漠的风尘在同位素组成上是有差异的。最近, 在菲律宾海风尘来源的认识上出现了分歧。Seo等(2014)认为菲律宾海沉积物中的亚洲风尘主要来源于亚洲中西部沙漠, Xu等(2012)和Wan等(2012)认为菲律宾海的沉积物来源于中国黄土, 而Jiang等(2016)认为主要来源于中国中西部沙漠, 部分来源于中国黄土。基于上述认识, 我们认为寻找新的物源示踪指标, 有助于进一步澄清目前认识上的分歧。

石英在深海沉积物中普遍存在, 并且在搬运、沉积过程中性质稳定, 因此相对于其他示踪指标, 石英不仅能够提供可靠的物源信息, 而且可用于搬运动力的识别(Sridhar et al, 1975; Xiao, 1995; Hou, 2003; Lim et al, 2005)。石英氧同位素的分馏只受其形成时温度的影响(Chacko et al, 2001), 但在风化、搬运和沉积过程中相对稳定(Silverman, 1957; Sridhar et al, 1975; Hou et al, 2003)。石英的结晶度反映其形成时的环境, 如温度和形成速率, 岩浆作用和变质作用下形成的石英结晶度指数高(> 8.4), 沉积作用下形成的石英结晶度指数低(< 2.0)(Murata et al, 1976)。因此石英氧同位素和结晶度保留了形成时的特征, 相比于碎屑矿物的黏土矿物、粒度和Sr、Nd同位素等物源示踪指标, 石英单矿物的特征可以更明确的进行物源示踪(Clayton et al, 1972; Sridhar et al, 1975)。对东亚风尘源区石英的研究表明, 不同风尘源区石英的δ¹⁸O值和结晶度指数明显不同(Sun et al, 2013; Yan et al, 2014), 这有助于对风尘源区的进一步识别。石英的粒度组成可反映其搬运动力条件, 风尘石英的这一指标还可应用于东亚冬季风强度变化的研究(Xiao et al, 1995; Lim et al, 2008)。此外, 不同动力环境下沉积的石英有不同的形态特征(Margolis et al, 1974; Vos et al, 2014), 因此石英的形态特征可以提供石英输运过程的信息(Waugh, 1970; Xiao et al, 1995, 1997; Guo et al, 2002), 反映一系列的沉积过程(Vos et al, 2014)。菲律宾海碎屑沉积物主要由亚洲风尘和火山物质组成(Jiang et al, 2013, 2016; Xu et al, 2015; 刘华华等, 2016), 石英是该海区沉积物的重要组成部分(石学法等, 1994), 然而目前对于菲律宾海沉积物中的石英的特征及其来源, 仍旧缺乏系统的研究和清晰的认识, 对于其所蕴含的物源和古气候意义仍旧缺乏研究。

本文选用西菲律宾海吕宋岛附近、本哈姆隆起和深水盆地, 以及东菲律宾海帕劳海脊和帕里西-维拉海盆的表层-次表层沉积物, 在区域上对沉积物中的石英单矿物的粒度组成、形貌特征、氧同位素特征和结晶度指数进行了系统研究, 探讨了石英的来源和搬运机制。

1 区域地质背景

菲律宾海位于西北太平洋边缘, 发育有典型的沟-弧-盆体系(秦蕴珊等, 2011; 张国良等, 2017), 深海沟呈链状分布, 包括菲律宾海沟、琉球海沟、马里亚纳海沟、伊豆-小笠原海沟等; 岛弧呈南北向展布, 如九州-帕劳海脊、马里亚纳岛弧等; 盆地分布面积较广, 包括西菲律宾海盆、帕里西-维拉海盆、四国海盆等(李常珍等, 2000)。该海区沉积物主要来自周边岛弧的火山物质, 也包含来自于东亚地区的风尘物质(Wan et al, 2012; Jiang et al, 2013, 2016; Seo et al, 2014; Xu et al, 2014, 2015)。

菲律宾海的洋流主要为北赤道流和黑潮, 北赤道流在西北太平洋边缘受菲律宾群岛的阻挡作用分为两支, 一支为向南流的棉兰老流, 另一支为向北流的黑潮, 其流速和流量较大, 具有较高的温度和盐度, 并且水色较深。黑潮主流沿吕宋岛-台湾-冲绳海槽向北流动, 在部分区域出现流向东海、南海和日本海的分支, 其主流在日本西南部偏向东北方向流动(张弦等, 2004; 张旭等, 2009)。

菲律宾海地处热带, 水温季节变化明显, 但整体偏高。研究区冬季水温最低, 表层水温在18—28℃, 夏季水温最高, 表层水温在28—29℃(张弦等, 2004)。同时该海区海水也具有较高的盐度, 盐度一般在34.0—34.8, 其变化也受季节的影响, 冬季盐度最高, 夏季盐度最低, 但整体变化不大(张弦等, 2004)。

该海区盛行风向也受季节的影响, 每年十月到次年三月盛行西北风、北风、东北风, 北部风速比南部风速大, 区域内平均风速在7—12m/s(李培等, 2002)。四月份和五月份盛行偏东风, 风速比冬季明显减小; 六月份进入夏季后, 盛行风向为南向或西南向, 风速与四、五月份相比略有减小(孙守勋等, 2003)。

2 材料与方法 2.1 样品采集

研究样品为取自西菲律宾海西部和东菲律宾海的表层-次表层沉积物, 西菲律宾海西部的沉积物样品采自吕宋岛附近的两个站(Ph04和Ph17), 以及本哈姆隆起(Ph05和Ph11)和西菲律宾海深水盆地(Ph02)的三个站(Jiang et al, 2016)。沉积物主要为含有孔虫的深海软泥, 由中国科学院海洋研究所于2004年用重力取样器采集的。东菲律宾海的沉积物样品采自帕劳海脊附近的PV100901和PV101101两个站, 以及帕里西-维拉海盆中的8个站(图 1), 沉积物主要由深海软泥组成, 是由中国科学院海洋研究所于2002—2004年用重力取样器采集。由于吕宋岛附近和帕劳海脊附近站位的沉积物主要为来自于岛弧和海脊的火山物质(Jiang et al, 2016), 而石英又是沉积物的主要组成成分, 所以我们推测这些站位的石英主要来源于火山岛弧。选择岛弧和海脊附近的样品主要是为了获得火山岛弧来源的石英特征, 并用于区分亚洲大陆和其他来源的石英。

2.2 石英的提取

采用顺序淋滤的方法(Bayon et al, 2002; Gutjahr et al, 2007; Jiang et al, 2016)提取沉积物全样中的碎屑组分, 具体方法如下:称取约1g的沉积物全样, 烘干后准确称重(M₁), 然后依次加入超纯水、盐酸溶液(3mol/L)、NaOH溶液(1mol/L)和H₂O₂溶液(5%), 分别除去沉积物中的海盐、钙质生物、Fe-Mn氧化物以及氢氧化物、硅质生物和有机质; 再用焦硫酸钠-氟硅酸熔融(万世明等, 2003)的方法从碎屑矿物中除去黏土矿物和长石, 最终得到石英组分, 烘干后称重(M₂), 两次称量比值(M₂/M₁)的百分比即为石英在全样中的百分含量, 并依据(1)式进一步计算石英的通量, 其中沉积物的干容重通过取一定体积样品烘干称重后计算获得, 线性沉积速率依据Jiang等(2016)和仇晓华(2013)。

对分离出的石英组分作X-射线衍射分析, 以确定提取物中石英的含量, X-射线衍射图以东菲律宾海中PV090608站分离出的石英组分的测试结果为例(图 2), 结果表明, 分离出的石英纯度在97%—100%, 说明上述提取方法和实验步骤是可靠的。

2.3 石英粒度分布特征

石英样品的粒度组成在中国科学院海洋研究所海洋地质与环境重点实验室用Cilas-1190L型激光粒度仪进行测试, 仪器测试范围为0.04—2500μm, 粒级间距为1/4φ, 重复测量的相对误差小于2%。粒度组成和各参数采用McManus矩法公式(McManus, 1988)计算得出。通过Weibull分布函数(Sun et al, 2002), 对石英的不同粒度端元进行定量分离(Sun, 2004; Lim et al, 2008; 周宇等, 2015; Jiang et al, 2016; 周烨等, 2016)。

2.4 石英结晶度指数和氧同位素

根据粒度测试结果, 依据斯托克斯沉降原理分离样品中 > 4μm、> 8μm和 < 16μm的粒级组分, 测定不同粒级范围石英的结晶度指数和δ¹⁸O值。

石英结晶度指数的测定通过德国布鲁克(Bruker) D8 Advance粉晶X-射线衍射仪完成, 扫描角度为66°—69°(2θ)。每个样品测试6次取平均值。结晶度指数是由Murata等(1976)给出的经验公式(2)计算:

其中, a是X-射线衍射图中67.74°和67.85°的峰谷值之差, b是67.74°的峰值与背景线之差, F是由标准工业纯石英(CI=10)得到的校正因子(F=11.8)(Murata et al, 1976; 赵剑波等, 2012)。多次(60次)测得标准石英结晶度的绝对误差为0.02。

将分离出的石英样品在550℃下与BrF₅反应释放氧气, 氧气的组成用Thermo Fisher 253plus质谱仪测定, 标准偏差为0.2‰, 样品相对于国际标准SMOW(Standard Mean Ocean Water)的δ¹⁸O值按式(3)计算:

其中, δ¹⁸O_SA-SMOW表示样品相对于SMOW的δ¹⁸O值, δ¹⁸O_SA-RE表示样品相对于参考O₂的δ¹⁸O值, δ¹⁸O_ST-RE表示标准样品相对于参考O₂的δ¹⁸O值, δ¹⁸O_ST-SMOW表示标准样品相对于SMOW的δ¹⁸O值。石英氧同位素的测试在北京科荟测试技术有限公司完成。

2.5 石英形貌观察

石英的形貌特征在国土资源部青岛海洋地质研究所通过S-3400N扫描电镜进行观察石英样品薄片镀金后在工作电压10kV条件下观察颗粒形貌特征, 获得能谱。

3 结果 3.1 石英的粒度组成

本哈姆隆起上的Ph05、Ph11站与深海盆地中Ph02站中石英的平均粒径变化范围为4.02—6.52μm, 分选系数平均为1.31, 分选较差。偏态平均为0.14, 为正偏。峰态平均为1.61, 表明石英不同粒级组分频率分布曲线宽而矮。Ph05和Ph11粒度组成特征极为相似, 粒径范围均在0.40—44.59μm, 呈三峰态分布。Ph02站与上述两站石英的粒度组成略有差别, 粒径范围在0.72—35.04μm, 同样呈三峰态分布, 但是细组分含量增多, 粗组分含量较少(图 3a、3b, 表 1)。

邻近吕宋岛的两个站(Ph04、Ph17)石英的粒度均比本哈姆隆起和西菲律宾海深水盆地中石英的粒度粗, 呈多峰态分布。Ph04站石英的粒径范围为0.04—108.59μm, 平均粒径为9.66μm(图 3c, 表 1); Ph17站石英粒度比Ph04站石英粒度粗, 粒径范围为0.04—597.50μm, 平均粒径为71.90μm(图 3d, 表 1)。

用Weibull分布函数定量分离不同粒级端元, 将众数粒径约为3.00μm, 粒径范围0.40—10.00μm的端元称为EM1;众数粒径约为9.30μm, 粒径范围1.00—17.00μm的端元称为EM2;众数粒径在20.00—30.00μm的端元称为EM3;众数粒径大于63.00μm的端元称为EM4。本哈姆隆起和西菲律宾海深海盆地中, EM1端元石英的含量平均为42.3%, EM2端元含量平均为32.0%, EM3端元含量平均为25.7%。吕宋岛附近的站位石英的EM1端元含量较低, 平均为12.8%; EM2端元含量与海盆中的相比没有明显变化, 平均为31.4%; EM3端元含量略有增加, 平均为36.6%;众数粒径平均为103.00μm的EM4端元含量较高, 平均为57.9%。

帕里西-维拉海盆石英的粒度偏细, 粒度的变化范围为0.72—24.56μm, 平均粒径变化范围为2.73—5.73μm, 平均为4.29μm。分选系数平均为0.97, 分选较好; 偏态平均为0.50, 为正偏; 峰态平均为1.23, 表明石英不同粒级组分频率分布曲线宽而矮。除PV090216站石英粒度呈单峰态分布外(图 4a, 表 1), 其余站位均呈双峰态(图 4b, 表 1)。用Weibull分布函数定量分离不同粒级端元, EM1端元众数粒径平均为3.12μm, 粒径范围在0.40—10.00μm左右, 含量平均为49.61%; EM2端元众数粒径平均为8.67μm, 粒径范围在1.00—17.00μm左右, 含量平均为55.99%。帕劳海脊附近两个站(PV100901、PV101101)石英的粒度较粗, 表现为三峰甚至四峰态特征, 除包含众数为3.12μm与8.50μm的EM1和EM2端元, 还包括众数粒径在20.00—30.00μm的EM3端元和众数粒径为74.00μm的EM4端元(图 4c, 表 1)。

3.2 石英的氧同位素特征和结晶度指数

对不同站位石英全样、以及不同粒级石英的结晶度指数和δ¹⁸O值进行了分析, 结果如表 2所示。西菲律宾海深海盆地中(Ph02站)石英全样的δ¹⁸O值(16.20‰)比本哈姆隆起(Ph05和Ph11站)石英全样的δ¹⁸O值(14.40‰、14.50‰)高。为了和亚洲大陆相同粒级的石英相比较, 我们对帕里西-维拉海盆中小于16µm的石英进行了分离提取, 结果表明, 帕里西-维拉海盆 < 16μm的石英δ¹⁸O值(变化范围为15.25‰—16.02‰)低于亚洲大陆石英的δ¹⁸O值(表 2)(Yan et al, 2014), 与西菲律宾海深海盆地的相当, 但是高于本哈姆隆起的δ¹⁸O值。为了获得EM2和EM3端元石英的氧同位特征, 我们在不同海域分别选取代表性样品, 依据石英粒度频率分布特征, 本着既能最大限度分离出EM1端元的石英, 又能获得足够量的EM2和EM3端元的石英样品用于氧同位素和结晶度分析的原则, 分离出大于4μm和大于8μm的石英组分。分析结果表明, 大于4μm和大于8μm的组分中, 石英δ¹⁸O值在10.40‰—14.28‰, 明显低于包含EM1端元(< 16µm)的石英的δ¹⁸O值, 而与该海区火山层中火山玻璃和火山岛弧来源石英的δ¹⁸O值(9.58‰—13.86‰)接近(表 2)。

菲律宾海各站和亚洲大陆不同粒级石英的结晶度指数如表 2所示。帕里西-维拉海盆中包含EM1端元(< 16µm)石英的结晶度指数较低, 平均为8.732, 与塔克拉玛干沙漠和蒙古戈壁的石英结晶度指数接近, 但明显低于不包含EM1端元(> 4µm和 > 8µm)石英的结晶度指数(平均为9.417)。

3.3 石英的形貌特征

对本哈姆隆起(Ph05)、西菲律宾海深海盆地(Ph02)、帕里西-维拉海盆(PV100109)、吕宋岛附近(Ph04)和九州-帕劳海脊附近(PV101101)样品中的222个颗粒的形状与粒径的关系进行统计。结果显示菲律宾海石英形态可分为两种:棱角状、次棱角状/次圆状, 在观察过程中未发现呈浑圆状的颗粒。呈棱角状颗粒分布的粒径范围较广, 小至4.5μm左右, 大至约48μm, 主要集中在7.5—30μm。次棱角状/次圆状颗粒粒径分布范围为1.2—15μm, 主要集中在1.2—12μm (图 5)。根据石英形状与粒径的关系, 并结合石英的粒度分布特征, 我们可以得到以下结论:呈棱角状的颗粒和次棱角状/次圆状的颗粒的粒径分布范围是有明显区别的, 次棱角状/次圆状颗粒的粒径分布范围与EM1端元的粒径分布范围相似, 棱角状的颗粒的粒径分布范围与EM2和EM3端元的粒径范围均有重合。所以EM1端元的石英颗粒呈次棱角状、次圆状, EM2和EM3端元的石英颗粒呈棱角状。

相同粒级端元除了具有相似的形状外, 也具有相似的表面结构。EM1端元的石英均呈次棱角状、次圆状, 表面有明显的碰撞凹坑(图 6), 具有典型的风尘石英的特征(Xiao et al, 1995; Xiao et al, 1997; Vos et al, 2014)。

EM2和EM3端元的石英颗粒均呈棱角状, 但表面结构有明显的差异。EM2端元石英的典型特征是石英颗粒表面存在明显的溶蚀孔洞, 部分颗粒溶蚀严重(图 7)。EM3端元石英颗粒呈棱角状, 表面较光滑, 存在明显的贝壳状断口(图 8)。

4 讨论

依据菲律宾海所处的地理位置, 及其受到大气环流和洋流的影响, 亚洲大陆、台湾岛、太平洋的火山岛弧以及南半球的澳大利亚都有可能是石英的源区。然而碎屑组分的Sr、Nd同位素的证据(Jiang et al, 2016)表明, 西菲律宾海盆和帕里西-维拉海盆的碎屑组分主要为来源于亚洲大陆风尘和火山岛弧的物质, 不包含台湾岛来源的组分。而且西菲律宾海盆的研究样品位于黑潮北向的主干流上, 研究区北部的台湾岛物质不可能通过黑潮被运输至研究区域。黏土矿物和地球化学的研究表明, 南向的吕宋潜流也不是该区域物质输入的主要方式(Wan et al, 2012; Jiang et al, 2013; Xu et al, 2014)。帕里西-维拉海盆由于远离台湾岛, 已知的洋流不能将台湾岛石英搬运到海盆。石英是碎屑组分的主要矿物之一, 因此我们认为台湾岛不是菲律宾海石英的主要来源。Seo等(2014)通过黏土矿物的研究认为帕里西-维拉海盆中不存在澳大利亚来源的风尘, 但是对于大于2μm的碎屑组分中是否有来自澳大利亚的风尘没有讨论。为此我们对帕里西-维拉海盆石英的氧同位素(15.65‰—16.28‰)进行了分析, 其结果明显高于澳大利亚沉积物中石英的δ¹⁸O值(11.6‰—14.5‰)(Kiefert et al, 1996), 因此来自于澳大利亚的风尘对于研究区的影响可以忽略。综上所述, 我们认为菲律宾海中的石英主要来自于火山岛弧和亚洲风尘(Asahara et al, 1999; 徐兆凯等, 2008; 周宇等, 2015)。

由于菲律宾海石英粒度多呈典型的双峰或三峰分布特征, 不同粒级的石英可能代表了不同来源, 或者同一物源中不同动力条件作用的结果(Visher, 1969)。因此有必要对不同粒级石英的来源作进一步的研究, 依据粒度频率分布曲线, 选择合适粒级, 分离不同粒级端元然后进行分析。

石英的δ¹⁸O值和结晶度指数的结合已成功应用于东亚风尘源区的识别(Sun et al, 2013; Yan et al, 2014), 能够区分东亚的主要风尘源区:蒙古戈壁、塔克拉玛干沙漠、柴达木盆地、腾格里沙漠、巴丹吉林沙漠和毛乌素沙漠(Yan et al, 2014)。在 < 16μm的组分中, 蒙古戈壁和塔克拉玛干沙漠以较低的结晶度指数明显区别于其他几个风尘源区, 蒙古戈壁又以较低的氧同位素值区别于塔克拉玛干沙漠。Sr-Nd同位素仅是将东亚风尘源区在区域上进行划分, 与之相比, 石英的δ¹⁸O值和结晶度指数能够区分具体的东亚风尘源区, 特别是能将塔克拉玛干沙漠从中东部沙漠中区分出来, 这为风尘源区的具体识别提供了可靠的指标。鉴于上述认识, 我们应用石英的δ¹⁸O值和结晶度指数识别菲律宾海石英的源区。由于吕宋岛和帕劳海脊附近的站的物质主要为来自于岛弧和海脊的火山物质, 我们依据粒度分布曲线将这些站的EM1端元分离后, 测试剩余组分的结晶度指数和δ¹⁸O值, 分析结果表明, 剩余组分石英的δ¹⁸O值与该海区火山灰层中火山玻璃的δ¹⁸O值相似(表 2), 具有较低的δ¹⁸O值和较高的结晶度指数, 明显区别于东亚风尘源区(Sun et al, 2013; Yan et al, 2014), 我们将其作为火山岛弧来源的石英的端元。

菲律宾海石英氧同位素和结晶度指数呈现出规律的变化, 主要表现为石英的结晶度指数和δ¹⁸O值介于火山岛弧、塔克拉玛干沙漠之间, 显示为二端元的混合(图 8)。由于EM1端元的石英含量较低, 很难从样品中分离出足够的量进行氧同位素和结晶度分析来示踪物源。帕里西-维拉海盆中多数站石英最大粒径在17μm左右, 且仅由EM1和EM2端元组成, 为了便于与亚洲风尘中相同粒级的石英进行比较, 我们从中提取出小于16μm的组分, 测试其δ¹⁸O值和结晶度指数。结果显示, 其值介于亚洲风尘和火山岛弧石英之间, 但是更接近于亚洲风尘端元, 与塔克拉玛干沙漠和蒙古戈壁的接近(图 9)。在其他站中将EM1端元分离掉后, 剩余组分(> 8μm)石英两指标的分布特征同样是在亚洲风尘和火山岛弧石英之间, 但是更接近火山岛弧石英, 甚至与火山来源的石英存在部分区域的重叠。因此我们认为EM1端元的石英可能为来自于塔克拉玛干沙漠和蒙古戈壁的风尘石英, EM2和EM3端元石英可能来自于火山岛弧和海脊。尽管相比于亚洲其他沙漠, 塔克拉玛干沙漠和蒙古戈壁的石英氧同位素和结晶度接近, 但是二者还是略有差别, 总体上表现为塔克拉玛干沙漠的石英氧同位素和结晶度均略高于蒙古戈壁(图 9, 表 2)。菲律宾海不同粒级石英的二端元混合趋势也明显倾向于塔克拉玛干沙漠和火山岛弧的混合(图 9), 虽然我们不能排除蒙古戈壁风尘石英的贡献, 但是显然塔克拉玛干沙漠是菲律宾海石英的主要来源, 这一结果与Jiang等(2016)通过Sr、Nd同位素和粒度分析得出的认识是一致的。

结合石英的粒度特征和形貌特征, 我们可以对其来源作进一步的判别。菲律宾海盆EM1端元的石英均呈次棱角状、次圆状, 表面有明显的碰撞凹坑, 这是典型的风尘石英的特征(Xiao et al, 1995, 1997; Vos et al, 2014)。EM1端元的石英众数粒径平均为2.72μm, 与黄土、济州岛和北太平洋西风搬运的风尘的众数粒径相似(Blank et al, 1985; Leinen et al, 1994; Sun et al, 2002; Sun et al, 2004; Lim et al, 2008)。而且帕里西-维拉海盆中 < 16μm的石英的δ¹⁸O值比粗端元石英的δ¹⁸O值高(表 2), 说明EM1端元中石英的δ¹⁸O值相对较高。东亚各风尘源区中小于16μm石英的δ¹⁸O值在15.1‰—18.5‰, 明显高于火山石英的δ¹⁸O值, 且帕里西-维拉海盆中石英全样的δ¹⁸O值和结晶度指数均与塔克拉玛干沙漠石英的对应特征接近, 又明显区别于火山岛弧石英和东亚其他风尘源区(图 8), 因此认为EM1端元的石英主要为来自于塔克拉玛干沙漠的风尘石英。为了进一步验证这一结论, 我们对西菲律宾海本哈姆隆起上的Ph05站和吕宋岛附近的Ph04站中EM1端元石英的通量进行了对比研究。依据实验结果和文献数据, Ph04和Ph05站沉积物的干容重分别约为0.75g/cm³和0.74g/cm³, 线性沉积速率分别为18cm/ka和2.3cm/ka(仇晓华, 2013; Jiang et al, 2016), Ph04站中石英的含量为0.55%, EM1端元的含量为11.65%, Ph05站中石英的含量为5.15%, EM1端元的含量为40%, 通过方程(1)计算得出Ph04和Ph05站EM1端元石英的通量分别为8.7mg/(cm²·ka)和35.1mg/(cm²·ka), 吕宋岛附近的EM1端元的石英通量明显低于远离吕宋岛的本哈姆隆起的EM1端元石英通量。如果EM1端元的石英来自于吕宋岛, 根据沉积物的沉降分异原理, 靠近吕宋岛更近的Ph04站EM1端元的通量应该更高, 但是结果却恰恰相反, 因此我们认为EM1端元的石英主要来源不是吕宋岛, 而是亚洲大陆的风尘石英。

在塔克拉玛干沙漠地区, 冷空气的进入会使该地区形成上升的气流, 将地表沉积物吹飏至高空, 最高可达10km(韩永翔等, 2006; Huang et al, 2008; Chen et al, 2017), 来自源区的风尘会被西风运输至太平洋甚至是更远的地区(Duce et al, 1980; Uno et al, 2008; Chen et al, 2017)。处于高空的风尘会逐渐下沉, 由于在冬季, 菲律宾海盛行西北风、北风、东北风(李培等, 2002), 所以在西北太平洋地区可由南向或西南向的风搬运(Merrill et al, 1989), 我们认为来源于塔克拉玛干沙漠风尘石英, 主要是通过上述途径被输送至菲律宾海。

已有的Sr、Nd同位素和粒度分析结果表明, 西菲律宾海盆和帕里西-维拉海盆碎屑组分中的EM2和EM3端元为来自于太平洋火山岛弧物质(周宇等, 2015; Jiang et al, 2016)。我们的研究表明在本哈姆隆起、西菲律宾海深水盆地和帕里西-维拉海盆中, EM2和EM3端元石英的δ¹⁸O值和结晶度指数与火山石英端元的特征接相似, 具有较低的δ¹⁸O值和较高的结晶度指数。此外, 本哈姆隆起、西菲律宾海深海盆地和帕里西-维拉海盆中的EM2和EM3端元石英的形貌特征与吕宋岛和帕劳海脊附近相同粒级的石英相似: EM2端元的石英呈棱角状, 表面有明显的溶蚀孔洞, 粒径多为10μm左右; EM3端元的石英呈棱角状, 表面有明显的贝壳状断口, 颗粒粒径一般大于16μm。在石英的提取过程中, 所采用的试剂几乎不会对石英的形貌特征产生影响(Hovan, 1995; 万世明等, 2003)。我们的研究站位均位于热带, 周边火山岛弧气温常年大于26℃, 年降水量大于3000mm(孙守勋等, 2003), 岛弧上存在强烈的化学风化。研究区域位于热带海区, 海水表层温度全年均较高, 冬季海水温度稍低, 但依旧大于26℃, 夏季水温最高, 为29℃左右(张弦等, 2004)。该区域海水的盐度也较高, 一般在34.2—34.8;冬季盐度最高, 在34.3—34.7;夏季盐度最低, 但均大于34.0, 且帕里西-维拉海盆处于该季节的高盐度中心, 盐度约为34.6(张弦等, 2004)。高温高盐的海水可在石英表面形成溶蚀孔洞(陈丽蓉等, 1985; 黄求获等, 1997, Vos et al, 2014)。因此高温和强降水加之海水的作用使该海区出现了EM2端元的石英, 由于这一粒级颗粒具有易被水流搬运的特点(McCave et al, 1995), 我们认为河流和(或)洋流可能是其主要的搬运动力。EM3端元的石英表面除存在贝壳状断口外, 没有其他明显的表面微结构, 颗粒表面相对平滑, 说明没有经过长距离、强动力的搬运, 属于近源沉积, 我们推测可能是附近的海底岩石风化后产生的。

5 结论

从西菲律宾海西部吕宋岛附近、本哈姆隆起和西菲律宾深海盆地, 以及东菲律宾海帕劳海脊和帕里西-维拉海盆沉积物中分别提取石英, 通过对石英的粒度、形貌特征、氧同位素和结晶度指数的分析, 得出如下结论:

(1) 菲律宾海不同区域石英的粒度特征存在差异, 在西菲律宾海西部, 远离吕宋岛的本哈姆隆起和西菲律宾深海盆地中的站(Ph02、Ph05、Ph11)石英的粒径变化范围和平均粒径较小, 由EM1、EM2和EM3三个粒度端元构成, 而靠近吕宋岛的(Ph04、Ph17)石英粒径变化范围和平均粒径较大, 除了上述三个端元, 还包括众数大于63μm的EM4端元的石英。东菲律宾海中帕里西-维拉海盆石英多由EM1和EM2两个端元组分构成; 帕劳海脊附近石英粒度较粗, 除了EM1和EM2两个端元外, 还出现了众数为大于20μm的EM3端元。

(2) 根据不同粒级端元石英的粒度、形貌特征、结晶度指数和δ¹⁸O值, 我们认为菲律宾海石英是亚洲大陆风尘石英和太平洋火山岛弧来源石英的二端元混合, 其中EM1端元的石英主要来自于塔克拉玛干沙漠, 由西风搬运至太平洋, 最终由南向或西南向的风搬运至菲律宾海沉积下来, 这一研究结果表明, 菲律宾海沉积物中的石英可用于风尘源区识别和东亚大陆古气候研究。

(3) 菲律宾海EM2端元的石英是火山岛弧物质遭受了强烈的化学风化作用形成的, 河流和(或)洋流可能是其主要的搬运动力; EM3端元的石英是附近海底火山岛弧岩石风化后的产物, 未经历长距离、强动力搬运。