日本的水團是哪裡
A. 日本海ODP站上新統—更新統硅藻記錄
Itaru KoizumiAkihiro Ikeda
（Division of Earth and Planetary Science，Gruate School of Sciences，Hokkaido University，Sapporo，060 JAPAN）
摘要處在日本海水域關鍵位置的ODP797站，其上新統—更新統硅藻記錄可分為四個部分：①上新統最上部（2.0～1.6Ma），硅藻含量較低且有小的周期性波動；②下更新統（1.6～1.1Ma），以高頻振盪和階段性尖峰期為特徵；③中更新統（1.1～0.5Ma），與下部、上部相比，硅藻含量較豐富，且伴有高度復雜的波動；④上更新統（0.5～0.01Ma），硅藻含量的變化以100ka周期為主。
過去1600ka的硅藻豐度測定採用最大平均信息量法（MEM）功率譜密度分析（MEM-PSD）。以冰期－間冰期旋迴為特徵的105.3～112.2ka的變化主周期，相當於距今1100ka以來的軌道偏心率變化。次一級的40～42.8ka周期旋迴與斜度的變化相一致。早更新世的28.6ka周期及中更新世31.0ka的周期，與由100ka周期的偏心率和41ka周期的斜度之間非線性相互作用所產生的29ka周期相一致。中－晚更新世的18.3ka周期相當於歲差周期的變化。
關鍵詞硅藻日本海ODP797站譜線分析米蘭科維奇旋迴
1引言
日本海是一個半封閉的邊緣海，位於亞洲大陸東端，東緣以日本島弧為界（圖1）。日本海西南部與中國東海相連，東部與太平洋相接，北部通過幾個淺水海峽與鄂霍次克海連通。通過對馬（深130m），津輕（深130m）和宗谷（55m）三個海峽的窄而淺的海檻深度，日本海被認為是對全球高頻海平面位置變化的一個敏感的共振器。目前，對馬暖流（TWC）——黑潮的一個支流，是惟一一支經對馬海峽流入日本海的海流。這股暖流沿日本海西緣流動，大部分經津輕海峽流入太平洋。TWC的上部50m水體，以33.7‰～34.0‰的稍低鹽度和大約0.1μmol/kg的低磷酸鹽濃度為特徵。然而TWC下部50m水體的鹽度和磷酸鹽濃度卻較高，分別超過34.4‰和0.5μmol/kg[4]。中國東海及黃海海岸帶的水體，以低鹽度（31‰～32‰）和高磷酸鹽濃度（0.5μmol/kg）為特徵[3]。
圖1日本海研究鑽孔的位置及中亞到東亞的黃土與大沙漠的分布中國東海及黃海的現代海洋環流以箭頭表示。中國東海的-80m等深線（虛線表示）和估計的黃河及長江的路線（點線表示）也表示在圖上，以便推測冰期時古河口的位置。日本海內的點線代表-2000m的等深線
形成於日本海北部的被稱為日本海專有水團（Japan Sea Proper Water，JSPW）的深部水體，是在冬季通過來自TWC的鹽度較高的表面水體的冷卻，或通過海中冰塊的融化形成的[10,11]。數百年來的高通風率，使得日本海深部水的氧溶量極高（>210mmol/kg），但磷酸鹽濃度較低（＜2μmol/kg），水體的溫度也較低（大約0℃）且幾乎恆定不變[2]。在上新世—更新世期間，冰川性海平面變化對日本海海洋情況的變化影響巨大。
背景
大洋鑽探（ODP）第127、128船次在海盆采樣過程中，發現了晚上新世到全新世的半深海沉積物。這個半深海沉積物——粘土層，呈現清楚的深淺條帶，層內含有少量到中等程度的硅藻物，偶而出現鈣質沉積物（圖2）。這些深淺條帶（層）可在整個盆地范圍內進行對比，並且是等時的。判斷的依據是它們與火山灰標志層平行。深色層為橄欖黑色且通常呈層紋狀；淺色層為淺灰色，均質或有生物擾動現象。層內顏色的深淺程度主要取決於有機炭的含量，深色層中有機炭含量為1%～7%，淺色層為0.1%～1%[14]。在這些沉積序列中的硅藻組合，在冰期時含量少，間冰期時含量豐富，表現為千年級到次米蘭科維奇尺度范圍的變化。
圖2ODP797站2000ka以來在上新統—更新統地層內硅藻豐度（每克）的變化及所選擇的硅藻種
黑色代表深色層；白色代表淺色層；虛線代表灰色層；v代表火山灰層
暖水而又是濱岸水中的硅藻豐度表明，從對馬海峽進入日本海的海水量主要由海平面的升降變化來調節。疊加在這種趨勢上的是硅藻含量千年級尺度的波動。硅藻含量與有機炭含量的相關性說明，深色層的沉積與較大的入流高峰期相一致，而且這峰期在某些地區可出現1～2ka的深色層沉積。對這些時期的進一步研究表明，暖水硅藻在入流高峰期才占優勢，並且只有中國東海暖流的入流量佔主導地位時深色層才開始沉積。
由於大陸架底部營養物的大量再生作用，所以與上部的TWC相比，當今的東海暖流具有高度富集的營養物。這樣，很可能是東海暖流的較大入流量提供了較多的營養物，造成日本海較高的營養物產出率。此外，由於日本海的鹽度稍低，強大的入流量在日本海內也會加強層理密度。上述兩種影響因素的結合導致了日本海缺氧到滯留的底部水體的生成和深色層的沉積。
與低海平面相比，在中等高度海平面時，東海暖流較多的流入會造成高產出率，並在深色層沉積時，底部水體處於較強的還原條件。另一方面，在東海暖流流入量較小期間，營養物質供應量減少，緻密層理化被阻，並沉積淺色層，但暖水及濱岸相的硅藻含量很低[15]。
2材料和方法
ODP797站選在日本海關鍵的水域邊界部位[16]。在797站的797B-1H與797B-2H岩心間有一段約35cm的岩心缺失，此缺失在797A-1H岩心中得以補充（表1）。83.90m（海底面之下校正後米數，下同）的上新統到中新統層序為粘土及粉砂質粘土，偶而含有生物硅質和/或生物鈣質物，它們見於797B孔。該孔位於38.616°N，134.536°E，水深2862.2m，並在797A-1H-3號井中有一段18～20cm厚的補充樣品（表1）。淺色層與深色層的變化為厘米級到分米級，並可在日本海范圍內對比[14]。Aira-Tanzawa（AT）、Aso-4、Ata-Th、Aso-1、Beagsan-Oga（B-Og）及Baegsan這些火山灰標志層分別在2.43m、8.80m、24.40m、25.50m、44.70m和58.00m處被發現（表1）。
在ODP797站83.90m的上新世—更新世層序中，平均采樣間隔約為0.31cm，共獲得274個樣品（表1，圖2），這些樣品的年齡據6個精確測年的火山灰樣品及磁性地層推得。深度—年齡剖面（即假定岩心頂部為0ka，且這10個基準面內線性沉積速率不變）指示，這些樣品間平均時間間隔為6567年（表1）。
表1ODP797站距今2000ka以來能說明表層水情況的標志物年齡和豐度
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①深度指海底面以下校正後深度。
3材料處理和硅藻分析
我們制備了一些定量化的硅藻薄片[8]。有些樣品中硅藻個體數不到200個。每克干樣的硅藻個體數也已計算過。硅藻的豐度是生產率及保存率綜合影響的反映。一種低鹽度濱岸水硅藻Paraliasulcata豐度的增加指示了中等海平面水位期間的東海暖流[5，6，7，16]，而暖水硅藻的繁盛是高水位期間TWC的指示器（圖2）。既然東海暖流及TWC都通過對馬海峽流入日本海，那麼暖水及濱岸水硅藻的豐度值將是其入流強度的指示器。疊加在這種趨向上的是硅藻豐度在千年級尺度上的波動（圖2）。
4硅藻組合
根據硅藻、P.sulcata的豐度及入流量的三次明顯變化，可把上新統一更新統硅藻記錄劃分為四部分：①上新統最上部（2.0～1.6Ma）；②下更新統（1.6～1.1Ma）；③中更新統（1.1～0.5Ma）；④上更新統（0.5～0.01Ma）（圖3）。在整個上新統最上部的硅藻記錄中，硅藻和P.sulcata的豐度及入流量的振幅都較低，且有小的波動。在大約1.6Ma時，這些組分的振幅開始增加，並形成共振。這種趨勢一直持續到1.1Ma，振幅發生顯著降低時。此後從1.1～0.5Ma到小於0.5Ma期間，這些組分逐漸降低。相比較而言，地軌參數的變化幅度記錄（氣候變化的外部機制）實際上與這些組分的幅度變化並不完全一致，即並不峰峰對應。
圖3ODP797站2000ka以來海平面情況的三類標志物在地層上的變化與37°N日照地軌參數間的比較
5硅藻的譜分析
這三部分在原來的時間序列上其時間間隔是無規律的（圖4至圖6A左上方），修正後的時間序列是通過在相等的時間間距采樣而使時間序列正常化（圖4至圖6A左下方）。對修正後的時間序列進行了光譜估算（圖4至圖6的A，中上方及B左邊）和最佳曲線的擬合試驗（圖4至圖6B右方）。採用的軟體是專為時間序列數據分析的系統軟體MEMCALC1000（Suwa Trust有限公司）。這種軟體是根據最大平均信息量法（MEM）和非線性最小二乘擬合（LSF）法設計的。為了精確地計算最大平均信息量法功率譜密度（MEM-PSD），需要一個合適的准則來確定最佳值M（一個預測誤差篩選的最小相位）。在此研究中，M值位於特徵相關時間（CCT）和樣品數（N）的1/2之間，並由三個傳統的准則的最小值所確定。這三個准則就是最終預測誤差（fpe）准則、Akaike信息（aic）准則和自動回歸轉化機制（cat）准則。這些時間系列是未被任何調諧或疊加處理修正過的原始時間序列。
5.1早更新世（1.6～1.1Ma）
在圖4A的右方，箭頭表示M值為30，位於CCT（=30）和N/2（=82.5）之間，採用的方法是MEM-PSD。在圖4A的中上方，一個以對數為坐標的MEM-PSD圖顯示1/f3相關線有一個下降趨勢，它與自然情況密切相關。MEM-PSD（線性尺度）由一個主周期（203.7ka）和三個次級周期（70.2、40.4和28.6ka）組成（圖4B左方）。最佳LSF曲線（以下的變化）是根據這4個周期計算得出的（圖4B右方）。
圖4ODP797站下更新統的硅藻豐度（1.6～1.1Ma）A：左上方為原始時間序列；左下方為修正後的時間序列；中下方為用對數坐標軸表示的MEM-PSD；中下方為自動相關性；右方為信息准則（fpe—最終預測誤差值，aic—Akaike信息值，cat—自動回歸轉化機制值）；豎線指示特徵相關時間，CCT=32，N/2=82.5；箭頭表示預測誤差篩選的最小相位（時間滯差），M在44處。B：左方顯示MEM-PSD的線性特徵；右方為最佳LSF曲線與原始曲線的比較
5.2中更新世
基於CCT=19、N/2=99、M=44的譜分析結果顯示了MEM-PSD（對數尺度）的1/f2相關線，對所謂的布朗運動而言，它是一個特殊的布朗干擾（圖5A中上方）。它由224.0、112.2ka的兩個主周期及57.3、42.8、31.0、25.2和18.3ka的五個次級周期組成（圖5B左方）。
圖5ODP797站中更新統的硅藻豐度（1.1～0.5Ma）A：左上方為原始時間序列；左下方為修正後的時間序列；中上方為用對數坐標軸表示的MEM-PSD；中下方為自動相關性；右方為信息准則（fpe—最終預測誤差值，aic—Akaike信息值，cat—自動回歸轉化機制值）；豎線指示特徵相關時間；CCT=19，N/2=99，箭頭表示預測誤差篩選的最小相位（時間滯差），M在44處。B：左方顯示MEM-PSD的線性特徵；右方為最佳LSF曲線與原始曲線的比較
5.3晚更新世
CCT=23、N/2=82、M=27的MEM-PSD表現為1/f3相關線（圖6A），在105.3ka周期內有一強烈的峰值，且伴隨40.0、18.3、25.8ka的三個次級周期（圖6B左方）。最佳LSF曲線在整體上與原始的時間系列數據非常吻合，只有約40ka的偏差例外（圖5B右方）。
圖6ODP797站上更新統的硅藻豐度（0.5～0.01Ma）
A：左上方為原始時間序列；左下方為修正後的時間序列；中上方為用對數坐標軸表示的MEM-PSD；中下方為自動相關性；右方為信息准則（fpe—最終預測誤差值，aic—Akaike信息值，cat—自動回歸轉化機制值）；豎線指示特徵相關時間，CCT=23，N/2=82，箭頭表示預測誤差篩選的最小相位（時間滯差），M在27處。B：左方顯示MEM-PSD的線性特徵；右方為最佳LSF曲線與原始曲線的比較
6討論和結論
在上新統－更新統（1.6Ma）界線的過渡帶內，氣溫有輕微的下降，降水量有所增加[5,12]。在早更新世期間（1.6～1.1Ma），氣溫和降水量都有所波動，但氣溫的變化不如降水量變化那麼強烈。在早更新世的1.35Ma左右硅藻豐度有明顯的減小（圖3），這可能與1.3Ma時亞北極水團的稍向南移有關。當時亞北極區的中部其溫度有一個明顯的下降，同時伴隨有降水量和成層性的增加。
大約1.1Ma時，西北太平洋表層水溫有一個明顯的下降。親潮（寒流）的運輸力增大，導致西部邊界水體強烈的混合和高的產出率。大約0.8Ma時日本海的硅藻豐度值升高。這時，亞北極區前沿在北太平洋中部向南擴展，並造成了大的鹽度梯度。結果，冷的上涌水體成為亞北極區表層水的主要海水來源[12]。
自0.5Ma以來，日本海的岩性、硅藻記錄以及亞北極區的位置表現為一明顯的以100ka為周期的變化，並伴隨有兩個穩定的氣候極端，即冰期和間冰期[5]。這種趨勢表明，由於冰川作用引起的海平面降低比以前更為強烈。
更新世中期的112.2ka的主周期及晚期的105.3ka的主周期相當於地軌參數中95～124ka周期的軌道偏心率（圖3）。這種日本海硅藻豐度中的一級時間序列開始於中更新世的1.1Ma，並且隨著時間的推移，冰期—間冰期旋迴的頻率減小。更新世早期的203.7ka周期及中期的224.Oka的周期是軌道偏心率周期（95～124ka）的2倍。在海侵和間冰期期間，營養物豐富的中層水往上貫通到表層，使得硅藻含量增加。在海退或冰期期間，由於海平面下降，海峽內水深變淺，阻礙了中層海水流入日本海，導致硅藻含量明顯減少[15]。
40.0～42.8ka周期的二級時間序列相當於地軌參數中傾斜度的變化周期（41～54ka）（圖3）。更新世早期28.Oka的周期變化相當於100ka的偏心率周期和41ka的傾斜度周期的非線性作用造成的29ka的周期變化。更新世中晚期18.3ka的周期與歲差（19～23ka）變化相當。早更新世70.2ka到中更新世57.3ka的周期以及中更新世25.2ka到晚更新世25.8ka的周期，在米蘭科維奇旋迴中沒有表現出來。
（聶浩剛譯，余青校）
參考文獻
[1]A.Berger and M.F.Loutre.Insolation values for the climate of the last 10 million of years.Quaternary Sciences Review，1991，10，297～317.
[2]T.Gamo，Y.Nozaki，H.Sakai，T.Nakai and H.Tsubota.Spatial and temporal variations of water characteristics in the Japan Sea.J.Mar.Res.，1986，44，781～793.
[3]G.H.Hong，S.H.Kim，C.S.Chung，D.J.Kang，J.Choi，T.S.Lee and J.Y.Chung.Nutrients and biogeochemical provinces in the Yellow Sea.In:Global Fluxes of Carbon and Its Related Substances on the Coastal Sea-Ocean-Atmosphere System.S.Tsunogai et al.（Eds.）.M＆.J International，Yokohama，1995，114～128.
[4]Y.Horibe（Ed.）.Preliminary Report of the Hakuho Maru Cruise KH-77-3（Pegasus Expedition）.Ocean Research Institute，University of Tokyo，1981.
[5]I.Koizumi.Late Neogene Paleoceanography on the western north Pacific.Init.Rep.DSDP，1985，86，429～438.
[6]I.Koizumi.Pulses of Tsushima Current ring the Holocene.Quaternary Research，1987，26，13～25.
[7]I.Koizumi.Holocene pulses of diatom growths in the warm Tsushima Current in the Japan Sea.Diatom Res.，1989，4，55～68.
[8]I.Koizumi.Diatom biostratigraphy of the Japan Sea:Leg 127.In:Proc.ODP，Sci.Res.，127/128，Pt.1.K.A.Pisciotto et al.（Eds.）.College Station，TX（Ocean Drilling Program），1992，249～288.
[9]I.Koizumi.Biostratigraphy and paleoceanography of the Japan Sea based on diatoms:ODP Leg 127.In:Pacific Neogene-Environment，Evolution，and Events.R.Tsuchi and J.C.Ingle（Eds.）.University of Tokyo Press，Tokyo，1992，15～24.
[10]S.Martin，E.Munoz and R.Drucker.The effect of severe storms on the ice cover of the northern Tatarskiy Strait.J.Geophys.Res.，1992，97，17753～17764
[11]K.Nishiyama，S.Kawae and H.Sasaki.The Japan Sea Proper Water and the Japan Sea Warm Eddy（in Japanese with English abstract）.Bull.Kobe Marine Observatory，1990，209，1～10.
[12]C.Sancetta and S.M.Silvestri.Pliocene-Pleistocene evolution of the North Pacific ocean-atmosphere system，interpreted from fossil diatoms.Paleoceanography，1986，1，163～180.
[13]R.Tada.The solving for the aridity of central Asia and the strength of prevailing winds ring the Quaternary.In:The report of scientific results of a Grant-in-Aid for Scientific Research from the Ministry of Ecation，Science and Ministry of Ecation.Univ.of Tokyo，Tokyo，1996.
[14]R.Tada，I.Koizumi，A.Cramp and A.Rahman.Correlation of dark and light layers，and the origin of their cyclicity in the Quaternary sediments from the Japan Sea.In:Proc.ODP，Sci.Res.，127/128，Pt.1.K.A.Pisciotto et al.（Eds.）.College Station，TX（Ocean Drilling Program），1992，577～601.
[15]R.Tada，T.Irino and I.Koizumi.Possible Dansgaard-Oeschger oscillation signal recorded in the Japan Sea sediments.In:Global Fluxes of Carbon and Its Related Substances in the Coastal Sea-Ocean-Atmosphere System.S.Tsunogai et al.（Eds.）.M＆J International，Yokohama，1995，517～522.
[16]Y.Tanimura.Late Quaternary diatoms and Paleoceanography of the Sea of Japan（in Japanese with English abstract）.Quaternary Research，1981，20，231～242.