Paläoumweltveränderungen in der Küstenzone des nordwestlichen Südchinesischen Meeres während der letzten 13.000 Jahre

Scientific Reports Band 13, Artikelnummer: 13540 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Meeressedimente in Küstengebieten dienen als wertvolle Archive für das Verständnis der Geschichte der chemischen Silikatverwitterung und der sommerlichen Monsunniederschläge in Quellgebieten und liefern Einblicke in das terrigene Klima und die Umweltentwicklung. In dieser Studie untersuchten wir die Korngröße, Tonmineralien und Geochemie von Sedimenten, die in den letzten 13.000 Jahren vor der Gegenwart (kyr BP) aus dem Kern KZK01 in der Küstenzone des nordwestlichen Südchinesischen Meeres gewonnen wurden. Unsere Ergebnisse zeigten, dass der Illit-Kristallinitätsindex als verlässlicher Indikator für die Beurteilung der Intensität der chemischen Verwitterung im Quellgebiet diente. Darüber hinaus wurden deutlich bedeutende Klimaereignisse wie die Jüngere Dryas und die Bond-Ereignisse während des Holozäns aufgezeichnet. Der dominierende Treiber des regionalen ostasiatischen Sommermonsuns wurde als sommerliche Sonneneinstrahlung auf der Nordhalbkugel in niedrigen Breiten identifiziert. Kalte Klimaereignisse zeigten eine globale Konsistenz, die möglicherweise durch das Vorhandensein von Eisschilden in hohen Breiten beeinflusst wurde. Schließlich zeigten unsere Aufzeichnungen einen deutlichen Übergang bei 9,0 Tausend Jahren, der die erheblichen Auswirkungen der Qiongzhou-Straße und des Anstiegs des Meeresspiegels auf die regionale Klimadynamik verdeutlicht.

Die Meer-Land-Interaktion in der Küstenzone ist dynamisch und hochsensibel; Es zeichnet nicht nur vergangene Überschreitungen, die Entwicklung der Küstenumwelt und Meeresspiegelveränderungen auf, sondern liefert auch Informationen über Klimaschwankungen, Ozean- und Flussveränderungen, ökologische Umweltentwicklung und anthropogene Auswirkungen auf die Umwelt1. Die Ablagerungen in der Küstenzone spielen eine entscheidende Rolle bei der Bewahrung von Aufzeichnungen über paläoökologische Veränderungen und dienen somit als entscheidende Komponente innerhalb des umfassenderen „Quellen“-„Senken“-Systems des Kontinentalrandes2; Daher hat es in den letzten Jahren großes akademisches Interesse im Bereich der Geowissenschaften geweckt. Das westliche Meeresgebiet der Insel Hainan ist eine halbgeschlossene flache Bucht (Abb. 1). Diese Bucht erhält terrigenes klastisches Material aus Quellen wie Hainan, der Qiongzhou-Straße, Guangxi, dem Honghe-Fluss und den Küstenflüssen Vietnams. Die Ablagerungsrate dieser Materialien ist hoch, was günstige Bedingungen für die Untersuchung klimatischer Ereignisse auf einer Hundertjahresskala bietet3, und diese Region ist ein ausgezeichnetes Forschungsgebiet für die Rekonstruktion der Entwicklung des ostasiatischen Monsuns4,5,6. Der globale Klimawandel entsteht durch die kombinierten Einflüsse natürlicher Faktoren und menschlicher Aktivitäten. Nach Angaben des Zwischenstaatlichen Ausschusses für Klimaänderungen (IPCC) ist der exponentielle Anstieg menschlicher Aktivitäten für 90 % des Anstiegs des Treibhauseffekts verantwortlich. Klimaveränderungen lösen extreme Wetterereignisse wie starke Regenfälle, Überschwemmungen, Tsunamis und steigende Temperaturen aus, die menschliche Aktivitäten und die wirtschaftliche Entwicklung ernsthaft gefährden7. Die Entwicklung des Klimas im späten Quartär hat entscheidende Auswirkungen auf zukünftige Herausforderungen, denen sich der moderne Mensch gegenübersieht. Daher ist es besonders wichtig, die Umweltentwicklung der Küstengebiete seit dem späten Quartär zu untersuchen8.

Topographie des Gebiets um die westliche Insel Hainan, Flusssysteme und Meeresströmungssysteme rund um die kontinentale Landmasse. Die Abbildung zeigt die Positionen von Kern KZK01, Kern STAT2218, Kern PC33811 und der Dongge-Höhle24, die in dieser Arbeit untersucht werden. Außerdem werden die winterlichen und sommerlichen Meeresströmungen im Beibu-Golf25,26,27,28, die Küstenströmungsdaten Vietnams29, die Küstenströmungsdaten West-Guangdongs30, die warme Strömung des Südchinesischen Meeres31 und die Oberflächenströmungen im Südchinesischen Meer32,33 angezeigt.

Die geochemischen Eigenschaften mariner Sedimente zeichnen die Geschichte der chemischen Verwitterung von Silikaten und der Sommermonsunniederschläge im Quellgebiet auf und liefern Informationen über die Entwicklung des terrigenen Klimas und der Umwelt9,10. Li et al.11 führten eine Hauptkomponentenanalyse (PC) unter Verwendung geochemischer Elementdaten aus Kern PC338 im Qiongdongnan-Becken im nordwestlichen Teil des Südchinesischen Meeres durch. Sie fanden heraus, dass das Red River Basin vom Indian Summer Monsun kontrolliert wird11. Xu et al.12 fanden eine gute Korrelation zwischen dem chemischen Verwitterungsindex des CS11-nahen Kerns im nördlichen Tiefbecken des Südchinesischen Meeres und weltweiten Kälteereignissen (wie YD, H1, H2 und H3), was darauf hindeutet, dass die Die Verwitterungsintensität der Sedimente in dieser Region wurde hauptsächlich durch den globalen Klimawandel über einen Zeitraum von mehreren Jahrhunderten gesteuert12. Frühere Forscher haben umfangreiche Arbeiten zur Rekonstruktion des Paläoklimas rund um die Insel Hainan durchgeführt und sich dabei vor allem auf den Festlandsockel und die Halbtiefseegebiete konzentriert, die durch stabile Sedimentumgebungen gekennzeichnet sind13,14. Es gab jedoch relativ wenige Studien, die speziell auf die Küstenzone abzielten, die die Nähe zum Land und eine bequeme Probenentnahme bietet. Es ist von entscheidender Bedeutung zu bestimmen, ob Küstensedimente für die Dokumentation des Paläoklimas eine vergleichbare Bedeutung wie Tiefwassersedimente haben. Darüber hinaus ist es ebenso wichtig, wirksame Proxys zu identifizieren, die als Indikatoren für die chemische Verwitterung in Küstensedimenten dienen.

Die Qiongzhou-Straße liegt zwischen der Halbinsel Leizhou und der Insel Hainan. Es ist etwa 80 km lang von Ost nach West und 19 km breit von Nord nach Süd, mit einer maximalen Tiefe von 120 m. Sie ist eine der drei größten Meerengen Chinas. Der Zeitpunkt der Entstehung der Qiongzhou-Straße ist weiterhin umstritten. Basierend auf einer systematischen Untersuchung der regionalen Geologie, Geophysik, Meereshydrologie, regionalen Paläobiogeographie und anderen Daten haben Zhao et al. kamen zu dem Schluss, dass sich die Qiongzhou-Straße zwischen 10.570 ± 560 und 7.125 ± 96 a BP aus dem ursprünglichen Tiefland im überfluteten Schluchtgebiet der globalen Überschreitungen im mittleren Holozän gebildet hat15. Durch die Interpretation hochauflösender flacher stratigraphischer Profile an den Ost- und Westeingängen der Qiongzhou-Straße und die Verwendung regionaler Daten zum Bohralter konnten Ni et al. indirekt abgeleitet, dass sich die Qiongzhou-Straße bei etwa 8,0 kyr BP vollständig öffnete, was auf die holozäne Überschreitung in der Region zurückgeführt wurde16,17. Die Herkunft der Sedimente im Kern STAT22, die den Sedimenten im Zielgebiet der vorliegenden Studie ähneln, wurde in früheren Studien ausführlich untersucht, und es wird davon ausgegangen, dass die Sedimente in diesem Gebiet hauptsächlich aus dem Westen der Insel Hainan stammen vor 4500 ein BP18. Nach 4,5 Tausend Jahren v. Chr., mit der Öffnung der Qiongzhou-Straße, veränderten sich die Herkunft und die hydrodynamischen Bedingungen erheblich, und das Gebiet begann, Ablagerungen aus Sedimenten im östlichen Teil der Qiongzhou-Straße zu erhalten. Durch geophysikalische Erkundung, geologische Probenentnahme und numerische Simulation wurde ein neues Verständnis der Entstehung und des Entstehungsalters der Qiongzhou-Straße gewonnen. Studien zur Entstehung der Qiongzhou-Straße sind jedoch immer noch begrenzt, da es an direkten Beweisen für hochpräzise Petrologie, Geochemie und Chronologie mangelt.

In dieser Studie wurde Kern KZK01 aus der nordwestlichen Küstenzone der Insel Hainan untersucht, um die Machbarkeit der Nutzung dieses Teils der Insel als Rekonstruktionsstandort für den ostasiatischen Monsun sowie die Veränderungen in den Sedimentaufzeichnungen vor und nach der Öffnung des Monsuns zu bewerten Die Straße von Qiongzhou wurde besprochen. Die Sedimentkörnigkeit, die Tonmineralien und die Elementgeochemie wurden mittels Beschleuniger-Massenspektrometrie (AMS) 14C und Datierung mit optisch stimulierter Lumineszenz (OSL) analysiert und die Eigenschaften der Sedimente in der nordwestlichen Küstenzone der Insel Hainan seit 13.000 Jahren vor Christus beschrieben. Ein Proxy-Index der Monsunintensität, der für Küstenzonen geeignet ist und regionale chemische Verwitterung an der Oberfläche widerspiegelt, wurde ausgewählt, um die Elementaufzeichnung und den Mechanismus zu untersuchen, der die Entwicklung des regionalen Sommermonsuns antreibt, und um so den Klimawandelprozess im nordwestlichen Teil des Südchinesischen Meeres aufzuklären seit 13.000 v. Chr. Es wird erwartet, dass die Ergebnisse dieser Studie auch Belege für das Verständnis wichtiger regionaler geologischer Ereignisse wie der Entstehung und Entwicklung der Qiongzhou-Straße liefern.

Das Untersuchungsgebiet liegt im nordwestlichen Teil des Südchinesischen Meeres und wird im Osten von Hainan, im Norden von Guangxi, im Westen von Vietnam, im Süden vom Hinterland des Südchinesischen Meeres und im nordöstlichen Teil begrenzt Südchinesisches Meer durch die Qiongzhou-Straße. Die Tiefe des Meeresbodens nimmt von Norden nach Süden allmählich zu, wobei die Isobathen etwa parallel zur Küstenlinie verlaufen. Die Wassertiefe im westlichen Teil der Bohrstelle liegt zwischen 20 und 60 m, mit einer durchschnittlichen Tiefe von 40 m und einer maximalen Tiefe von 106 m (Abb. 1)19. Entlang der Nordküste münden zahlreiche Flüsse in das Südchinesische Meer, unter denen der Rote Fluss die wichtigste Sedimentquelle ist und jährlich etwa 125 × 106 t terrigenen Feinstaub in den Beibu-Golf transportiert20. Darüber hinaus erhält das Südchinesische Meer auch Sedimente von Flüssen entlang der Küste Vietnams, Hainans und Guangxis, und der Perlfluss liefert über die Qiongzhou-Straße auch eine gewisse Menge terrigenes Material in den nordöstlichen Teil des Beibu-Golfs21,22 ,23.

Das Landgebiet rund um die Untersuchungsregion besteht aus proterozoischen bis spätpaläozoischen Kalk-Magnesium-Karbonatgesteinen, Quarzit, metamorphem Sandstein, Schiefer, mesozoischen (Jura-Kreidezeit) kontinentalen klastischen Gesteinen, herzynischem bis indochinesischem Granit, Granitporphyr, quartärem Basalt und lockeren Sedimenten19 . Im Untersuchungsgebiet herrscht tropisches und subtropisches maritimes Monsunklima, das hauptsächlich durch den Monsun in niedrigen Breiten Ostasiens kontrolliert wird. Im Sommer herrscht der Südwestmonsun und im Winter der Nordostmonsun. Die Zirkulation im Untersuchungsgebiet weist das ganze Jahr über ein konsistentes Muster gegen den Uhrzeigersinn auf, das durch den ostasiatischen Monsun, Meeresströmungen, Schwankungen der Meerestemperatur und die Topographie beeinflusst wird (Abb. 1)25,26,27. Die Wasserentsalzung des Roten Flusses sorgt dafür, dass die vietnamesische Küstenströmung das ganze Jahr über von Norden nach Süden fließt29,30. Flusssedimente mit Ursprung in Südchina werden von der Nordost-Südwest-orientierten Küstenströmung durch die Qiongzhou-Straße transportiert und in die Zirkulation gegen den Uhrzeigersinn integriert31. Darüber hinaus tritt die warme Strömung des Südchinesischen Meeres nordöstlich der Insel Hainan auf; Es fließt das ganze Jahr über entlang der 100-m-Isobathe nordöstlich des Südchinesischen Meeres28.

Der Sedimentkern KZK01 (19°12′58.08″ N, 108°33′05.78″ E; Abb. 1) wurde im April 2020 an der Mündung des Changhua-Flusses durch mechanische Rotationskernbohrung gewonnen. Die Wassertiefe betrug 12,6 m, die Gesamtlänge des Kerns betrug 20,1 m und die Bohrquote betrug 95 %. Die Sedimente im Kern bestanden hauptsächlich aus eingebettetem Sand und Schlamm, und die spezifischen lithologischen Eigenschaften sind in Abb. 2 dargestellt. Insgesamt wurden 48 Proben aus dem gesamten Rohrkern in Abständen von 30 bis 40 cm entnommen, und die Partikelgröße war groß Spurenelemente, Seltenerdelemente und Tonmineralien wurden im Schlüssellabor für Meeresgeologische Ressourcen und Umwelt der Provinz Hainan analysiert.

Lithologische Beschreibung, AMS 14C-Alter, OSL-Alter und Sedimentfazies des Kerns KZK01.

Die Partikelgröße wurde gemäß GB/T 12763.8.6.3-200+7 analysiert. Wasserstoffperoxid (10 ml) wurde zu 10–20 g Proben gegeben, um organische Stoffe zu entfernen. Anschließend wurden 15 ml 15 %ige Essigsäure zugegeben, um Carbonate aus der Probe zu entfernen. Die Proben wurden mit 300 ml (NaPO3)6 gekocht, abgekühlt und 24 Stunden lang auf einen Schütteltisch gestellt. Die Proben wurden mit einem Laser-Partikelgrößenanalysator (UltimaIV-185) getestet. Die Kornauflösung betrug 0,01 Φ, der Messbereich 0,02–2000 μm und der relative Fehler der wiederholten Messung betrug weniger als 1 %.

Die Analysen der Haupt- und Spurenelemente der Seltenen Erden wurden gemäß der Norm GB/T20260.8-2006 durchgeführt. Die Hauptelementanalyse wurde mittels Röntgenfluoreszenzspektrometrie (RFA; ZSX-Primus II) durchgeführt und der Massenverlust während der Verbrennung wurde mittels Gravimetrie bestimmt. Die Analyse seltener Erden und Spurenelemente wurde mittels Massenspektrometrie mit induktiv gekoppeltem Plasma (ICP-MS; Thermo Field iCAP Qc) durchgeführt.

Tonmineralien wurden anhand von Komponenten mit Tongröße (< 2 μm) mittels Röntgenbeugung (XRD) analysiert. Destilliertes Wasser und H2O2 wurden verwendet, um Salz und organische Stoffe aus etwa 10 g Sedimentproben zu entfernen. Dann wurde eine entsprechende Menge destilliertes Wasser und (NaPO3)6 zugegeben, und die Mischung wurde gründlich gerührt und 2 Stunden lang stehen gelassen. Basierend auf der durch das Stokes-Prinzip vorgegebenen Sedimentationszeit wurden die oberen suspendierten Partikel, die kleiner als 2 μm waren, mit Nadeln extrahiert und zur Konzentrationsbehandlung zentrifugiert. Orientierte Scheiben wurden mit der Ausstrichmethode erhalten und bei Raumtemperatur luftgetrocknet. Die natürliche Folie wurde direkt einem Beugungstest unterzogen und anschließend zum Testen mit Ethylenglykol dampfbehandelt (Ethylenglykolfolie). Für die XRD-Analyse wurde ein Beugungsanalysator Rigaku Ultima IV-185 verwendet. Die Arbeitsspannung betrug 40 kV und der Arbeitsstrom 40 mA. Es wurde ein kontinuierliches schrittweises Scannen eingesetzt. Die Scanschrittweite betrug 0,02°, die Scangeschwindigkeit betrug 10°/min und der Scanbereich betrug 2,5° bis 65°. Die quantitative Analysemethode war die K-Wert-Methode.

Tonmineralien wurden mithilfe von XRD-Mustern identifiziert und interpretiert, die aus den drei Hauptrichtungsschnitten erhalten wurden. Die semiquantitative Berechnung der Kammparameter wurde mit der Software Jade 6 durchgeführt. Der relative Gehalt der Tonmineralien wurde hauptsächlich anhand des Verhältnisses der Beugungspeakfläche der Kristallebene bestimmt, Smektit wurde anhand der 1,7 nm (001)-Kristallebene und Illit anhand der 1 nm (001)-Kristallebene bestimmt. Kristallebene. Kaolinit (001) und Chlorit (002) wurden anhand des überlagerten Peaks bei 0,7 nm bestimmt. Der Gehalt an Tonmineralien, Smektit und Illit wurde durch Multiplikation mit den Gewichtskoeffizienten 1, 4 bzw. 2 berechnet. Der Gehalt an Kaolinit und Chlorit wurde durch Anpassen des Verhältnisses der Peakfläche zwischen 0,357 und 0,354 nm bestimmt. Der Kristallinitätsindex von Illit wurde anhand der Halbwertsbreite (FWHM) des Beugungspeaks bei 10 Å auf der Kurve ausgedrückt. Der Kristallinitätsindex korrelierte negativ mit der Kristallinität34.

Insgesamt wurden sechs Datierungsproben aus dem Kern KZK01 entnommen. 14C-Datierungsproben wurden aus relativ intakten Schalen, Foraminiferen und organischem Material im Kern entnommen. 14C-Messungen wurden mittels Beschleunigermassenspektrometrie (AMS) im Beta Laboratory, USA, durchgeführt (Tabelle 1). Die AMS 14C-Alter wurden mithilfe der MARINE 20-Kalibrierungskurve35 auf Kalenderalter kalibriert. Wir haben das durchschnittliche Alter des Reservoirs (− 15 ± 38 Jahre) rund um das Südchinesische Meer für die letzten tausend Jahre angenommen36,37,38,39. Yu et al. ergaben, dass es im Südchinesischen Meer während des Holozenz zu erheblichen Schwankungen im Alter der 14C-Meeresreservoirs und regionalen Korrekturen der Meeresreservoirs kam40. Daher wurden Reservoiralterskorrekturen von 89 ± 59 Jahren und 151 ± 85 Jahren für die Zeiträume 2–3,5 Jahre bzw. 3,5–13 Jahre vor Christus vorgenommen. Das Bayes'sche Alterstiefenmodell des Kerns KZK01 wurde mit dem R-Programm BACON41 berechnet (Abb. 3). Die OSL-Datierungsprobe wurde aus den feinen Sandschichten gewonnen und das Experiment mit einem thermolumineszierenden/optometrischen Riso TL/OSL-DA-20-Instrument im Labor des Three Gorges Research Center for Geological Hazards of the Yangtze River, Ministerium, durchgeführt of Education, China University of Geosciences (Wuhan). Die Probe wurde 10 s lang auf 260 °C vorgewärmt, und die experimentelle Dosis wurde 10 s lang auf 220 °C vorgewärmt. Als Anregungslichtquelle wurde eine 90 % blaue Leuchtdiode (λ = 470 ± 20 nm) verwendet. Die Probe wurde 40 s lang bei 130 °C mit blauem Licht beleuchtet und das Lumineszenzsignal wurde durch einen Hoya U-340-Filter mit einer Dicke von 7,5 mm in einem 9235QA-Photomultiplier aufgezeichnet. Die Strahlungsquelle war eine 90Sr/90Y-β-Quelle. Die Reinheit von Quarz wurde mit Infrarotlicht (IR) gemessen. Die Ergebnisse zeigten, dass die Infrarot-Lumineszenzsignale des Feldspats der beiden Proben sehr niedrig waren und der IRSL/OSL-Wert weniger als 10 % betrug. Die Äquivalentdosis wurde mithilfe der SAR-SGC-Methode in Kombination mit der SAR-Methode gemessen (Tabelle 1).

Alterstiefenmodell des Kerns KZK01. Die oberen Felder zeigen die MCMC-Iterationen (links), die vorherigen (grüne Kurven) und hinteren (graue Histogramme) Verteilungen für die Akkumulationsrate (mittleres Feld) und den Speicher (rechtes Feld). Das untere Feld zeigt das Alters-Tiefen-Modell, Aurantiacus zeigt wahrscheinlichere Kalenderalter an, schwarz gepunktete Linien zeigen 95 %-Konfidenzintervalle und die rot gepunktete Kurve zeigt das einzelne „beste“ Modell basierend auf dem Durchschnittsalter für jede Tiefe.

Die Analyse der Partikelgröße zeigt, dass die Sedimentproben hauptsächlich aus feinem mittelfeinem Sand, mittelfeinem Sand und schlammigem feinem Schluffsand bestehen; Die Partikelgrößen reichen von 1,93 bis 7,23 φ, mit einem Durchschnitt von 4,95 φ (Abb. 4). Die Trennkoeffizienten liegen zwischen 1,07 und 2,68φ, mit einem Durchschnitt von 1,74φ. Die Schiefe reicht von −0,28 bis 0,63, mit einem Durchschnitt von 0,16. Der Spitzenwert liegt zwischen 0,65 und 2,11, der Durchschnitt liegt bei 1,19. Der mittlere Durchmesser reicht von 1,87 bis 7,32 φ, mit einem Durchschnitt von 4,81 φ.

Vertikale Verteilung der Korngrößenzusammensetzung des Kerns KZK01.

Das vorherrschende Tonmineral im Untersuchungsgebiet ist Illit mit einem relativen Gehalt von 59 bis 93 %. Nach Illit ist Kaolinit mit einem durchschnittlichen Gehalt von 10,66 % das zweithäufigste Tonmineral. Der durchschnittliche Gehalt an Chlorit und Smektit beträgt 8,44 % bzw. 7,0 %.

Die durchschnittlichen Gehalte an SiO2, Al2O3, Fe2O3, CaO, MgO, Na2O, K2O, TiO2, P2O5 und MnO betragen 75,92 %, 11,71 %, 3,14 %, 1,89 %, 1,16 %, 1,09 %, 3,71 %, 0,51 %, 0,06 %, bzw. 0,06 %. Die durchschnittlichen Gehalte an Cr, Co, Ni, Cu, Zn, Nb, Ta, Hf, Zr und Ce betragen 45,45 mg/kg, 8,08 mg/kg, 17,19 mg/kg, 14,66 mg/kg, 51,05 mg/kg. 13,84 mg/kg, 1,68 mg/kg, 4,38 mg/kg, 132,45 mg/kg bzw. 54,51 mg/kg.

Basierend auf Partikelgröße, Tonmineralien sowie Haupt- und Spurenelementen kann der Kern in die folgenden drei Sedimenteinheiten unterteilt werden (Abb. 4, 5, 6, 7).

Vertikale Verteilung des Tonmineralgehalts vom Kern KZK01.

Vertikale Verteilung der Hauptelemente vom Kern KZK01.

Vertikale Verteilung der Spurenelemente aus Kern KZK01.

U1 (20–16 m): Die Sedimente werden von graugelbem Ton dominiert, der teilweise feine graue Schluffklumpen enthält; Parallelbettung wird entwickelt. In dieser Einheit stiegen die Gehalte an Illit und Smektit allmählich an, während die an Kaolinit und Chlorit abnahmen. Die Kristallinität von Illit zeigt einen allmählich steigenden Trend und der petrochemische Index von Illit ändert sich nicht wesentlich. Die Verhältnisse der Hauptelemente Al2O3/P2O5 und Al2O3/MnO zeigen von unten nach oben einen steigenden Trend, während das von Al2O3/Na2O einen abnehmenden Trend zeigt. Die Verhältnisse der anderen Hauptelemente ändern sich von unten nach oben kaum.

U2 (16–5 m): Die Sedimente bestehen hauptsächlich aus grauschwarzem Ton und schluffigem Sand mit einem durchschnittlichen Partikeldurchmesser von 5,48 Φ; Die Partikel sind etwas grober als die der vorherigen Einheit. Die AMS 14C-Alter bei 6,78 m, 11 m und 15,7 m betragen 2350 ± 30 a BP, 3090 ± 30 a BP bzw. 8520 ± 30 a BP, und das OSL-Alter bei 13,55 m betrug 4,8 ± 0,3 ka. Die Gehalte an Illit (72,4 %) und Smektit (8,42 %) waren niedriger als in der Oberstufe, und die Gehalte an Chlorit (8,2 %) und Kaolinit (11 %) sind etwas niedriger als in der Oberstufe. Die Verhältnisse der Hauptelemente Al2O3/SiO2, Al2O3/Na2O und Al2O3/K2O nehmen von unten nach oben allmählich ab, während die Verhältnisse der anderen Elemente langsam zunehmen. Mit Ausnahme von Cu nimmt der Gehalt an Spurenelementen von unten nach oben allmählich ab.

U3 (5–0 m): Die Sedimente bestehen hauptsächlich aus graugelbem mittlerem Sand und mittlerem feinem Sand mit einem durchschnittlichen Partikeldurchmesser von 2,1 Φ; Die Partikel sind gröber als die der vorherigen Stufe. Die Gehalte an Illit (76,4 %), Kaolinit (12,2 %) und Chlorit (11,4 %) sind höher als in der Vorstufe; Smektit fehlt in diesem Stadium. Die Verhältnisse der Hauptelemente Al2O3/Fe2O3, Al2O3/MgO, Al2O3/TiO2 und Al2O3/P2O5 weisen einen steigenden Trend auf, während die der anderen Hauptelemente im Wesentlichen unverändert bleiben. Die Gehalte an Spurenelementen wie Cr, Co, Ni, Cu, Zn, Nb, Ta, Hf, Zr und Ce sind niedriger als in der vorherigen Stufe.

Die Sedimente des Südchinesischen Meeres enthalten umfangreiche Paläoumweltinformationen, die zur Rekonstruktion der Entwicklung der ostasiatischen Monsungeschichte und zur Untersuchung der paläozeanischen Entwicklung11,12,13,35,42,43 verwendet werden können. Frühere Studien haben ergeben, dass die Verhältnisse von Al/Si, Al/K, Rb/Sr, Al/Ti und K/Ti die Intensität der chemischen Oberflächenverwitterung effektiv erfassen können 10,44,45,46,47, was a ist verlässlicher Indikator für den Klimawandel. Zahlreiche Studien deuten darauf hin, dass die Partikelgrößenfraktion von 2–10 µm eine verlässliche Aufzeichnung des Eintrags von Windstaub und Flusssedimenten ist und vermutlich nur geringfügig von Meeresspiegeländerungen oder Unterströmungen beeinflusst wird; er kann daher als Ersatz für den ostasiatischen Sommermonsun48,49,50 verwendet werden. Tonmineralien, die häufig in marinen terrigenen klastischen Sedimenten vorkommen, zeichnen die Geschichte klimatischer Veränderungen in kalten und warmen Umgebungen im Quellgebiet auf51,52,53,54 und spielen eine wichtige Rolle bei der Rekonstruktion der Paläoumwelt, Paläo-Monsun-Veränderungen, und See-Land-Korrelationsstudien55,56,57,58. Frühere Studien haben ergeben, dass die Tonmineralzusammensetzung in den Sedimenten des späten Quartärs des Südchinesischen Meeres erhebliche Veränderungen im glazialen und interglazialen Zyklus aufweist und dass die Veränderungen im Smektit/(Illit + Chlorit)-Verhältnis und im Smektitgehalt wirksam auf die Entwicklung des Smektits hinweisen können Ostasiatischer Monsun. Tonmineralien werden von der globalen Vereisung oder interglazialen Schwankungen nicht beeinflusst, und das Smektit/(Illit + Chlorit)-Verhältnis kann als Proxy zur Rekonstruktion der Intensität des südostasiatischen Sommermonsuns verwendet werden59.

Basierend auf früheren Forschungsergebnissen und den tatsächlichen Bedingungen im Untersuchungsgebiet wurden sechs Verwitterungsparameter ermittelt, nämlich die Illit-Kristallinität, das Smektit/(Illit + Chlorit)-Verhältnis, das (La/Yb)N-Verhältnis, das Al2O3/SiO2-Verhältnis, die Partikelgröße ( 2–8 μm) und der chemische Veränderungsindex (CIA) wurden zum Vergleich ausgewählt, um einen Proxy-Index zu ermitteln, der für Küstenzonen geeignet ist und regionale chemische Verwitterung an der Oberfläche widerspiegelt. Die Illit-Kristallinität (Abb. 8a) zeigt in mehreren Zeiträumen signifikante Verringerungen, insbesondere um 0,52, 1,03, 1,84, 2,78, 4,03, 5,53, 8,33, 10,3, 11,1 und 12,4 Tausend Jahre vor Christus. Diese Verringerungen stimmen eng mit den Bond-Ereignissen überein, die durch Treibeis-Indizes60 (Abb. 8h) und die δ18O-Aufzeichnung von Stalagmiten in der Dongge-Höhle24,61 (Abb. 8g) identifiziert wurden, was auf einen Zusammenhang zwischen Illit-Kristallinität und klimatischen Schwankungen hindeutet. Dieser Befund weist darauf hin, dass Veränderungen der Illit-Kristallinität in Küstensedimentgebieten als potenzieller Indikator für das Verständnis und die Rekonstruktion vergangener Klimaveränderungen dienen können, insbesondere im Zusammenhang mit dem ostasiatischen Monsun, wie durch die entsprechenden Bond-Ereignisse und das Ereignis der jüngeren Dryas gestützt. Änderungen im Smektit/(Illit + Chlorit)-Verhältnis (Abb. 8b) stimmen mit Klimaaufzeichnungen während bestimmter Zeiträume überein (z. B. YD- und Bond-Ereignisse 2 und 5)24,60,62, aber in anderen Kälteperioden wurde eine umgekehrte Korrelation beobachtet , wie zum Beispiel Bond-Ereignisse 0, 1, 3, 4 und 6-8-7. Dies deutet darauf hin, dass dieses Verhältnis möglicherweise kein geeigneter Index ist, um die Dynamik dieser spezifischen Kälteperioden genau zu erfassen. Studien haben gezeigt, dass Seltenerdelemente das Potenzial haben, den Klimawandel aufzuzeichnen, und dass schwere Seltenerdelemente in Verwitterungsprodukten eher zerfallen als leichte Seltenerdelemente63. Somit deutet ein hohes Verhältnis von (La/Sm)N zu (La/Yb)N (Chondrit-Standardisierung) auf eine starke Verwitterung57 hin. Der (La/Yb)N-Wert (Abb. 8c) nahm während der Zeiträume Bond0, Bond1, Bond2 und Bond8 leicht ab, was maßgeblichen Klimarekonstruktionsdaten entsprach (Abb. 8g – i). Wei et al. schlugen vor, dass das (La/Yb)N-Verhältnis die Verwitterungsintensität des Quellgebiets nur dann widerspiegeln kann, wenn die Sedimentquelle relativ stabil ist64. Der nordwestliche Teil des Südchinesischen Meeres ist eine große, halbgeschlossene Bucht auf dem Festlandsockel, die an drei Seiten von Land begrenzt wird und sich nach Süden zum Südchinesischen Meer hin öffnet (Abb. 1). Die Sedimente in diesem Teil des Südchinesischen Meeres stammen aus Gebieten wie Taiwan, Vietnam und dem Roten Fluss. Aufgrund des mehrstufigen Meeresströmungssystems und des ostasiatischen Monsuns sind die hydrodynamischen Bedingungen und der Quelle-Senke-Transport-Ablagerungsprozess von Sedimenten sehr komplex3,13. Der (La/Yb)N-Index spiegelte Kälteereignisse wie Bond3 bis Bond7 nicht signifikant wider, was möglicherweise auf die geringe Probenauflösung und die instabile Sedimentquelle zurückzuführen war. Die Kurven für Al2O3/SiO2 (Abb. 8d), CIA (Abb. 8e) und Partikelgröße (2–8 μm) (Abb. 8f) sind ähnlich und alle drei zeigen nur eine signifikante Abnahme während der Perioden von Bond5, was nicht mit den Klimaaufzeichnungen übereinstimmte. Die Kurven für Al2O3/SiO2 CIA und die Partikelgröße (2–8 μm) zeigten während der Kaltperioden keine signifikant niedrigen Werte, was möglicherweise durch die Maskierung paläoklimatischer Informationen durch provenologische und Meeresspiegeländerungen verursacht wurde. Wan et al. ausgewählte CIA-Werte für die Partikelgrößenfraktion < 2 μm aus Aufzeichnungen der Oberflächenverwitterung im Red-River-Becken seit etwa 6400 Kal. yr BP, da feinkörnige Sedimente über weite Strecken transportiert werden können, ohne durch Sortierung beeinträchtigt zu werden50. In dieser Studie wurden nur Massensedimente auf CIA analysiert. Durch den Vergleich unserer Daten mit dem Klimarekonstruktionsindex PC111 aus den Kontinentalhangsedimenten des Südchinesischen Meeres (Abb. 8j) stellten wir fest, dass der aus den Küstensedimenten extrahierte Klimaaufzeichnungsindex sowohl vollständig als auch empfindlich auf die Aufzeichnung von Kälteereignissen reagiert. Dies weist auf das große Potenzial der Illit-Kristallinität als Index für die Rekonstruktion des ostasiatischen Monsuns hin. Es zeigte auch die Überlegenheit küstennaher Sedimentgebiete als Paläoklima-Forschungsstandorte. Daher wurde festgestellt, dass die Illit-Kristallinität ein guter Indikator für die Intensität des ostasiatischen Sommermonsuns in der nordwestlichen Küstenzone des Südchinesischen Meeres ist.

Vergleich der Elementverhältnisse mit dem globalen Klimawandel im Kern KZK01. Sommersonnenstrahlung bei 30°N, nach Berger und Loutre65; (g) Sauerstoffisotope von Stalagmiten in Südchina, nach Dykoski et al.24 und Wang et al.61; (h) Treibeisindizes gestapelt, gemäß Bond et al.60; (i) Ti-Elementintensität des Guangdong Huguangyan Maar Lake, nach Yancheva et al.62; (j) PC1 des nördlichen Teils des Südchinesischen Meereshangs, nach Li et al.11; (k) Relativer Meeresspiegel des nordwestlichen Südchinesischen Meeres, nach Siddall et al.66.

In früheren Studien wurde die Kristallinität von Illit häufig als Hinweis auf chemische Verwitterung verwendet. Die Illit-Kristallinität betrug 1 nm, basierend auf der Halbwertsbreite des Peaks, und der hohe Wert repräsentierte eine schlechte Illit-Kristallinität, eine starke Hydrolyse im terrestrischen Quellgebiet und warme Klimaeigenschaften. Niedrige Halbwertsbreitenwerte stehen für eine hohe Illit-Kristallinität, eine schwache Hydrolyse und trockene und kalte Klimaeigenschaften34,67,68. Wie aus Abb. 8a ersichtlich ist, erfasst der Illit-Kristallinitätsindex jüngere Dryas-Ereignisse (YD) und Bond-Ereignisse seit dem Holozän. Dies zeigt, dass der Illit-Kristallinitätsindex den regionalen Klimawandel effektiv erfassen kann.

Die vom Illit-Kristallinitätsindex aufgezeichnete Intensität des ostasiatischen Sommermonsuns stimmte nahezu mit dem weithin akzeptierten δ18O überein, das in den Stalagmiten in Südchina aufgezeichnet wurde. Die Intensität des ostasiatischen Sommermonsuns, die sich in der Illit-Kristallinität widerspiegelt, stimmte im Wesentlichen mit der 30°-Sommersonnenstrahlung65 auf der Nordhalbkugel überein, was darauf hindeutet, dass der Klimawandel im nördlichen Teil des Südchinesischen Meeres durch die sommerliche Sonnenstrahlung in der nördlichen Hemisphäre vorangetrieben wurde Nördliche Hemisphäre. Hinweise auf globale Kälteereignisse (YD und Bond et al.) gibt es im Südchinesischen Meer, in Tibet, im tropischen Maar des Huguangyan-Sees und in Lössregionen in China69,70,71,72, was darauf hindeutet, dass das Klima in Ostasien durch die kontrolliert wird Eisschild in hohen Breiten. Xu et al. identifizierte YD, Heinrich 1 (H1), Heinrich 2 (H2), Heinrich 3 (H3) und andere weit verbreitete Kälteereignisse basierend auf den chemischen Indizes des CS11-Kerns aus dem nördlichen Tiefbecken des Südchinesischen Meeres12. Die Daten zur gesamten organischen Substanz (TOM) des Huguangyan-Maar-Sees zeigten die Abschwächung des Sommermonsuns um 9,2 ka, 8,2 ka, 5,3 ka, 4,2 ka, 2,8 ka, 1,4 ka und 0,4 ka; Dieser Trend stimmte mit dem Trend globaler Kälteereignisse überein73. Li et al. führte eine Hauptkomponentenanalyse der Elementdaten von Kern PC338 im Qiongdongnan-Becken im nordwestlichen Teil des Südchinesischen Meeres durch und stellte fest, dass PC1 (Abb. 8j, terrigenöse feinkörnige Sedimente) globale Kälteereignisse aufzeichnete, darunter Heinrich-Ereignisse, Jüngere Dryas, und das 8,2-ka-Ereignis. Es wird angenommen, dass die sommerliche Lichtintensität in niedrigen Breiten auch den Sommermonsun im Red River Basin auslöst11. Liu et al. fanden heraus, dass das Kaolinit/(Illit + Chlorit)-Verhältnis vor der Küste Vietnams offensichtliche Schwankungen im glazialen und interglazialen Zyklus aufwies und dass die hochfrequente Schwankung des Smektitgehalts gut mit den sommerlichen Sonnenschwerpunkten der nördlichen Hemisphäre in niedrigen Breiten übereinstimmte. Dies deutet darauf hin, dass die Eisdecke in hohen Breiten und die Tropen in niedrigen Breiten die Entwicklung des späten quartären ostasiatischen Wintermonsuns bzw. Sommermonsuns vorangetrieben haben74. Die Ergebnisse dieser Studie korrelierten stark mit einer Reihe umgebender Klimarekonstruktionsindikatoren. Die Ergebnisse zeigten, dass die Entwicklung des ostasiatischen Sommermonsuns hauptsächlich durch die sommerliche Sonneneinstrahlung auf der Nordhalbkugel vorangetrieben wurde. Kalte Klimaereignisse waren global konsistent und könnten mit den globalen Auswirkungen des Eisschildes in hohen Breiten in Zusammenhang stehen.

Die Qiongzhou-Straße fungiert als Tor für den Austausch von Wassermassen und atmosphärischer Dynamik zwischen dem Beibu-Golf und dem Südchinesischen Meer. Daher könnte diese Ozeanpassage einen erheblichen Einfluss auf Veränderungen in lokalen und regionalen Klimasystemen haben. Unsere physikalischen und chemischen Aufzeichnungen liefern wertvolle Erkenntnisse und offenbaren einen faszinierenden Übergang vor 9,0 Tausend Jahren BP von einem lokalen und stabilen Stadium zu einem regionalen und dynamischen Stadium. Dieser Übergang wird durch Änderungen der Korngröße (2–8 μm), des CIA sowie der Al2O3/SiO2- und (La/Yb)N-Verhältnisse deutlich (Abb. 8c–f), die auf eine signifikante Verschiebung der Sedimentzusammensetzung und der Geochemie hinweisen Eigenschaften. Wichtig ist, dass diese Verschiebung nicht auf unseren spezifischen Untersuchungsort beschränkt ist, sondern auch im Kern PC33811 (Abb. 8j) beobachtet wird, was dessen regionale Bedeutung hervorhebt.

Der Übergang von lokalen zu regionalen Klimasignaturen könnte durch die Öffnung der Qiongzhou-Straße beeinflusst worden sein, obwohl der genaue Zeitpunkt der Öffnung der Meerenge noch umstritten ist. Zahlreiche Studien deuten darauf hin, dass die Öffnung der Qiongzhou-Straße wahrscheinlich zwischen 11,0 und 8,0 kyr BP15,16,17,18,75,76 erfolgte, was eng mit dem Zeitpunkt des beobachteten Übergangs in unseren Aufzeichnungen übereinstimmt. Darüber hinaus könnte ein erheblicher Anstieg des globalen Meeresspiegels um etwa 60 m (Abb. 8k) von 13,0 auf 9,0 kyr66 den Wassermassenaustausch und die Interaktion zwischen dem Beibu-Golf und dem Südchinesischen Meer durch die Meerenge verstärkt haben. Veränderungen in den physikalischen und chemischen Aufzeichnungen seit 9.000 Jahren stehen im Einklang mit regionalen Klimaschwankungen (Abb. 8), die wahrscheinlich auf die kombinierten Auswirkungen der Öffnung der Qiongzhou-Straße und des steigenden Meeresspiegels zurückzuführen sind.

Die aus Küstensedimenten gewonnene Illit-Kristallinität erfasst effektiv regional weithin bekannte Ereignisse der jüngeren Dryas und Bond-Ereignisse seit dem Holozän. Die Ergebnisse zeigen, dass der Illit-Kristallinitätsindex die Einschränkungen der Lithologie und der provenologischen Veränderungen überwinden kann und dass er ein großes Potenzial als Proxy-Index für die Intensität des Sommermonsuns hat, der die regionale chemische Verwitterung an der Oberfläche widerspiegelt. Es ist möglich, die Küstenzone, die die häufigste Land-Meer-Wechselwirkung aufweist, als Standort für die Rekonstruktion des ostasiatischen Monsuns zu nutzen.

Veränderungen in der Illit-Kristallinität spiegeln den Grad der chemischen Oberflächenverwitterung im Quellgebiet wider, die der Intensität des ostasiatischen Sommermonsuns und den sommerlichen Strahlungsschwankungen bei 30° N entsprechen. Der ostasiatische Sommermonsun während der letzten 13.000 Jahre v. Chr. wurde hauptsächlich durch die Sonneneinstrahlung in niedrigen Breitengraden der nördlichen Hemisphäre verursacht. Kalte Klimaereignisse sind global konsistent und können mit den globalen Auswirkungen des Eisschildes in hohen Breiten zusammenhängen.

Unsere physikalischen und chemischen Aufzeichnungen zeigen deutlich einen deutlichen Übergang, der mit der Öffnung der Qiongzhou-Straße und dem Anstieg des Meeresspiegels um etwa 9.000 Jahre vor Christus zusammenfiel. Die kombinierten Auswirkungen dieser Phänomene auf Sedimentprozesse verdeutlichen den Einfluss der Qiongzhou-Straße und des Anstiegs des Meeresspiegels auf die regionale Klimadynamik (Ergänzende Informationen).

Die während der aktuellen Studie generierten und/oder analysierten Datensätze sind auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

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Diese Arbeit wurde vom Key Laboratory of Marine Geological Resources and Environment of Hainan Province Project (ZZ[2020]2019256-02; 22-HNHYDZZYHJKF022), der National Natural Science Foundation of China (Zuschüsse 42272222) und vom Institute of Geomechanics finanziert. Superintendent-Fonds der Chinesischen Akademie der Geologischen Wissenschaften mit der Zuschuss-Nr. DZLXJK202211.

Das Schlüssellabor für geologische Meeresressourcen und Umwelt der Provinz Hainan, Haikou, 570206, China

Dingyong Liang, Guoqiang Xu und Juan Du

Hainan Geological Survey, Haikou, 570206, China

Dingyong Liang, Changjian Xia, Fanglei Gao und Yihua Lin

Institut für Geowissenschaften, Universität Lausanne, 1015, Lausanne, Schweiz

Shuzhuang Wu

Sanya Exploration Institute of Hydrogeology and Engineering Geology, Sanya, 570206, China

Guoqiang Xu

Institut für Geomechanik, Chinesische Akademie der Geologischen Wissenschaften, Peking, 100081, China

Liyun Jia

Umfassendes Institut für geologische Untersuchungen der Provinz Hainan, Haikou, 570206, China

Dingyong Liang

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DL und GX haben die Studie entworfen. FG und DL nahmen die Proben. DL, SW, GX, CX und YL haben das Manuskript geschrieben. JL und CX konzipierten die Studie. FG, SW und GX trugen zur Datenanalyse bei. DL, GX, JD und CX führten die Untersuchungsvalidierung durch. Alle Autoren haben die veröffentlichte Version des Manuskripts gelesen und ihr zugestimmt.

Korrespondenz mit Guoqiang Xu oder Changjian Xia.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Liang, D., Wu, S., Xu, G. et al. Paläoumweltveränderungen in der Küstenzone des nordwestlichen Südchinesischen Meeres während der letzten 13.000 Jahre. Sci Rep 13, 13540 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-40721-5

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Eingegangen: 20. April 2023

Angenommen: 16. August 2023

Veröffentlicht: 19. August 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-40721-5

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