冰筏碎屑磁学特性揭示北大西洋海因里希事件中花岗岩源磁铁矿的主导作用

《Geochemistry, Geophysics, Geosystems》：Ice-Rafted Detritus of the Southeast Grand Banks Slope, Newfoundland, Throughout Heinrich Layers 1 to 5a: 2. Magnetic Properties

本文通过系统分析加拿大纽芬兰东南岸Grand Banks斜坡岩芯GeoB18530-1中海因里希层（HLs）H1至H5a的冰筏碎屑（IRD）磁学特性，揭示了HLs磁化率（MS）最大值主要由源自加拿大克拉通花岗岩的多畴（MD）磁铁矿引起，而非传统认为的弱磁性白云石IRD。研究结合岩石磁学、地球化学和沉积学数据，证实花岗质碎屑（以K/Fe为指标）的磁性增强作用被同期沉积的白云石质碎屑（以Ca/Sr为指标）部分抵消。研究还发现，通常无法识别的粉砂级IRD对总磁化率的贡献远大于砂级IRD，暗示细粒IRD可能受洋流分选和再沉积影响。该研究为理解北大西洋冰期沉积物的磁性信号来源和IRD传输机制提供了新的见解。

　　

引言

海因里希事件（HEs）是末次冰期北大西洋发生的、由劳伦泰德冰盖（LIS）大规模涌出携带大量碎屑的冰山事件。这些事件形成了横跨北大西洋、富含冰筏碎屑（IRD）的海洋标志层，即海因里希层（HLs）。HLs最典型的特征是富含来自哈德逊湾地区的弱磁性白云石质IRD。然而，与直觉相反的是，位于Ruddiman IRD带内的HLs却普遍表现出磁化率（MS）的最大值。这一岩石磁学谜题是本研究第二部分的核心关注点。本研究在第一部分对同一岩芯（GeoB18530-1）中HLs H1至H5a及其间层（ILs）的IRD岩石学分析基础上，系统测量了整体沉积物的岩石磁学参数、主量元素和粒度数据，并对22种已分类的IRD岩性进行了岩石磁学分析，旨在解析不同磁性IRD组分与冰川海洋背景沉积如何共同塑造观测到的磁化率记录。

材料与方法

本研究所有分析均基于德国-加拿大RV Maria S. Merian 航次MSM39在纽芬兰东南Grand Banks斜坡（水深1888米）采集的重力岩芯GeoB18530-1。研究聚焦于对应于海洋同位素阶段（MIS）3和MIS 2的550–1050厘米深度段，该段完整记录了HLs H1至H5a。研究使用了216个连续的立方体样品（6.2 cm³）进行岩石磁学分析，以及平行的216个注射器样品进行IRD分选、计数和岩性分类。岩石磁学测量包括质量磁化率（χ）、等温剩磁（IRM）和非磁滞剩磁（ARM）。利用MAX UnMix软件对IRM矫顽力谱进行拟合，以识别磁性矿物组成。此外，还对选自HL1、IL1和HL2的沉积物样品进行了详细的粒度分级（17个粒级）和粒级特异性磁化率分析，以探讨磁性矿物的粒度分布。

整体沉积物的岩石磁学、地球化学和沉积学特性

样品测量的干质量磁化率（χ_db）记录显示，HLs的平均MS（8.9 × 10^?7 m³/kg）比ILs的平均MS（7.7 × 10^?7 m³/kg）高出约15%，证实了HLs存在磁性增强。对剩磁参数的分析表明，代表粗颗粒多畴（MD）磁铁矿含量的IRM_20mT与MS高度相关（HLs中Pearson's r = 0.82），且HLs中的磁铁矿颗粒普遍较粗（SIRM/χ比值较低）。相反，代表细颗粒单畴（SD）磁铁矿的ARM_100mT以及代表赤铁矿含量的HIRM在ILs中更为富集，并在HLs中被稀释。

地球化学指标为解释磁性信号提供了关键证据。Ca/Sr比值作为白云石质IRD的代理，在HLs中显著升高。而K/Fe比值作为花岗质IRD的代理，在HLs中也呈现升高趋势，但其变化模式与Ca/Sr不同。值得注意的是，尽管K/Fe和Ca/Sr在HLs内部均呈正相关（r = 0.86），但它们与MS的单独相关性却很弱。通过多元线性回归建立的三维散点图清晰显示，MS受到花岗质IRD（磁性增强）和白云石质IRD（磁性稀释）共同作用的控制，其关系可表示为：χ = 7.84×10^-7 + 1.05×10^-7 × (K/Fe) - 0.69×10^-7 × (Ca/Sr)。

沉积学记录显示，HLs中>125 μm的IRD重量百分比（平均15.0 wt%）高于ILs（平均9.2 wt%）。然而，MS与>125 μm IRD含量或>1 mm IRD计数的相关性很低甚至为负，表明粗粒IRD并非MS变化的主控因素。孔隙度（Φ）与MS呈显著负相关（r = -0.50），这被解释为IRD的加入改变了沉积物的粒度组成和堆积结构，从而影响了孔隙度，并间接反映了IRD的输入。

已分类IRD岩性的磁性特性

对22种已分类IRD岩性的磁性测量揭示了其巨大的磁化率差异，范围从近乎纯抗磁性的石英（-2 × 10^?9 m³/kg）到富含磁铁矿的角闪岩（7.6 × 10^?6 m³/kg）。仅有6种岩性的MS高于背景沉积物，包括白云母-黑云母花岗岩、黑云母花岗岩、角闪花岗岩、斜长花岗岩、黑曜岩和角闪岩。其中，白云母-黑云母花岗岩IRD不仅MS值高（28 × 10^?7 m³/kg，约为背景值的4倍），而且在HLs中丰度最高（HLs中占比17.1%），使其成为HLs磁性增强的最主要贡献者。与之相反，鲕状白云石IRD虽然丰度高（HLs中占比36.6%），但其MS远低于背景沉积物，起到了磁性稀释剂的作用。IRM矫顽力谱分析进一步证实，花岗质IRD以低矫顽力的MD磁铁矿为主，而火山岩质IRD（如玄武岩、黑曜岩）则含有更细的SD/PSD磁铁矿。富含赤铁矿的岩性（如红色泥岩、石英杂砂岩）则主要与ILs相关。

定量估算表明，仅考虑>125 μm的已分类IRD，其对整体MS的贡献在ILs和HLs中分别仅占约9%和13%，这远不足以解释HLs中观察到的MS增幅。这强烈暗示，对MS起主导作用的磁性矿物可能主要存在于更细的、无法通过显微镜识别的粉砂级IRD中。

冰川海洋沉积物的经验与概念性MS模型

粒度分级磁化率分析证实了上述推断。分析显示，磁性最强的颗粒并非最粗或最细的粒级，而是集中在40–125 μm的“粗粉砂-极细砂”粒级。该粒级对整体MS的贡献最大（26%–49%），且其MS值在样品间变化剧烈。而>125 μm的岩屑IRD具有较低的比磁化率，对整体MS的贡献较小。>1 mm的可分类IRD颗粒由于其随机分布和低含量（<5 wt%），对整体MS的影响微乎其微。

研究尝试了多种线性回归模型来预测MS记录。基于岩石磁学参数（IRM_20mT和SIRM/χ）的模型预测效果最佳（r = 0.90），凸显了粗粒MD磁铁矿的主导作用。基于地球化学代理（Ca/Sr和K/Fe）的模型也能较好地再现MS的长期变化 pattern（r = 0.58）。然而，基于已分类IRD>1 mm计数的模型预测能力最差（r = 0.33-0.48），其回归系数甚至出现与岩石磁学常识相悖的情况。这进一步证明，基于整体沉积物物理化学性质的参数更能有效捕捉主要由细粒IRD和背景沉积物变化所控制的MS信号，而粗粒IRD的计数由于其随机性和代表性不足，不适合用于精确的磁性质量平衡计算。

结论

本研究成功解开了海因里希层磁化率增强之谜。HLs的MS最大值主要由源自加拿大克拉通花岗岩（特别是白云母-黑云母花岗岩）的粗粒多畴（MD）磁铁矿所引起。尽管弱磁性的白云石质IRD在HLs中占主导地位并对MS产生稀释效应，但花岗质IRD更强的磁性增强作用足以在整体上导致MS升高。研究还发现，对MS起关键作用的磁性矿物主要存在于40–125 μm的细粒IRD中，这些颗粒通常无法通过显微镜识别，但其磁学效应可通过块体磁学和地球化学测量来量化。沉积证据表明，这些细粒物质可能并非全部直接来自上方冰山的融化，部分可能经历了洋流和重力流的再搬运和分选。这项研究深化了对北大西洋冰期沉积物磁性信号成因的理解，强调了结合岩石学、磁学和地球化学多指标分析对于准确解读古环境记录的重要性。