大洋有孔虫中硼同位素研究与大气pCO_2的重建

大气二氧化碳浓度(pCO2)的变化在全球气候演化中起着重要的调节作用,重建古大气pCO2的变化历史,有助于预测和研究未来的全球气候变化。大洋有孔虫中的硼同位素比值能够反映海水酸碱度的变化,从而为重建大气二氧化碳浓度的变化历史提供了一种新的手段。文中首先简要回顾硼同位素的研究现状,利用硼同位素重建大气二氧化碳浓度变化的原理依据,在此基础上,测试分析了西赤道太平洋806孔全新世和末次冰期最盛期Globigerinoides ruber样品中的硼同位素,得到该地区全新世和末次冰期最盛期大气二氧化碳体积分数分别为(276.7±24)×10-6(2s.d.)和(178.4±16)×10-6(2s.d.),与极地冰心记录吻合得很好。大洋有孔虫中的硼同位素是一个非常有潜力的古海水酸碱度替代指标。     

浮游有孔虫个体大小对硼同位素分析的影响

对比分析了太平洋(Site 806)、大西洋(Site 664)和加勒比海地区(Site 999)末次冰期最盛期和全新世钻孔顶部不同尺寸大小的浮游有孔虫Globigerinoides sacculifer(500～600μm和300～355μm)和Globi-gerinoides ruber(300～355μm和250～300μm)的硼同位素组分变化,发现个体相对较小的有孔虫样品由于受到样品量以及样品前处理过程的影响,其硼同位素在末次冰期最盛期出现异常,浮游有孔虫硼同位素分析,尤其是冰期-间冰期时间尺度上的硼同位素分析,适合用个体相对较大的有孔虫。末次冰期最盛期太平洋和加勒比海地区溶解作用可能加强,其G.sacculifer的硼同位素偏低,但G.ruber的硼同位素不受溶解作用的影响,能够反映末次冰期海水pH值的变化。三个钻孔末次冰期最盛期G.ruber的硼同位素比全新世的硼同位素平均高(1.3±1.2)‰(2s.e.),与理论预测值1.6‰一致。     

陆相断陷盆地的构造层序地层分析

海洋浮游有孔虫中的硼同位素能够反映海水酸碱度的变化,从而为重建大气二氧化碳浓度的变化提供了一种新的手段,有望提供目前极地冰心记录所无法企及的百万年甚至千万年时间尺度上的大气二氧化碳浓度的变化。最近,海洋浮游有孔虫硼同位素的研究在实验分析技术(负热电离质谱法)、实验室偏差、同位素分馏系数、海水硼同位素长期变化以及各种次要因素等方面都取得了长足的进步,尤其是全蒸发负热电离质谱法的建立使硼同位素分析的样品需求量降到纳克级以下。不过,尽管海洋浮游有孔虫中的硼同位素作为大气二氧化碳浓度的替代指标很具有潜力,但还需要进行更加深入地研究。     

负热电离质谱法测试硼同位素与大气pCO2的重建

海洋有孔虫的硼同位素能够反映海水酸碱度值的变化,为研究大气CO2浓度在长时间尺度上的变化提供了一种新的手段,甚至可能超出冰芯所能企及的范围.天然样品中硼同位素的测定方法最为常用的是热电离质谱法,分为正热电离质谱法与负热电离质谱法.目前海洋有孔虫硼同位素分析主要应用负热电离质谱法,该方法最大的优点是所需要的样品量比较小(<1ng B),实验精度却相对比较高(0.6‰～2.0‰;2s.d.).近年来,基于常规负热电离质谱法发展的全蒸发负热电离质谱法通过分析完所有样品而有效降低分析过程中所发生的分馏效应所带来的影响,并使样品的信号最大化,该方法精度能够达到0.7‰(2s.d.).本文详细介绍了常规负热电离质谱法和全蒸发负热电离质谱法的各个分析步骤,包括样品前处理、涂样、质谱分析、同质异位素干扰以及实验分析精度等方面.随着实验分析技术的进展,海洋有孔虫硼同位索已被用来重建长时间尺度(百万年和千万年)和短时间尺度(冰期-间冰期)的大气CO2浓度变化.现有的研究证实利用海洋浮游有孔虫硼同位素重建的大气CO2浓度变化与Vostok冰芯记录的大气CO2浓度变化吻合地很好.     

负热电离质谱法测试硼同位素与大气pCO2的重建

海洋有孔虫的硼同位素能够反映海水酸碱度值的变化,为研究大气CO₂浓度在长时间尺度上的变化提供了一种新的手段,甚至可能超出冰芯所能企及的范围。天然样品中硼同位素的测定方法最为常用的是热电离质谱法,分为正热电离质谱法与负热电离质谱法。目前海洋有孔虫硼同位素分析主要应用负热电离质谱法,该方法最大的优点是所需要的样品量比较小（＜1ng B),实验精度却相对比较高(0.6‰～2.0‰;  2sd.)。近年来,基于常规负热电离质谱法发展的全蒸发负热电离质谱法通过分析完所有样品而有效降低分析过程中所发生的分馏效应所带来的影响,并使样品的信号最大化,该方法精度能够达到0.7‰(2s.d.)。本文详细介绍了常规负热电离质谱法和全蒸发负热电离质谱法的各个分析步骤,包括样品前处理、涂样、质谱分析、同质异位素干扰以及实验分析精度等方面。随着实验分析技术的进展,海洋有孔虫硼同位素已被用来重建长时间尺度(百万年和千万年)和短时间尺度(冰期-间冰期)的大气CO₂浓度变化。现有的研究证实利用海洋浮游有孔虫硼同位素重建的大气CO₂浓度变化与Vostok冰芯记录的大气CO₂浓度变化吻合地很好。     

壳-幔演化和板块俯冲作用过程中的硼同位素示踪

硼同位素是近年来发展起来的一门新兴的稳定同位素地球化学方法。硼有两个稳定同位素 :10 B和11B。硼同位素组成自然界变化十分大 ,δ11B值为 - 37‰～ +58‰。对地幔岩石的硼同位素研究表明 ,原始地幔的δ11B值为 - 10‰± 2‰ ,B的质量分数估算为 (0 2 5± 0 1)×10 -6。相对而言 ,地壳岩石的B含量和δ11B值均较高。由于壳、幔岩石具有不同的B含量和δ11B值 ,硼同位素已被广泛应用于研究壳幔演化和板块俯冲作用过程 ,用于示踪俯冲板块中大洋沉积物和蚀变洋壳在地幔中的循环。     

南海北部海水氧同位素剩余值在冰期-间冰期气候旋回中的变化及其古气候意义

氧同位素剩余值(Δδ)是指从浮游有孔虫氧同位素中扣除温度和全球冰量效应后得到的剩余值,它一般被用作海水古盐度变化的代用指标。文中给出了南海北部三个柱状样在氧同位素6期至5期(MIS6-5)和MIS2-1期间Δδ的变化曲线。末次冰期与全新世和倒数第二次冰期与末次间冰期的对比表明,Δδ在冰期比随之而来的间冰期低。冰期海平面下降和海岸线前移可能是冰期Δδ及盐度相对降低的原因。但在定量了解海平面下降、珠江口前移及现代盐度的分布情况后,笔者否定了海平面下降对Δδ变化的主要影响。因此,冰期南海地区降水相对增大和气候变湿可能是导致冰期Δδ偏低的主要原因。末次间冰期与全新世相比,Δδ明显增大,表明海水盐度增加。这可能与末次间冰期期间由于表层海水温度较高,厄尔尼诺事件频繁和海水蒸发量较大有关。     

古大气CO2浓度重建方法技术研究现状

温室气候引起的全球气候变暖越来越引起人们的关注,大气中不断上升的CO2浓度被认为是导致气候变暖的主要因素.地史时期大气CO2浓度变化与温室气候可能存在类似的关系,可提供参考,因而古大气CO2浓度重建是首要任务.总结近年来古大气CO2浓度重建的进展,重点介绍GEOCARB模型模拟、植物叶片气孔参数和同位素指针的方法和技术.GEOCARB模型是反映全球古大气CO2浓度长期变化的碳相关模型;气孔参数方法是使用气孔比例来估计古大气CO2浓度;同位素指针包括成壤碳酸盐、浮游植物有机质生物标记物、钙质浮游有孔虫、古苔藓植物等,其中成壤碳酸盐碳同位素方法使用最为广泛.国内只是在叶片参数研究方面有一些进展,古大气CO2浓度重建工作任重而道远.     

苏北盆地末次间冰期以来的气候变化记录

通过对苏北盆地 XH1 钻孔上部 25 m 沉积岩心的研究,重建了苏北盆地末次问冰期以来的气侯环境变化.根据对苏北盆地 XH1 钻孔岩心地层年代、质量磁化率、孢粉的研究,可以较为清晰地划分出末次间冰期--深海氧同位素 5 阶段(25.0～16.5 m)、末次冰期早冰阶--深海氧同位素 4 阶段(16.5～12.5 m)、末次冰期间冰阶--深海氧同位素 3 阶段(12.5～9.5m)、末次冰期冰盛期--深海氧同位素 2 阶段(9.5～5.8 m)、冰后期--深海氧同位素 1 阶段(5.8～0 m).XH1 钻孔记录与深海沉积物氧同位素和古里雅冰心氧同位素的对比研究表明,它们之间有着较好的一致性,但苏北盆地 XH1 钻孔记录与我国西部古里雅冰心记录更为相似,这可能揭示了气候环境变化在全球背景下的区域性特征.     

长链烯酮在古大气二氧化碳分压重建的应用

大气二氧化碳浓度的变化与全球冰盖变化、温度、海平面变化密切相关,了解过去大气二氧化碳浓度的变化及对二氧化碳与气候之间关系的研究,是预测未来气候变化的重要手段。长链烯酮碳同位素是重建古大气二氧化碳分压(p CO2)的重要指标之一,广泛应用于新生代以来大气二氧化碳的重建。对长链烯酮重建大气二氧化碳的方法进行了综述,介绍了颗石藻长链烯酮的地球化学性质,回顾了二氧化碳被动扩散模型的发展、长链烯酮重建二氧化碳的指标的发展及其不确定性,颗石藻的碳浓缩机制以及新生代以来长链烯酮重建大气二氧化碳的地质记录。     

西北干旱区石羊河流域末次冰期晚期气候不稳定性记录

通过对我国西北干旱区石羊河流域三角城末次冰期最盛期晚期-晚冰期地层剖面沉积物中有机质碳同位素分析,表明在季风边缘带的沉积地层中较详细地记录了这一时期气候快速颤动,发生千年至百年尺度的冷干-温湿变化,高分辨的有机质碳同位素组成与GRIP氧同位素组成有较好的可比性,表明与全球古气候变化有明显的联系,也反映在末次冰期最盛期与晚冰期过渡期气候温湿,陆地植被比较发育,可能与东亚季风有关。有机质碳同位素这一指标对气候记录较敏感,是重建干旱区高分辨古气候演化模式十分有效的手段,在季风交汇带能灵敏地记录到气候快速变化。     

基于银杏类化石Baiera furcata气孔参数定量 重建中生代古大气CO2浓度变化

大气CO2与地球温室气候变化有密切的关系,化石植物气孔参数已被证明是一种较精确重建古大气CO2的生物指标。从甘肃下侏罗统大西沟组、中侏罗统窑街组和内蒙古霍林河下白垩统霍林河组采集了角质层保存完好的B. furcata,对其表皮构造进行了细致分析,详细统计了该种下表皮的气孔参数。应用B. furcata与它最近现存亲缘种Ginkgo biloba的气孔比率,定量重建了早侏罗世Toarcian、中侏罗世Aalenian和Bajocian以及早白垩世Hauterivian的古大气CO2浓度,它们分别是(1263±71)×10﹣6、(1388±24)×10﹣6、(1599±31)×10-6和(1899±198)×10﹣6,结果与Berner全球碳平衡模型GEOCARB I—Ⅲ中CO2浓度变化曲线吻合,证明B. furcata是恢复古大气CO2浓度的良好生物指标。结合我们以前利用陆生植物恢复中生代古大气CO2浓度的结果,发现恢复的中生代大气CO2值均在GEOCARB I—Ⅲ模型中的低值区内,据此推测中生代陆相环境大气CO2要低于海相环境的值。此外,在各地的B. furcata下表皮中均发现了气孔簇,认为这是B. furcata对环境适应的结果。     

马鞍坪温泉气体成因地球化学研究

从赣中马鞍坪地区采集了 11个水样分析了温泉及冷泉的氢、氧同位素组成 ,得出温泉水起源于大气降水补给。在此基础上 ,对 4个温泉采集了气样 ,测定了气体组成的含量和氦同位素组成 ,以及二氧化碳的碳同位素 ,结果表明 :马鞍坪地区地热气体为二氧化碳型 ,温泉气的二氧化碳含量很高 ,占总体积的 97%以上 ,二氧化碳气体的δ1 3C值变化于 -4 18‰～ -7 0‰ ,平均为 -5 .63‰ ,为变质无机成因和幔源无机成因的混合物 ;其3He/4He比值变化于 (1.72± 0 .15 )×10 7～ (2 .5 5± 0 .19)× 10 - 7之间 ,R/Ra值均小于 1,属壳源成因     

深海氧同位素第3阶段时期东亚季风区大气湍流特征

深海氧同位素第3阶段是末次冰期中的一段特殊时期,与全新世存在一定的相似性.为了深入分析深海氧同位素第3阶段时期的大气环境特征,本文利用黄土粒度的多组分特征,根据流体力学原理,指出其动力学原因是粉尘在搬运过程中风力、湍流和颗粒重力共同作用下形成的分选结果;黄土-古土壤粒度分布中的粗、中粒组分中值粒径近似反映了源区起尘时和沉降区降尘时近地表大气湍流强度的变化.对渭南地区黄土剖面的分析发现,末次冰期深海氧同位素第3阶段以来在中国黄土区存在大致以4千年为周期交替出现的强湍流期与弱湍流期,强湍流期对应于降温事件,如Heinrich事件,并存在着3种源区环境控制的不同大气湍流类型;在深海氧同位素第3阶段粉尘源区和沉降区都存在两种不同大气环境类型在时间上的频繁同步交替,具有高度的不稳定性和周期性波动特点,与末次冰盛期的大气环流模式可能相似,而与全新世不同;同时在该时期的强湍流降温期源区进退较明显、沉降区环境稳定,而弱湍流期源区较稳定、沉降区大气环境变化较大.     

千百年尺度气候快速变化及其数值模拟研究进展

千百年尺度全球气候快速变化是古气候研究中的一个重要内容。研究发现，末次冰期和全新世都存在着千年、百年尺度的快速气候变化，其变化幅度可以达到典型的地质变化或天文因子所造成的冰期/间冰期的气候振荡幅度，同时这些古气候事件具有全球性。对冰期和全新世气候变化的数值模拟揭示了气候系统对地球轨道参数变化的响应以及海洋、植被、冰盖、温室气体等反馈因子的重要性,其中大洋温盐环流对北大西洋淡水注入的敏感性与末次冰期和全新世气候快速变化密切相联。利用中等复杂程度的气候模式（EMIC）CLIMBER 2模拟了末次冰期典型时段（60~20 ka BP）D/O和Heinrich事件以及东亚气候的响应过程。模拟研究揭示了全新世青藏高原冰雪环境对亚洲—非洲季风气候的显著影响。今后的古气候模拟研究将在改进模式分辨率、结合古气候代用资料确定更加符合历史时期边界条件以进一步改善气候模式的基础上,更加注重气候突变机制的研究以及加强全球变化背景下的区域气候的长期变化研究。     

有孔虫壳体的Mg/Ca比值在古环境研究中的应用

有孔虫壳体的Mg/Ca比值测定是目前估算海水古温度最受重视的方法,适用于低纬和高纬、表层和深层海水古温度的测定。该方法理论误差仅为±1.1℃,考虑到盐度以及海水pH值的影响,其误差为±1.3℃。运用此法推算出的热带海区表层海水温度领先于全球冰盖的变化,是热带过程调控冰期旋回最强有力的证据之一;与氧同位素相结合,还成功地运用于全球冰量的估算,是目前古环境研究中较常用的古温度测试手段。     

末次盛冰期以来苏拉威西海区上层海水对快速气候变化的响应

通过对苏拉威西海MD98-2178站位浮游有孔虫定量分析、表层浮游有孔虫Globigerinoides ruber壳体镁钙(Mg/ca)比值反演海表温度(SST),并结合表层和次表层浮游有孔虫氧、碳同位素,探讨末次盛冰期以来,苏拉威西海区温度、盐度、生产力、温跃层深度变化及其对快速气候变化的响应.研究发现:末次盛冰期苏...     

南海北部天然气水合物远景区末次冰期以来底栖有孔虫稳定同位素特征及其影响因素

底栖有孔虫碳同位素负偏移是地质记录中天然气水合物释放的重要证据之一.对南海北部西沙海槽和东沙陆坡等天然气水合物远景区XH-27PC和DS-4PC柱状样分别进行顶空气甲烷含量分析、有机碳含量分析、粒度分析和有孔虫氧碳同位素分析.结合碳酸盐含量及AMS 14C测年,揭示研究区末次冰期以来底栖有孔虫的稳定同位素特征.结果显示:西沙海槽BSR区沉积物中甲烷含量较低;底栖有孔虫碳同位素负偏不明显,与顶空气甲烷含量呈弱正相关(R=0.32),与有机碳含量有强负相关(R=-0.82),说明低通量甲烷不足以引起底栖有孔虫碳同位素显著偏移,在无甲烷或甲烷轻微渗漏的环境中有机碳的厌氧氧化是影响底栖有孔虫碳同位素组成的主要因素.东沙陆坡BSR区沉积物中含有大量的甲烷气体;底栖有孔虫氧同位素记录在末次冰期异常偏重,可能与天然气水合物的分解释放有关;同时可识别出多期碳同位素快速负偏事件,其成因很可能是末次冰期海平面下降导致海底沉积物的温度、压力条件发生变化,从而引发水合物甲烷失稳分解,底栖有孔虫吸收富12C的甲烷源碳致使壳体碳同位素负偏移.     

孟加拉湾晚第四纪的季风气候及其古海洋学记录

分析了研究区季风的形成、演变及其控制因素 ,指出强烈的盐度对比是在北印度洋占主导地位的季风气候系统的直接反映。通过位于孟加拉湾地区的 3支岩心 MD771 81、MD771 83和MD771 69的 δ1 8O值所反映的表层海水盐度变化的分析 ,认为研究区全新世及末次冰期—间冰期氧同位素第 3期西南季风强烈 ,末次冰期最盛期氧同位素第 2期西南季风微弱。通过与阿拉伯海等地区进行对比 ,进一步证明南亚季风的主要驱动因素是周期为 2 3 ka的低纬度太阳辐射。     

大洋环流型式转换在冰期旋回中的作用及经典第四纪冰期理论质疑(续)

大洋环流型式转换在冰期旋回中的作用及经典第四纪冰期理论质疑(续)汉景泰Ｗ．Ｓ．Ｆｙｆｅ(加拿大西安大略大学地质系)４问题及讨论大洋环流－气候学说认为从冰期到间冰期海洋－大气系统全球性巨型再组合导致了末次冰期的终止。