有孔虫壳体 Sr/Ca对冰川旋回中海平面变化的响应

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   (1. 安徽理工大学地球与环境学院,安徽 淮南 232001;2. 中国地质大 学海洋学院,北京 100083)
  摘 要:通过对东北印度洋MD77181和MD81349岩芯近260 Ka以来浮游有孔虫Globigerinoides sacculifer壳体Sr/Ca值的波动分析,讨论了 冰川旋回中古气候和环境的变化对海水中Sr/Ca值的影响。结果表明,冰期内海平面下降带 来的诸多因素是促进东北印度洋区域的海水中Sr/Ca值升高的原因。有孔虫壳体Sr/Ca值的变 化能够作为指示冰期川旋回,尤其是海平面变化的替代性指标。
  关键词:浮游有孔虫壳; Sr/Ca值;海平面;冰川旋回
  
  Sr/Ca Ratio of Foraminifera Shell Response to theChange of Sea Level with Glacial-interglacial Cycles CHEN Ping1,FAN G Nian-qiao2,HU Chao-yong2
  (1. School of Earth Science and Environmental Engineering, Anhui Univ ersity of Science and Technology, Huainan Anhui 232001, China; 2. Marine Institu te, China University of Geosciences, Beijing 100083, China)
   Abstract:Changes of Sr/Ca ratios in shell of planktonic foraminif era Globigerinoides sacculifer in two cores, MD77181and MD81349, from the NE Indian Ocean were analysed and the influence of palaoclimate and environment ch anges with glacier gyration on Sr/Ca ratio in seawater was discussed. The result s show that many factors caused by sea level dropping were responsible for high Sr/Ca ratio in seawater during glacial age. The Sr/Ca ratio of planktonic forami nifera shell can serve as a indicator for the glacial-interglacial cycles, part icularly for the change of sea level.
  Key words: foraminifera shell;Sr/Ca ratio;sea level;glacial -interglacial cycles
  
  通常认为Sr是海水中稳定的元素,大洋中平均滞留时间5.1×106 年,只有在百万年尺 度上Sr在海水中浓度变化的幅度才是有意义的。然而随着测试手段和测试精度的提高,许多 学者对现代大洋Sr浓度的空间变化以及不同地史时期,尤其是第四纪以来,记录在生物壳体 中Sr/Ca值的变化的研究表明,大洋中海水Sr/Ca值在冰期-间冰期旋回的几十万年尺度上的 变化是显著的。碳酸钙沉积速率、河流输入量和海平面变化作为影响因素采用数值模拟的方 法研究第四纪近150ka以来海水中Sr/Ca值的变化表明,第四纪冰川旋回中海平面变化带来海 水Sr/Ca变化的平均幅度可达3%[1] 3 539-3 543。在对赤道印度洋有孔虫壳体Sr/ Ca的研究表明,海水中Sr/Ca值在冰期-间冰期旋回中变化幅度比预计要大,可达5%[2 ]。对现代太平洋和大西洋海水中 Sr浓度和Sr/Ca值变化的系统样品测试和分析表明,Sr 浓度和Sr/Ca值无论平面空间范围还是垂向的深度范围都有较显著的差异,尤其表层海水中S r和Sr/Ca受多种因素(陆地河流和风力输入、岸边文石重结晶作用等)影响显著波动幅度大 ,表层海水Sr的滞留时间仅为(0.058~7)×105万年,比平均Sr在海水中滞留的时间至少低 1个数量级[3]629。由此可见,表层水体中Sr浓度及Sr/Ca值的变化,在冰川旋回的 几万~几十万年时间尺度上,可作为海水化学对古气候与环境变化响应的指标。
  1 海水中Sr与有孔虫壳体Sr/Ca
  大洋中无机和有机成因的CaCO3结晶时,少量的Sr2+可取代Ca2+进入晶体 格架,其中CaCO3晶体中Sr/Ca值与水体中Sr/Ca浓度呈明显的正相关。现代养殖实验表明 有孔虫壳体生长时其CaCO3硬体中Sr/Ca值主要受水中Sr/Ca值的控制[4-5]
  [Sr/Ca]有孔虫=DSr×[Sr/Ca]海水。
  式中:DSr为有孔虫壳体中Sr/Ca值与其生长海水中Sr/Ca值的配比系数。同时,一系 列的养殖实验还证实, 浮游有孔虫壳体的DSr值比无机成因方解石中DSr值更 大, 前者大约为0.16, 后者为0.03~0.12[6]。显然浮游有孔虫壳体中Sr/Ca值对 海水中Sr/Ca值变化的反映更为灵敏,适合作为研究古海水中Sr/Ca值变化的替代性指标。自 Graham等首次将第四纪浮游有孔虫壳体Sr/Ca变化与海水中Sr浓度波动及古气候与古环境变 化联系起来以来,对深海沉积记录中有孔虫壳体Sr/Ca值的研究,逐渐引起人们的注意。
  2 有孔虫壳体Sr/Ca值变化特征本次研究获得了东北印度洋MD77181和MD81349岩芯,岩芯位置如图1所示。有孔虫壳体Globi gerinoides sacculifer的Sr/Ca值,样品处理及测试过程见参考文献[7]。将两岩芯样品S r/Ca随深度(年龄)变化曲线与δ18O曲线对比(见图2)可见Sr/Ca的变化与代表 了第四纪晚期环境特征的各氧同位素期次有一定的对应性,较明显地表现为冰期时Sr/Ca升高而间 冰期Sr/Ca降低的特点。 尤其是MD77181岩芯, Sr/Ca波动幅度大, Sr/Ca最高值为1.52×1 0-3,最低值为1.27×10-3,平均值为1.40×10-3,相对平均值的变化率为 8.40%~ -7.41%,变化幅度为15.81%。其中Ⅱ期和Ⅵ期Sr/Ca高值突出,Ⅲ期内Sr/Ca波 动较频繁,且总体偏高;MD81349岩芯,Sr/Ca总变化幅度小于MD7718, 最高1.44×10- 3, 最低1.27×10-3, 平均1.37×10-3, 相对平均值的变化率为6.54%~-7.21%,变化幅度为13.75%,其中Ⅱ期高 值突出,平均1.41×10-3,而Ⅵ期Sr/Ca值与Ⅲ、Ⅳ期相近但明显高于Ⅴ期(见图2) 。
  图1 岩芯位置图
  图2 MD77181和MD81349岩芯Sr/Ca与δ18 O变化对比图3 Sr/Ca变化对冰川旋回的响应
  冰期-间冰期的气候旋回是控制全球海平面变化的直接因素。采用多因素参数模拟的方法, 分析了150 ka以来海平面变化带来的海水中Sr/Ca值变化,结果表明正是陆源碎 屑量的增大与同期CaCO3沉积通量的增大、海岸暴露条件下文石的重结晶,放大了海水中S r/Ca值的变化幅度[1]3 543-3 545。从本次研究区约260 Ka以来的浮 游有孔虫壳体Sr/Ca值的变化可见,Sr/Ca值从高海平面的暖期向低海平面冰期过渡几乎都是 升高的,各氧同位素期次中代表冰期的Ⅱ~Ⅳ、Ⅵ期的平均Sr/Ca值均高于代表暖期的Ⅰ、 Ⅴ期。虽然MD81349岩芯Ⅳ、Ⅵ期平均Sr/Ca值略低于Ⅰ期但明显高于相邻的Ⅴ期,且氧同位 素Ⅵ期的Sr/Ca高值点较为突出(见图2)。两岩芯的Sr/Ca值波动趋势总体受到了冰川旋回 中海平面升降的控制。
  冰期时随着海平面下降海岸线向大洋推进,陆源碎屑物质通过河流和地下水得以更多地泻入 大洋。此时研究区注入东北印度洋孟加拉湾的恒河、普拉马普特拉河途经喜马拉雅山系两麓 ,携带了大量山系乃至青藏高原的风化产物。现代研究表明,青藏高原隆升岩体的剥蚀是全 球大洋Sr的重要来源,上述两河每年带入大洋的溶解Sr占全球河流输入总量的2.7%[8 ]。研究区MD77181岩芯Sr/Ca值变化幅度大正是由于其地理位置更靠近海岸(见图1), 从而表现出对陆源输入产生更为灵敏的响应。同时,冰期的到来,对太平洋式碳酸盐溶解旋 回的区域来说,海水中CaCO3沉积通量增大,加速了海水中Ca的输出速率,结果也将导致 海水中Sr/Ca值相应升高。研究区东北印度洋属于冰期CaCO3沉积通量增加的海域[9 ],本次研究将MD77181岩芯Sr/Ca值与该岩芯沉积通量变化曲线相对比(见图3),可见 陆源沉积通量高且CaCO3沉积通量大的Ⅱ~Ⅳ期及Ⅵ期对应了Sr/Ca值的最高值区。结果必 然加剧了这一时期Sr/Ca值的升高。
  现代研究表明沉积于近岸浅水下的文石质珊瑚硬体和某些钙藻中Sr含量远远高于方解石质的 碳酸钙沉积[10],冰期时海平面下降带来了近岸海域的大范围出露,使富Sr的文石 大量暴露出水面,由于文石在大气环境中是不稳定相矿物,很快会发生重结晶而转变为方解 石,这时重结晶形成的岸边方解石中Sr/Ca值比原来文石中Sr/Ca值低75%~90%[11] ,在此过程中释放出的大量的Sr经过河流和地下水作用又迅速返回大洋,尤其增高了近岸表 层海水的Sr/Ca值。
  在一些特殊地区,除地表水和地下水作为Sr传输媒介外,风力给大洋带入的Sr元素,有时也 非常可观。如现代北非西海岸大西洋表层水中Sr、Fe、Al等微量元素浓度的偏高很可能是西 风将沿岸撒哈拉沙漠中剥蚀的元素带入的结果[3]632。研究区东北印度洋地处南亚 季风的控制区,冰期时,较强的东北季风自亚洲大陆吹向孟加拉湾,也是增加海水尤其是表 层海水Sr含量的不可忽略的因素。MD77181岩芯氧同位素Ⅵ期Sr/Ca值明显升高,该阶段不仅 陆源输入量增大,且粒度偏细(粒径小于3.9 μm的颗粒较为突出),很可能是 风力输送增强的表现(见图3),表明冰期东北季风在研究区的增强也是提高海水Sr/Ca值的 因素之一。
  图3 MD77181岩芯沉积通量与Sr/Ca值变化对比图
  4 结论
  冰川旋回带来的海平面变化是海水中Sr/Ca值波动的主控因素,进而导致有孔虫碳酸钙硬体 壳质中Sr/Ca值的相应变化。冰期内海平面下降,诸多因素的影响,如近岸文石的暴露和重 结晶、海洋CaCO3沉积通量的增大、河流,陆源输入量的增多等,都是促进东北印度洋区 域的海水中Sr/Ca值升高的原因。同时该区内冰期强化的东北季风也是带来海水中Sr/Ca值升 高的因素之一; 而间冰期则相反,由于海平面的上升,暴露的海岸重又浸入海水,文石得 以保存,海洋CaCO3 沉积通量降低,陆源物质输入量减少,以及东北季风减弱一系变化导 致了Sr/Ca值相对下落的结果。有孔虫壳体Sr/Ca值的变化能够作为指示冰期川旋回,尤其是 海平面变化的替代性指标。
  
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  (责任编辑:宋晓梅)
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