热带海洋珊瑚Sr／Ca、Mg／Ca温度计的研究及其意义

热带海洋珊瑚Sr／Ca、Mg／Ca温度计的研究及其意义 热带海洋珊瑚Sr,Ca、Mg,Ca温度计的 研究及其意义 ISSN1009—2722MarineGeologyLetters海洋地质动态2004,20(9):1—9 文章编号:1009—2722(2004)09—0001?09 热带海洋珊瑚Sr/Ca,Mg/Ca 温度计的研究及其意义 程继满,刘弈,彭子成,贺剑峰,刘桂建 (1中国科学技术大学地球和空间科学学院,合肥230026;2中国科学院地球环境研究所黄土与第四纪地质国家实 验室,西安710075) 摘要:珊瑚以其独特的生物学及生态学特性成为研究热带海洋环境的重要信息载体.阐明了珊 瑚微量元素Sr/Ca,Mg/Ca温度计的建立基础,测定方法,研究成果,环境意义,争论问及进一步 研究的设想.多种海表温度计的对比研究,为现代和古海洋环境的重建,探索气候的变率与特征事 件(冷暖,旱涝,ENSO等)的关联以及为预测未来气候变化的趋势提供科学的判据. 关键词:珊瑚;微量元素比值;海表面温度计;环境意义 中图分类号:P532/Q915,813.3文献标识码:A 环境问题已经成为人们关注的焦点.要预 知未来环境的变化就需要了解现代和过去环境 的演变历史.热带海洋对全球气候和环境变化 有巨大的影响,对全球灾害性气候的形成起着 极其重要的作用.南海是中国的热带海洋,位 于西太平洋暖池的延伸海域,对东亚乃至全球 的气候与环境有着深远的影响.海表面温度 (SeaSurfaceTemperature,SST)在全球变化 中占有举足轻重的地位,因为SST直接影响到 海气交换,是控制全球大气环流的热源指标. 此外,SST还与许多重要的气候现象有关,如 EINino.对于EINino这种气候现象,至今也 只有最近数十年的海表温度器测记录.这种记 录太短,以至不能判定ElNino的强度和频率 的变化是来自自身的作用,还是由宇宙辐射或 收稿日期:2004—05—12 基金项目:中国科学院知识创新工程项目(KZCX2-SW一 ?8,KZCx_3一SW,120);国家科技部基础研究重大项目 (2001CCB00100);国家自然科学基金项目(40176031);中科院 地球环境研究所黄土与第四纪地质国家实验室开放基金项目 (SKLLQG0324) 作者简介:程继满(1979一),男,硕士研究生,从事热带海 洋珊瑚环境研究. 火山爆发等外部因素驱使的结果L】].当今,人 们对ElNino的产生机制和发展过程仅有初步 的认识.为了能探索出更好的模式来解释和预 测这种灾害性的气候现象,有必要将EINino 的记录追溯到百年尺度以前,评估它的发生,频 率,幅度和环境效应.Cobb等[2将生活在太平 洋中部不同时期的珊瑚化石拼接起来,重建了 近千年来ENSO强度和频率的变化.显然, SST器测记录在这个时间尺度上是不可能有 的. 珊瑚温度计的建立 南海广泛分布的造礁珊瑚以其生长快速 (约0.8,1.5cm/a),连续(300,500年或更 久),骨骼形成后成为同位素封闭体系并适于定 年等生物学和生态学的特性,准确记录了过去 生长环境的演变历史,是研究热带海洋环境理 想的信息载体,倍受环境科学工作者的重视. 根据珊瑚生长受到SST及其他因素的影响,人 们可从珊瑚中提取几十,几百年以来连续,高分 辨率(周/月)的温度记录,成为反映海表环境变 化的温度计.目前,从已有的研究表明,珊瑚温 2MarineGeologyLetters海洋地质动态2004年9月 度计通常分为以下3类. 1.1利用珊瑚骨骼的稳定同位素建立的温度 计 通过SST影响稳定同位素在珊瑚骨骼和 海水间的分馏系数,导致珊瑚中稳定同位素的 组成变化.Urey[3发现在平衡条件下从水中 沉淀出来的碳酸钙中的氧同位素组成与水温呈 函数关系,可以根据矿物与水之间的同位素分 馏系数来计算矿物形成时的温度.珊瑚骨骼是 由生物成因的碳酸钙(文石)组成,这就为利用 珊瑚骨骼的碳酸钙建立古温度计提供了可能. 1972年Weber等[4首先发现珊瑚骨骼的O 与海表温度(SST)之间存在线性关系,可利用 珊瑚骨骼的O重建过去海表温度的变化. 迄今为止,已有珊瑚骨骼0与表层海水温度 之间的温度计方程超过7O个[5... 1.2利用珊瑚自身的生长参数建立的温度计 对珊瑚的生长过程可引伸出两个基本参 数:生长率和钙化率.生长率是指珊瑚骨骼生 长轴上每年的密度带宽度(cm/a),而钙化率是 指生长率与年平均骨骼密度的乘积(g/cm.? a).当环境条件适宜时,珊瑚生长快,骨骼密度 低;而不适宜时则相反.这种环境的主要控制 因素是海温和日照LJ?.由珊瑚生长参数与 SST之间的模式方程,可以重建珊瑚的生长率 与钙化率温度计Ll卜?]. 1.3利用珊瑚骨骼中化学元素含量的比值建 立的温度计 通过SST影响微量元素在珊瑚骨骼(文 石)和海水间的分配系数,导致珊瑚中微量元素 (如Ca,Sr,Mg)相对含量发生变化.为此,可 以利用珊瑚的微量元素比值进行SST的重建, 成为相应的Sr/Ca温度计,Mg/Ca温度计和 U/Ca温度计等[1引. 除了上面提到的有关温度计以外,目前还 开发了很多关于珊瑚的环境代用指标,如珊瑚 的荧光记录,可用来反映近岸河流的径流量及 沿岸降雨量[1"?;珊瑚骨骼的Ba/Ca比值则主 要反映了海水上涌流与近岸降雨量_l阳;珊瑚骨 骼中的稀有元素可用来反映河流的注入量口; 还有珊瑚骨骼中的重金属元素如Cd,Pb,Mn 等可用于示踪海洋的污染状况_2.'.?. 目前,发表珊瑚的0温度计的研究成果 较多.然而,珊瑚的艿O值除了主要受SST 影响外,还会受到海水的盐度,光照,水体营养 状况等因素的制约].我们在研究海南岛海域 的滨珊瑚时,还发现在相应的夏季,即七八月 份,珊瑚的O值偏正.通常来说,夏季期间 海南地区降雨增多,其O应该偏负.重复实 验的结果可能揭示:海南岛海域夏季时蒸发加 强,使海水中的O值偏正;或是洋流在夏季 时从底层运移至海表面,使表层海水的O值 偏正.多种因素影响珊瑚的80值,造成与 SST相关性的下降,使温度计的测量精度也相 应地降低.为此,在建立海表温度计时,最好同 时选择另一种体系的温度计,开展对比研究,使 重建古气候与环境以及对特征事件的研究更为 可靠. 基于上述的思考,本文将对目前主要的 Sr/Ca和Mg/Ca温度计的研究进展和环境意 义进行讨论,并对进一步工作提出设想. 2基础 由亨利定律可知[2引,在一定条件下,稀溶 液中溶质的活度与溶质在溶液中的摩尔分数成 正比:E=忌X,式中E为溶质的活度系数,X 为溶质在稀溶液中的摩尔分数,k为亨利系 数.由能斯特定律可知,在不相溶的两相之间 达到热力学平衡时,溶质i在两相中的化学位 应该相等:.一,其中a,卢指两个不同的相. 对于服从亨利定律的非理想稀溶液存在以 下关系: i一/zi.(T,P)+RTlnai(1) i一..'(T,P)+RTlnaf(2) 变换得到: (X/x)=KD(T,P)(3) 第2O卷第9期程继满,等:热带海洋珊瑚Sr/Ca,Mg/Ca温度计的研究及其意义3 式中,X为i组分在两相间的浓度,K.为 溶质i在两相之间的简单分配系数.在给定的 温度,压力下,溶质i在两相之间的浓度比为一 常数[KD(T,P)].从广义上而言,Sr,Ca,Mg 等微量元素在海水和珊瑚中都属于服从亨利定 律的非理想稀溶液,由此可以看出微量元素在 大洋中的固(3C石)液(海水)两相之间的分配是 与温度和压力相关联的. Ca,Sr,Mg是海水中主要的金属元素,每 千克海水中的相应含量分别为0.41,0.0079, 1.29g.在珊瑚反映SST变化的100ka尺度 内,海水的Sr/Ca比值变化仅在0.45范围, 而Mg/Ca比值在千年尺度内变化也不大,海水 表面的大气压基本上也是恒定的.所以,大洋 中珊瑚骨骼的Sr/Ca,Mg/Ca比值变化与海水 温度T的变化存在着相关性,可以建立相应的 微量元素温度计. 分配系数是微量元素在固液相之间重要的 地球化学参数.Weber(1973)[..对47种浅水 的造礁珊瑚进行研究,得出Sr在文石与海水间 的平均分配系数为D一1.01士0.03,Smith 等[2.得到D一1.06.Shen等.对台湾海域 珊瑚测定得到D一1.056士0.003和Fallon 等[1.]对大堡礁地区珊瑚测定得到D一1.052. 实验结果表明,对各种珊瑚测定得到的分配系 数基本上是相同的,这为建立珊瑚微量元素温 度计提供了依据. 3方法 国际上对珊瑚微量元素的研究结果表明, 珊瑚Sr/Ca,Mg/Ca比值的温度变化率分别为 一 0.75和+2,而SST的年变化一般在1? 以内,所以要求Sr/Ca比值的精度要达到 0.5,而Mg/Ca比值的测试精度要求较低,只 要达到1就可以反映SST的变化.目前获得 珊瑚微量元素比值的方法有热电离质谱同位素 稀释法(IsotopeDilution—ThermalIonization MassSpectrometer,II)ITIMS),诱导耦合等离 子体质谱法(InductivelyCoupledPlasma—Mass Spectrometer,ICP—MS),诱导耦合等离子体质 谱一同位素稀释法(ID-ICP-MS),诱导耦合等 离子体原子发射光谱法(InductivelyCoupled Plasma—AtomicEmissionSpectrometer,ICP- AES),激光探针耦合等离子体质谱法(Laser Ablation—InductivelyCoupledPlasma-Mass Spectrometer,LA—ICP—MS),微探针二次离子 质谱法(MicroprobeSecondaryIon—MassSpec— trometer,MSI—MS),简称离子探针质谱法(Ion ProbeMassSpectrometer,IPMS)和X射线荧 光光谱法(X-rayFluorescenceSpectrometer, XRF) 3.1ID-TIMS法 热电离质谱同位素稀释法(ID-TIMS)就是 利用同位素质谱仪测定稀释剂中该元素(加入 已知量)和样品中该元素(未知量)的混位 素比值,进而确定样品中该元素的含量.计算 公式为:Wn=(Ws/Ns)Nw(Rs—Rm)/(Rm— Rn)(4) 式中Rm,Rn,Rs分别为混合物,样品和稀 释剂中该元素同位素A与B的原子比值,均由 同位素质谱仪测定得到;而Ws,Wn是稀释剂 和样品中该元素的重量,Ns,Nw是稀释剂和 样品中该元素的摩尔质量,Ws由准确称量为 已知. Min等[2用ID-TIMS方法测试了New Caledonia和Tahiti滨珊瑚的Sr/Ca,U/Ca比 值.对于Sr,Ca的测试采用了Ca一"Ca一.Sr 稀释剂,其中蛇Ca/"Ca比值约为144Ca/.Sr 约为200,使样品与稀释剂混合后的如Ca/蛇Ca 约为2O,..Sr/.Sr约为3O,满足质谱测试中的 最佳稀释比.用准确称量蛇Ca/"Ca的双稀释 剂作为同位素分馏校正的参数,可以提高低质 量,大色散Ca同位素的测量精度,这为Ca同 位素的示踪应用打下基础. 3.2ICP-AES法 等离子体原子发射光谱法(ICP_AES),是 将试样溶液以气溶胶态进入ICP炬焰中,即待 MarineGeologyLetters海洋地质动态2004年9月 测元素的原子或离子与等离子体中的高能电 子,离子发生碰撞吸收能量后处于激发态再返 回基态时放射出相应的原子谱线或离子谱线. 通过测定这些谱线的强度,就可以对元素进行 定性或定量.当选用183.94,285.21和 407.77nm的波长线分别测定Ca,Mg和Sr的 Mg/Ca和St/Ca比值时,测量精度可分别达到 0.5,0.3%和0.3,0.1%.ICP—AES方 法简便,成本低,可满足创建温度计的要 求.. CP-MS法 3.3I 等离子体质谱法(ICP-MS)是利用高电离 效率的ICP离子源,串接快速分析的四杆滤质 器(Quadrupole)或电磁场质量分析器,达到高 灵敏度,多元素的定量测定.通常采用曲 线模式,用大样和国家标样监控.WEI等叩用 Rh作内标,国家GSR一3标样作外部标准,获得 南海北部滨珊瑚的Mg/Ca比值的精度为 1.39/6.而对低含量的元素,如U,Ba等分析精 度为2,59/6. 等离子体质谱一同位素稀释法(ID-ICP— MS)结合了同位素稀释法的高精度和ICP—MS 法的快速分析的优点,成为珊瑚骨骼微量元素 比值测定的理想方法.WEI等[29,30]用这种方 法测定了海南岛三亚地区滨珊瑚的Sr/Ca, 其中以元素钪,钇作为内 Mg/Ca,U/Ca比值, 标,用三亚的Aciopira珊瑚制成大样,监控 Ca,Sr,Mg的测定.每测试15个样品就测试 一 次空白,内标和监控标准.获得的Mg/Ca比 值的精度为0.5%,1%,St/Ca比值的精度为 0.2,0.5.U/Ca比值的测定,使用了船U 作稀释剂,以U500国际标样作同位素分馏校 正,获得的U/Ca比值精度为0.5,1. LA—ID-ICP-MS法是在ID-ICP—MS方法 的基础上结合激光原位消融(LaserAblation, LA)探针技术的一种新的微量元素比值测定方 法.用激光烧蚀样品产生的气体状混合物与氩 气一起进入ICP—MS系统进行分析.这种方法 的特点是对样品进行了原位测定,避免了样品 的前处理过程,而且取样的精度有显着的提高. Fallon等[】用该方法分析了采自日本Shirigai Bay滨珊瑚的微量元素,取样分辨率达到>100 个样品每年.用50MJ和5Hz的激光束照射 样品,产生的气态物质混合氩气经ICP电离 源进入质谱系统,测定B,Mg,Ca,?Sr, ..Ba238U的值.每分析一次样品就测试一次 标准和背景以校正仪器出现的波动.实验结果 显示,B/Ca精度为3.8,Mg/Ca为4.2, St/Ca为1.6%,Ba/Ca为4.3,U/Ca为 3.9.Sinclair等[3]用该方法测试了澳大利 亚大堡礁滨珊瑚的B/Ca,Mg/Ca,Sr/Ca和U/ Ca比值.激光束斑在垂直于珊瑚生长轴方向 上为600;am,在平行生长轴方向上为20ptm. 这样的束斑大小兼顾了取样的精度和珊瑚组成 的不均匀性.该方法需要特殊的人工合成标 准.Fallon等[1叩用5g大堡礁滨珊瑚的粉末与 聚乙烯醇(占2.5)压制成直径为32mm的 圆片作为测试标准物质.Sinclair等口用均一 的珊瑚粉末与无水硅酸以1:1比例混合,在1 650?的高温下熔结形成CaSiO.作为标准物 质. 3.4IPMS 离子探针质谱法(IPMS)利用初级离子束 (如O,Ar)轰击珊瑚样品的表面,并测定样 品溅射出的二次离子的同位素组成和含量.这 也是一种原位的测定方法,通常仪器性能稳定, 测试数据随时间漂移小.Hart等2]用这种方 法分析了南非Sodwana海峡的滨珊瑚中微量 元素B/Ca,F/Ca,Mg/Ca,Sr/Ca,Ba/Ca的比 值,数据精度达到0.3,3,取样分辨率为 50~80m,相当于一周或更短周期的取样率. 测试样品时先用微探针(初级离子束)清洗样品 表面3min,以除去表层的污物并调试仪器的 各项参数,以确保稳定的二次离子流.对Sr/ Ca,Mg/Ca比值的测量精度分别达到0.19/5和 0.3%. 3.5XRF法 X射线荧光光谱法(XRF)是用一定能量的 第2O卷第9期程继满,等:热带海洋珊瑚Sr/Ca,Mg/Ca温度计的研究及其意义5 X射线束照射样品,并测定样品中元素发出的 特征X荧光强度,与标准样品比较,计算出样 品的含量.目前又发展了同步辐射X荧光光 谱法(Synchro—irradiationXRF),由同步辐射 加速器作为X射线源,产生大能量,单色的X 射线束照射样品,提高了分析的灵敏度.Alli— son等3_用该方法分析了Tarawa环礁的滨珊 瑚,发现了Sr分布的不均匀性,并探讨了Sr古 温度计的环境意义. 综上所述,ID-TIMS方法是测试珊瑚骨骼 微量元素比值的经典方法.该方法精度高,但 是效率低,成本高,不宜作大量(数千个)样品的 分析.ICP—MS方法适宜于珊瑚骨骼中高含量 元素(约>1000p.g/g)的比值测定,如Mg/Ca, Sr/Ca.ID-ICP—MS方法是一种高精度,高效 率的测试微量元素比值的方法,适合于大量样 品的古环境重建的研究.LA—ID-ICP—MS方法 是一种原位测试技术,避开了样品的化学前处 理,但是该方法需要配制特殊的标准物质,而且 数据精度较差.离子探针可以进行微区分析, 但是需要有昂贵的仪器设备.目前,国内只有 国土资源部地质科学研究院有一台TRIMP离 子探针仪器.ICP—AES是一种快速,高效,低 成本的分析方法.该类型的仪器在国内比较 多.只要严格控制测定,配合使用内外标 样,可以得到满足于古环境重建的Sr/Ca,Mg/ Ca等的比值参数,有广阔的应用前景. 4结果和意义 Bed【等(1992)[343第1次用ID-TIMS法高 精度地测量了化石珊瑚的Sr/Ca比值,恢复了 10000年前热带海表温度的季节记录,精度达 到了0.5?.他们发现10200年前在西南太 平洋靠近Vanuatu海域的年平均SST比现在 要低5?.所得数据表明,在冰消期内热带区 域向赤道迁移.Beck等的工作开创了珊瑚微 量元素温度计研究的新局面. Smith等[23]指出在给定的温度下,珊瑚文 石的Sr/Ca比值与无机沉积文石中的Sr/Ca比 值存在偏差.这说明珊瑚在吸收Sr,Ca时不一 定处在平衡的状态.Villiers等[3通过其他的 实验发现,温度不是控制珊瑚Sr/Ca比值的惟 一 因素.他们认为珊瑚种属,钙化速率以及生 长率的变化,可以造成1,2?的偏差.随后, Villiers等又指出,如果考虑到生物过程能 控制Sr,Ca的吸收,那么用Sr/Ca比值作为温 度变化的代用指标就受到影响.他们认为海水 Sr/Ca比值的变化,尤其在贫营养的热带海水 中,会造成?0.2?的误差.在有上升流的地 方,海水的Sr/Ca比值变化有可能被放大.从 同一个珊瑚沿不同生长轴(一个为6mm/a,一 个为12mm/a)取样,用ID-TIMS法测定Sr/ Ca比值,结果发现会出现1,2?的偏差,慢的 生长率对应高的Sr/Ca比值.他们曾测定过3 种不同的珊瑚(Poriteslobata,Pocillopora eydouxi,Pavonaclavus),结果发现种属间的 Sr/Ca与SST的关系并不相同. 对于生物过程能否控制珊瑚的Sr,Ca吸收 的争论很多.SHEN等[2在南台湾的Kenting 地区用II)_TIMS测量了Poriteslobata和 Poriteslutea珊瑚的Sr/Ca和8.0值,提出了 与Villiers等[3相反的结论:这两种珊瑚反 映出的温度偏差只有0.3?,而且生长率为18 和23mm/a的滨珊瑚几乎对温度计的标定没 有影响,且Sr/Ca温度计的精度可优于0.2?. 这为使用微量元素温度计进行古环境变率研究 的可靠性提供了有力的证据. WEI等[28--30]通过对海南岛三亚地区滨珊 瑚的研究,建立了Sr/Ca温度计,与实际测量值 在误差范围内一致.同时,他们也得出了生长 率对Sr/Ca温度计影响很小的结论.Alibert 等[3]对大堡礁的研究发现,如果偏离主生长轴 取样,引入温度的误差可达1,2?,这是不同 生长时期沉积的骨架被同时取样的结果.这在 一 定程度上解释了Villiers等[3所得2,3? 差异的原因.为此,生物过程对滨珊瑚Sr/Ca 温度计造成的影响可能要远小于1?.高精度 的珊瑚Sr/Ca温度计是有重要意义的,如对太 平洋西部暖池的海表温度重建,这是全球海表 6MarineGeologyLetters海洋地质动态2004年9月 温度最高的地方.暖池有相对很小的温度变 化,即能够改变大气的温度梯度,通过大洋和大 气的动力耦合作用,导致赤道附近的大气环流 出现异常,造成诸如ENSO事件的发生. McCulloch等[3考虑到E1Nino现象对人 类的重大影响,必须对大洋海表温度有更深入 的了解.他们用ID-TIMS法测量了大堡礁地 区(靠近大陆,有径流注入)珊瑚1978—1984年 的Sr/Ca和8O值,分辨率达到了周.结果发 现在1982的强E1Nino年,Sr/Ca温度计显示 的SST比正常海表温度偏负3?,而从8O 温度计推算出的不正常温度,偏负只有1, 1.5?.他们推测Sr/Ca与8O在E1Nino年 所表现出来的差别,可能与珊瑚在特殊的冷水 环境中生理过程发生变化有关.他们还揭示 Sr/Ca和8O温度计最大的不同是在夏季有 洪水时,8O值明显的偏负.但是,附近的 Burdekin河在旱季时含Sr量为0.07×10,, 在雨季时为0.14×10,,而海水大约为8× 10,.因此,相对于海水而言,Burdekin河水 的Sr含量是非常低的.为此,这种由河流洪水 引起的珊瑚Sr/Ca温度计的偏差可能不到 0.1?,反映出不同于8O温度计的灵敏度. 因此,对珊瑚Sr/Ca和8O温度计的合用,不 仅能在重建古海表温度时发现差异,而且还能 提取古气候环境的其他信息. Misuguchi等用ICP—AES法测量了日 本Isigaki珊瑚8年来的Mg/Ca比值,得出了 Mg/Ca温度计方程为:Mg/Ca=12.9?10T +0.00115,其中Mg/Ca比值随温度变化率约 为Sr/Ca温度计的4倍.Mg/Ca温度计的精 度可达0.5?.但是,季节和采样地点的不同, 海水Mg/Ca比值的变化,没有对Mg/Ca温度 计产生影响. Gagan等阳研究了大堡礁地区珊瑚的Sr/ 结果表明在5350年前热带 Ca比值和8O值, 海表温度比现在高1?,O(‰)相对于现代海 水每立方厘米多富集0.5个单位(‰),显示温 度的上升,加强了海水中轻氧同位素的蒸发,使 重氧同位素在海水中富集.他们认为由全新世 中期海水O富集,而在全新世冰期因蒸发而 减少,而O/?O的比值陡降,可解释末次间冰 期Sr/Ca温度计与有孔虫氧同位素记录的差 异. Fallon等(1999)[18J用LA—ICP—MS的方法 测定了日本Shirigai海湾一个高纬度珊瑚(32. N为珊瑚生长的极限)中微量元素B,Mg,Sr, Ba,U的含量.当SST为18?以上,U/Ca和 Sr/Ca温度计有很好的线性关系,而在18?以 下,在极冷或珊瑚停止生长的情况下,珊瑚表现 出对元素吸收的差异,两类温度计的指示偏离 增加.该研究结果进一步说明除温度外,还存 在其他因素影响Mg/Ca温度计. Watanabe等[用ICP—AES测量了加勒 比海地区波多黎各沿岸一个3m长珊瑚岩心 的Mg/Ca比值,他们得出的Mg/Ca比值温度 计为:Mg/Ca(retool/too1)一0.28(?0.04)× SST(.C)一3.24(?1.15),r=0.92.计算表 明,在小冰期时加勒比海地区海表温度比现代 低2.C左右.结合珊瑚骨骼中的8O值,作者 计算出了小冰期时加勒比海地区盐度(SSS)的 变化要大于现代. 根据Marshall等[41]的研究归纳,现将典型 的Sr/Ca温度计方程列于表1中. 其斜 通过对上述15个温度计作统计分析,率的最低值为一0.07952,而最高值为 一 0.0514,平均值方程为Sr/Ca?10.一10.56 (?0.22)一0.06121(?0.00715)?SST.该 方程斜率平均值的相对偏差为?ll.这表 明,不同地区的Sr/Ca比值与温度的变化率有 显着不同,呈现出区域的特点. 5展望 从研究的结果看出,学者们在NewCale— donia,夏威夷,Galapagos,台湾,南中国海,爪 哇,大堡礁,Dampier,日本海,Bermuda等地 区,在大堡礁,Tarawa,Panama,New Caledonia,南中国海等地区,以及Ishigaki岛, 琉球群岛,加勒比海,南中国海等地区,分别进 第2O卷第9期程继满,等:热带海洋珊瑚Sr/Ca,Mg/Ca温度计的研究及其意义7 表1各类方法研究Sr/Ca温度计方程 Table1.TheSr/CathermometersmadebythedifferentmethodsfromMarshall(2002) 注:AAS:AtomicAbsorptionSpectrometerIID-TIMS:IsotopeDilution—ThermalIonizationMassSpectrometer;HR-ICP-MS.. High-Resolution—InductivelyCoupledPlasma—MassSpectrometerILA—ICP—MSjLaserAblation—InductivelyCoupledPlasma-Mass Spectrometer;ICP—AES:InductivelyCoupledPlasma-AtomicEmissionSpectrometer;ICP-MS..Inductively CoupledPlasma-Mass Spectrometry 行了珊瑚的Sr/Ca,U/Ca以及Mg/Ca温度计 的研究,其中对Sr/Ca温度计的研究相对较多, 对U/Ca,Mg/Ca温度计研究得较少.从研究 内容分析,主要是探讨温度计的可靠性,受各种 因素影响程度以及揭示特征气候事件,如EN— SO,洪涝,干旱等的变率,幅度和周期性,仍然 属于对微量元素温度计的建立和应用的探索阶 段.在国内,已有WEI等...,SUN等[4243] 在我国三亚,西沙海域进行过滨珊瑚Sr/Ca, Mg/Ca,U/Ca,Ba/Ca温度计的研究,为进一步 的工作打下了基础.我国南海海域南缘太平 洋,北连东亚大陆,有广泛发育的珊瑚群体,其 环境指标既可以反映全球变化,又显示出边缘 海的区域特征,为深入开展微量元素与其他温 度计(如8坞0温度计)的对比研究,探讨海气相 互作用的环境效应,提供了得天独厚的优势. 近几年来,我们和中科院南海海洋研究所 的同行合作,开展了海南岛和西沙珊瑚生长率 温度计[1114],钙化率温度计L1,8O温度 计L1"的研究,并提出了用冬季12,1月珊瑚 的8O平均值作为冬季风的代用指标,揭示了 近55年来西沙冬季风倾向于减弱的速率. 为了开展与生长率温度计,钙化率温度计和 8O温度计的对比研究,我们正采用ICP-AES 的方法,开展对滨珊瑚Sr/Ca和Mg/Ca的测 定.目前,对海南岛龙湾港的滨珊瑚Sr/Ca和 Mg/Ca数据分析,前者的测试精度为0.1, 0.2,后者为0.3,0.4,达到了建立温度 计的基本要求.我们期望从建立几十年一近百 年的几类温度计的对比研究中,探讨它们受对 制约的环境因素,重建古气候环境的可靠性,以 及对揭示特征事件的灵敏性,为更有效地预测 未来气候环境的变化提供科学的判据. 8MarineGeologyLetters海洋地质动态2004年9月 参考文献 [1]TudhopeS,CollinsM.ThepastandfutureofElNino EJ].Nature,2003,424:261—262. E2]CobbKM,CharlesCD,CHENGH,eta1.ElNino/ SouthernOscillationandtropicalPacificclimateduring thelastmillennium[J].Nature,2003,424:271—276. [3]UreyHC.Thethermodynamicpropertiesofisotopic substances[J].J.Chem.SOc.,1947,562—581. [4]WeberJN,WoodheadPJ.Temperaturedependenceof Oxygen一18concentrationinreefcoralcarbonates[J]. JournalofGeophysicalResearch,1972,77:463—473. [5]UrbanFE,ColeJE,OverpeckJT.Influenceofmean climatechangeonclimatevariabilityfrom155一year TropicalPacificrecord[J].Nature,2000,407:989—993. [6]余克服.造礁珊瑚8"O记录的过去气候研究进展[J].海 洋通报,1998,17:72—78. [7]YuKF,CHENTG,HUANGDC,eta1.Thehigh—res— olutionclimaterecordsinthe8OofPoritesluteafrom theNanshaIslandsofChina[J].ChineseScienceBulle— tin,2001,46:2097—2O12. [8]YuKF,LIUTS,SHENCheng—de,eta1.High-frequen— cyelimaieoscillationrecordedinaHolocencecoralreef atLeizhouPeninsula,SouthChinaSea[J].Sciencein China(SeriesD),2002,32:149—156. [9]吕炳全,王红罡,大场忠道,等.海南岛沙老岸礁区氧碳 同位素的气候记录[J].地球化学,2002,31:315—32O. [103HEXX,PENGzC,WANGzR,eta1.Reefcoral8"O thermometerinHainanIslandWaters,SouthChinaSea [J].NuclearScienceandTechnology,2000,11:41— 44. [11]NIEBF,CHENTG,PENGzC.Reconstructionofsea surfacetemperatureseriesinthelast220yearsbyuse ofreefcoralinXishawaters,SouthChinaSea[J].Chi— neseScienceBulletin,1999,44:2O94—2097. [12]LoughJM,BarnesDJ.Possiblerelationshipsbetween environmentvariablesandskeletaldensityinacoral fromthecentralGreatBarrierReef[J].JournalofEx— perimentalMarineBiologyandEcology,1990,134: 221—224. [13] [143 LoughJM,BarnesDJ.Severalcenturiesinvariationin skeletonextension,density,andcalcificationinPorites coloniesfromtheGreatBarrierReef[J].JournalofEx— perimentalMarineBiologyandEcology,1997,211: 29—67. 何学贤,彭子成,王兆荣,等.利用珊瑚的影像密度恢复 南海海表温度EJ].地理,2000,55:183—19O. [15] [16] [17] [18] [19] [2O] [213 [22] [23] [24] [25] [263 [27] [28] 何学贤,彭子成,王兆荣,等,珊瑚的古环境信息研究进 展EJ].地球科学进展,1999,14:5O2—512. KleinR,LoyaY,GvirtzmanG,eta1.Seasonalrainfallin theSinaidesertduringthelateQuaternaryinferred fromfluorescentbandsinfossilcorals[J].Nature, 1990,345:145—147. PENGZC,HEXX,ZHANGZF,eta1.Correlationof coralfluorescencewithnearshorerainfallandrunoffin HainnanIsland,SouthChinaSea[J].ProgressinNatu— ralScience,2002,12:41—44. FallonST,MeCulloehMT,SinclairDJ,eta1.Coralsat theirlatitudinallimits:laserablationtraceelementsys— tematicinPoritesfromShirigaiBay,Japan[J].EPSL, 1999,172:221—238. SholkovitzE,ShenGT.Theincorpirationofrareearth elementsinmoderncoral[J].GeochimicaetCosmo— chimicaActa,1995,59:2749—2756. 余克服,陈特固,练健生,王鼎,刘东生.大亚湾扁脑 珊瑚中重金属的年际变化及其海洋环境指示意义[J]. 第四纪研究,2002,22:23O一235. 彭子成,刘军华,刘桂建,贺剑峰.广东省电白县大放鸡 岛滨珊瑚的重金属含量及其意义[J].海洋地质动态, 2003,19(11):5—12. 杨海涛.地球化学[M].合肥:中国科 陈道公,支霞臣, 学技术大学出版社,1994.58—65. SmithSV,BuddemeierRW,RedaljeRC,eta1.Stron— tium—calciumthermometryincoralskeletonsEJ].Sci— ence,1979,36:72—93. SHENCC,LeeT,CHENCY,WANGCH,eta1.. ThecalibrationofD[Sr/Ca]versusseasurfacetemper— aturerelationshipforPoritescorals[J].Geochimicaet CosmoehimieaActa,1996,60:3849—3858. MinGR,EdwardsLR,TaylorRE,eta1.Annualcy— elesofU/CaincoralskeletonsandU/Cathermometry [J].GeochimicaetGosmochimicaActa,1995,59: 2O25—2042. SchragDP.Rapidanalysisofhigh-precisionSr/Carati— osincoralsandothermarinecarbonates[J].Paleocean— ography,1999,14:97—1O2. WatanabeT,WinterA,ObaT.Seasonalchangesinsea surfacetemperatureandsalinityduringtheLittleIce AgeintheCaribbeanSeadeducedfromMg/Caand "O/Oratiosincorals[J].MarineGeology,2001,? 173t21—35. WEIGJ,LIXH,NIEBF,eta1.HighresolutionMg/ CathermometerinPoritesluteafromnorthofthe SouthChinaSea[J].ChineseScienceBulletin,1998,15: 第2O卷第9期程继满,等:热带海洋珊瑚Sr/Ca,Mg/Ca温度计的研究及其意义9 [29] [3O] [31] [32] [33] [343 [35] [36] l658一l662. 韦刚健,李献华,刘海臣,孙敏.珊瑚中微量铀的ID- ICP—MS高精度测定及其在珊瑚U/Ca温度计研究中 的应用[J].地球化学,1998,27:125—131. WEIGJ,SUNM,LIXH,NIEBF.Mg/Ca,Sr/Ca,U/ CaratiosofaPoritescoralfromSanyaBay,HainanIs— land,SouthChinaSeaandtheirrelationshipstoseasur— facetemperature[J].Palae0cean0grapgy,2000,162: 59—74. SinclairDJ,KinsleyPJ,McCullochMT.Highresolu— tionanalysisoftraceelementsincoralsbylaserabla— tionICP-MS[J].GeochimicaetCosmochimicaActa, 1998,62:1889—1901. HartSR,CohenAL.Anionprobestudyofannualcy— clesofSr/Caandothertraceelementsincorals[J]. GeochimicaetCosmochimicaActa,1996,60:3O75— 3084. AllisonN,FinchAA,SuttonSR,eta1.Strontiumhet— er?