印－太暖池区全新世 MgCa 温度转换中的

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1、精品论文印太暖池区全新世 Mg/Ca 温度转换中的盐度因素徐建5（西北大学地质学系新生代地质与环境研究所，西安 710069）摘要：有孔虫 Mg/Ca 温度计是古海洋学研究中恢复古温度的重要手段之一。然而，越来越多的研究表明，Mg/Ca 温度计的准确性受多种因素的影响，特别是盐度的控制十分重要。本文实测、并搜集整理了印太 暖池地区全新世（大约 11ka 以来）一千余个浮游有孔虫 Mg/Ca 比值数据，分别利用包含和不包含盐度信10息的两个常用转换方程求取了古海水温度，并将二者进行了对比，旨在探讨盐度因素对 Mg/Ca 温度计的影 响。结果显示在表层水温大约 28C 以下，两个方程获得的结果几乎

2、一致，平均差异为 0.07C；在表层水温28C 以上，二者平均相差大约 1C。此外，表层海水盐度越低，包含盐度信息的转换方程获得的古海水氧同位素的值越大。结合印太暖池地区高温配高盐的分布特点，上述结果揭示盐度对该地区有孔虫 Mg/Ca比值的影响效应不明显。15关键词：表层海水温度；Mg/Ca 温度计；印太暖池；全新世中图分类号：P736.4Salinity effect on Holocene Mg/Ca-temperature estimation from Indo-Pacific Warm Pool Sediment Samples20XU Jian(Institute of Cenoz

3、oic Geology and Environment, Department of Geology, Northwest University,Xian 710069)Abstract: Foraminiferal Mg/Ca-thermometer is one of the key methods in reconstructing past ocean watertemperatures.Increasinglinesofevidence,however,revealedthatprecisionof25Mg/Ca-thermometer is under influence of v

4、arious factors in addition to seawater temperature. Of these factors, salinity is in particular highlighted. This study measured and collected an amount of more than one thousand Holocene (since 11 ka) foraminiferal Mg/Ca ratios from sediment cores recovered from the Indo-Pacific warm pool. These Mg

5、/Ca ratios were converted into temperatures using twoconventional equations, with and without a salinity parameter involved. Estimated temperatures were30then compared so as to give a helpful understanding of salinity effects on Mg/Ca-thermometer used for samples from the Indo-Pacific warm pool regi

6、on. It is shown that values resulted from the two equations are very similar with a difference of 0.07C in average in the case that estimated temperatureis lower than 28C. In contrast, difference of the values is up to 1C when estimated temperature ishigher than 28C. Moreover, it is also revealed th

7、at less saline water, larger seawater oxygen isotope35estimated from the equation involving a salinity parameter. These findings, together with the striking feature of higher temperature matching higher salinity in the modern Indo-Pacific warm pool, it issuggested that salinity likely has little deg

8、ree of influence on foraminiferal Mg/Ca in this region.Key words: Sea surface temperature; Mg/Ca-thermometer; Indo-Pacific warm pool; Holocene400引言恢复低纬地区古海水温度，对研究高纬地区冰量消长和热带气候过程在过去全球变化中的作用具有重要的意义1-3。从上世纪九十年代以来，应用最广范、发展最迅速的古海水 温度转换方法当属有孔虫壳体的 Mg/Ca 比值（Mg/Ca 温度计）4-8。这一方法灵敏度高、适 用范围广、适用时段长4，另外的优点是可以利用从同一

9、个有孔虫样品中获得的 Mg/Ca 比值基金项目：高等学校博士学科点专项科研基金（20096101120025）、国家自然科学基金青年基金（40906032） 和大陆动力学国家重点实验室自主研究课题基金资助。作者简介：徐建（1977-），男，副教授，从事海洋微体古生物学、生物地球化学和古海洋学研究. E-mail:jx08- 7 -45和氧同位素获取古海水盐度信息1,4。然而，随着研究和应用的深入，以及分析测试技术的 发展，人们发现 Mg/Ca 温度计的准确性受到多种因素的限制。其中，盐度对壳体 Mg/Ca 比 值的影响逐渐被人们所重视。有研究表明，每有一个盐度单位（psu）的变化，Mg/Ca

10、比值将变化 1559%9；Mg/Ca 温度相对基于氧同位素的成壳温度变化1.6C10。Mg/Ca温度转换方程有很多，包括用于校正水深、碳酸盐溶解作用、壳体大小等的50方程1,6,11-14。如果不考虑上述因素的校正，人们最常用的是 Anand et al.(2003)的一系列的方 程14。这些转换方程是基于对 Sargasso 海六年时间的沉积捕获器样品分析而获得的结果。 近几年来，人们意识到盐度对有孔虫壳体 Mg/Ca 比值的影响，尽管目前仍不清楚盐度是如 何有孔虫壳体的 Mg/Ca15，甚至也有研究对盐度与有孔虫壳体 Mg/Ca 的关系有不同的认识 16,17，但仍有研究将盐度因素纳入了转

11、换方程8,10,18，以提高古海水温度重建的准确性。55本文实测、并收集了印度洋西太平洋（印太）暖池地区二十余钻孔的一千多个全新 世以来的浮游有孔虫表层水种的 Mg/Ca 比值，在最大可能减小冰期间冰期全球冰量变化 影响的前提下，尝试利用包含和不包含盐度信息的两个常用转换方程式，即分别为 Sadekov et al. (2009) 18和 Anand et al. (2003) 14的方程式，计算该地区全新世的古海水温度，分析结 果的差异和相同之处，继而探讨盐度因素对有孔虫 Mg/Ca 比值的可能影响。601区域表层海水温盐概况印太暖池地区表层海水的年平均温度介于 24C 至 30C 之间，绝

12、大部分地区高于28C，即印太暖池。表层海水温度（SST）从赤道向南北半球呈逐渐降低的梯度分布（图1）。总体上，区域内表层海水盐度介于 3335psu 之间。与温度的梯度分布相类似，海水 表层盐度的分布具有由赤道向南北半球逐渐增加的趋势。区域内盐度的低值出现在南海中南65部以及望加锡海峡地区，介于 33-33.2psu 之间，可能与区域内降水以及周边陆地河流的淡水 输入有关。在水温高于 28C 的地区，盐度多在 34psu 以上，与区域内低盐地区相比，可能 与海水表面高温条件导致的较强蒸发有关。图 1 印度洋太平洋暖池地区年平均表层海水温度19和盐度20分布70图件通过 Ocean Data V

13、iew 软件21制作，温度以颜色标识，盐度以等值线标识Fig. 1 Annual mean sea surface temperature19 and salinity20 in the Indo-Pacific warm poolThis figure was made using the Ocean Data View software212研究方法与数据处理本文选取了印太暖池地区全新世（约 11ka）以来约一千余 Mg/Ca 比值，尽可能地消75除与冰期间冰期冰量相关的海平面变化而引起的海水盐度的改变，并假设海水盐度在全新世 海平面的微小波动下保持不变，以便单纯地讨论区域性盐度的变化对有

14、孔虫壳体 Mg/Ca 比 值的影响。本次研究实测样品的处理方法和测试等详细流程见徐建(2010)22。通常，用于测试浮 游有孔虫壳体 Mg/Ca 比值的实验室清洗方法有两种：“Mg 清洗”方法和“Cd 清洗”方法，二80者的不同在于后者在前者的基础上纳入了还原步骤23-24。然而，“Cd 清洗”方法所包含的还 原步骤常常会导致壳体中富 Mg 部分的选择性溶解，从而造成 Mg/Ca 比值比“Mg 清洗”方法 的低24。Xu 等(2008)25对 41 个样品分别进行“Cd 清洗”和“Mg 清洗”的结果显示，还原步骤 使得 Globigerinoides ruber 壳体的 Mg/Ca 损失了6.

15、6%。本文获得的 G. ruber 的 Mg/Ca 比值 来源于上述两种清洗方法，因此，对于使用还原步骤清洗而获得的 Mg/Ca 比值进行了 6.6%85的校正。如前所述，有孔虫 Mg/Ca 比值温度的转换，本文选择了包含和不包含盐度信息的两个常用转换方程式。不包含盐度信息的转换方程来源于 Anand et al. (2003) 250-350m 粒径G.ruber 的方程，表示为：Mg/Ca=exp(SST*0.09)/0.39514（1）90包含盐度信息的转换方程来源于 Sadekov et al. (2009)激光剥蚀分析 G. ruber 壳体而获得的壳体平均 Mg/Ca-SST 方程

16、，表示为：SST=(lnMg/Ca-0.057*盐度+2.56)/0.07518（2） 其中，海水的盐度与海水氧同位素（18Osw）的转换方程为:18Osw=0.42*盐度-14.326（3）95将 Mg/Ca-SST 与壳体氧同位素结合以获取海水氧同位素的计算方程为：18Osw(VSMOW)=0.27+(SST(C)-16.5+4.8*18O 壳体(VPDB)/4.827（4）100上述四个方程，在已知有孔虫壳体 Mg/Ca 比值和氧同位素的条件下，可以结合方程（1）和（4）获得不考虑盐度对 Mg/Ca 比值影响情况下的 SST 和18Osw；将方程（2）、（3）和（4）结合可以获得考虑盐度

17、对 Mg/Ca 比值影响情况下的 SST 和18Osw。本文中将结算结果 分别用 Anand03 SST、Anand03 18Osw 和 Sadekov09 SST、Sadekov09 18Osw 来代替。3结果与讨论实测和搜集的全新世印太暖池地区的 Mg/Ca 比值趋势分布如图 2 所示。Mg/Ca 比值 变化范围介于 3.45-6.14mmol/mol 之间。除了极少部分小于 3mmol/mol 和 5%的比值大于6mmol/mol 之外，绝大部分（94）的比值在 46mmol/mol 之间（图 2），其中，53%的105110115120125比值介于 45mmol/mol，41的比值介

18、于 56mmol/mol。46mmol/mol 的变化范围，相当于利用 Anand et al.(2003)14方程式转换的温度 25.7-30C，与区域内表层海水的温度分布 范围大致吻合（图 1）。图 2 本文实测和整理的印度洋太平洋暖池地区全新世 Mg/Ca 比值数据及其数值分布Fig. 2 Measured and collected Holocene Mg/Ca ratios of the Indo-Pacific warm pool region in this study使用上述包含和不包含盐度信息的两个方程式对 Mg/Ca 比值转换获取的 SST（分别为 Sadekov09 SS

19、T 和 Anand03 SST）线性相关程度较高，相关系数(R2)为 0.87，线性公式计算 的预测值和真实值差异的平均标准偏差为0.58C（图 3）。然而，二者的实际差异较大，平 均差异为 0.8C。28C 以上，几乎所有的数据点分布在 1:1 线的左侧，亦即包含盐度信息的 方程所获得的温度Sadekov09 SST 比没有包含盐度信息的 Anand03 SST 高。将数据以 28C Sadekov09 SST 为分界线，将数据分割成为两部分进行截距为 0 的线性趋势分析。结果显示， 尽管线性相关程度略有降低，但两部分数据的相关程度仍均较好，28C 上、下两部分数据 的线性相关系数分别为 0

20、.71 和 0.66，线性公式计算的预测值和真实值差异的平均标准偏差 分别为0.43C 和0.55C（图 3）。值得关注的是，28C 以下部分数据的线性趋势线更加接 近 1:1 线，也就是说 Sadekov09 SST 和 Anand03 SST 差别较小，平均差异为 0.07C。相比较，28C 以上部分数据 Sadekov09 SST 比 Anand03 SST 平均高约 1C（图 3）。对地中海表层沉积中 5 个属种的浮游有孔虫壳体研究发现， Mg/Ca 比值与海水的盐度 具有密切的相关性（15-59% Mg/Ca/psu）9。更有研究表明，盐度每增加一个单位，Mg/Ca 温度相对基于氧同

21、位素的成壳温度变化1.6C10。按照这些研究结果，人们可以推测图 3 中 28C 以上部分数据 Sadekov09 SST 比 Anand03 SST 平均高约 1C 的情况应该与盐度对 Mg/Ca 比值的影响无关，毕竟 Sadekov09 SST 的结果本身包含了对盐度因素的校正，而 Anand03 SST 来自于没有盐度因素校正的转换方程的计算。利用有孔虫壳体 Mg/Ca 比值的优点在于除了估算古海水温度以外，可以将其与同样有 孔虫样品的氧同位素值相匹配，以获得古海水的氧同位素（即盐度）1,4。利用上述的方程130135140145150155（1）、（2）结合（3）、（4）便可以估算海水

22、的氧同位素。图 3 利用包含盐度校正的方程式18和不包含盐度校正的方程式14估算的表层海水温度线性对比 灰色斜线为 1:1 线，红线为线性相关趋势线，绿色线标识了平均标准偏差0.58C 的范围；图中小图数据同 大图，但以 28C 将数据分成两个部分，并分别进行了线性趋势分析，结果如图中算式所示Fig. 3 Comparison of estimated sea surface temperatures using salinity-corrected18 and non-salinity-corrected14equations全新世印太暖池地区古海水氧同位素计算的结果（Sadekov09 1

23、8Osw 和 Anand0318Osw）对比如图 4 所示，二者呈现强烈的线性正相关趋势，相关系数约为 0.99，表明表层 海水盐度越低的情况下，包含盐度信息的转换方程获得的古海水氧同位素的值越大。此外， 在海水氧同位素大于 0.74（相当于35.8psu）时，Sadekov09 18Osw 比 Anand03 18Osw 低，反之亦然。假设包含盐度信息的方程（2）所计算的 Sadekov09 18Osw 相比 Anand03 18Osw 更准确，这个结果则显示盐度为 35.8psu 之上，Anand03 18Osw 的相对高值可能是由于盐度 对 Mg/Ca 比值的影响而引起。也有研究表明，大

24、约 35.4psu 以下，Mg/Ca 几乎不受盐度的影 响；此值之上，Mg/Ca 比值受盐度影响而偏高，反之 Mg/Ca 值则偏低10。如此而来，Anand03 SST、Sadekov09 SST 和 Anand03 18Osw、Sadekov09 18Osw 的 对比结果（图 3；图 4）所揭示的盐度对 Mg/Ca 比值的影响便出现了矛盾。印太暖池地区 的现代表层海水温度和盐度的分布总体趋势显示，盐度稍高的地区对应的温度也比较高（特 别是28C 的部分）（图 1）。如果说研究区域内 Mg/Ca 比值受到盐度因素的影响并具有线 性正相关关系，人们可以推测，在较高温度和盐度的地区，通过不含有盐度

25、校正信息的方程（1）所获得的 Anand03 SST 应当比含有盐度校正信息的方程（2）所获得的 Sadekov09 SST 高。很显然，图 3 的结果不支持这个推测。Anand03 18Osw 的结果来源于独立方程（4）的 计算。在18O 壳体保持不变的情况下，Anand03 SST 越低，则 Anand03 18Osw 越高。图 4 中 Anand03 18Osw 比 Sadekov09 18Osw 高很可能是图 3 中 Anand03 SST 比 Sadekov09 SST 低 的反映，而不代表盐度对 Mg/Ca 比值影响的信息。因此，就全新世印太暖池地区来说， 本文的数据指示海水盐度对

26、有孔虫 Mg/Ca 比值的影响不明显或没有影响。160165170175180185图 4 表层海水氧同位素估算值对比图中灰色斜线为 1:1 线，黑色实现为线性趋势线，Anand03 和 Sadekov09 分别代表利用包含盐度校正的方程 式18和不包含盐度校正的方程式14估算的结果Fig. 4 Comparison of estimated sea surface water oxygen isotopes4结论本文实测和搜集了印太暖池地区一千余个全新世浮游有孔虫 Mg/Ca 比值数据，在尽 可能消除因冰期间冰期冰量变化而引起的盐度变化因素，尝试对这些 Mg/Ca 比值利用包含 和不包含盐度

27、因素校正的 Mg/Ca温度转换方程估测古海水表层温度和氧同位素，并进行对 比，探讨盐度因素对有孔虫 Mg/Ca 比值的可能影响。94的 Mg/Ca 比值在 46mmol/mol 之间，大约相当于海水温度 25.7-30C，与区域内表层海水的温度分布范围大致吻合。计算 结果显示，两种方程所获得古海水温度和氧同位素均具有强烈的线性正相关关系，不同之处 在于线性趋势线分别位于 1:1 线的两侧，即较高温度对应较低的海水氧同位素。28C 以下部 分两个方程式计算结果的差别较小，平均差异为 0.07C；相比较，28C 以上部分数据含有 盐度因素校正的方程式比不含有校正的方程式计算的海水温度平均高约 1C

28、。对比古海水温 度和氧同位素的计算结果，并结合区域内现代表层海水的温度和盐度分布趋势，本文推测全 新世印太暖池地区海水盐度对有孔虫 Mg/Ca 比值的影响不明显或没有影响。参考文献 (References)1 Lea, D.W., D.K. Pak, H.J. Spero. Climate impact of late Quaternary Equatorial Pacific sea surface temperature variationJ. Science, 2000,289: 1719-1724.2 Visser, K., R. Thunell, and L. Stott. Magn

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