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《同济大学》 2005年
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南海沉降颗粒物的生物地球化学过程及其在古环境研究中的意义

陈建芳  
【摘要】: 根据南海北部(SCS-N)、南海中部(SCS-C)、吕宋岸外(SCS-NE2)及越南岸外(SCS-SW1)时间系列的捕获器资料,对“南海沉降颗粒物的生物地球化学过程及其古环境意义”这一命题作了初步探索。主要包括两个方面的内容:(1)南海颗粒通量和“生物泵”结构的控制因素;(2)现代过程对部分地球化学古环境参数的改造。所取得的主要结果分以下三大部分。 (1)在陆架以外的深海区,南海颗粒物年平均通量在100 mg m~(-2) d~(-1)左右,其空间变化从大到小依此为SCS-SW1>SCS-NE2>SCS-N>SCS-C。在季节变化上,颗粒通量受季风控制比较明显,高值主要出现在冬季或夏季;在年际变化上,E1 Ni(?)o暖事可以使通量减小20%。颗粒通量除了在少数时段上下变化比较一致外,大多数时侯上下变化并不一致,并经常出现下层通量反而比上层高的情况,这主要是由于水平流引起的颗粒物侧向运动比较频繁造成。沉降颗粒主要以生源物质为主,生源物质/岩屑的比值依此为SCS-C>SCS-NE2>SCS-N>SCS-SW1。在南海中部,生源物质一般在80%以上。生源颗粒中,钙质生物和硅质生物大致相当,表明在南海“碳酸盐泵”和“硅质泵”具有同等重要的地位。“生物泵”组成结构的时空变化并没有明显的季节性变化,但上升流区比非上升流区可能更有利于硅质生物的生长。在E1 Ni(?)o影响年,碳酸钙/蛋白石比值有明显的升高,表明暖事件可以抑制硅质生物的生长。南海作为典型的热带寡营养海,季风—上升流—营养盐供应和限制—风尘物质的触发—生物地球化学响应是一个比较典型的颗粒通量和“生物泵”结构控制过程,值得进一步研究。 (2)南海初级生产力中仅有1-2%进入深海水柱,而在深海沉积物中积累的有机碳仅占0.26%以下,颗粒有机物通量改变主要发生在表层到1000m以及底层海水与沉积物界面之间,而在中下水层(1000m-3750m)变化较小。南海“生物泵”效率大约是同为季风影响区的西阿拉伯海的1/3,沉积有机碳的保存效率低一个数量级,这可能与南海初级生产力与前者相比要低,同时南海深层水的更新速率较快(底部不容易形成低氧环境)有关。由于南海初级生产力较低,颗粒有机物通量随水深减小的关系式(Martin曲线)可能会因为颗粒沉降速率、生物泵组成结构、颗粒物侧向运动等因素而失效。在颗粒物沉降到沉积物过程中,有机质的选择性降解可能会影响有机地球化学的一些整体指标(如有机碳、氮同位素)示踪的有效性。从颗粒物到沉积物,碳酸钙、蛋白石通量损失72-95%,其变化主要发生于深层捕获器与沉降物之间。另外,无论南海中部还是北部,水柱岩源物质通量反而小于全新世的沉积物积累率,表明南海海洋底部雾状层在重力流、等深流作用下引起的沉积物异地搬运是比较常见的。这种异地搬运作用对于古环境信号(如有机碳古生产力指标)在沉积物中的保存可能会有一定影响。 (3)通过考察表层沉积有机碳、绿素、生物硅与上层海洋上升流、生产力等的关系发现,沉积有机碳含量高值与三个传统意义上的上升流区有比较好的对应,表明其是比较好的古生产力指标,但对于寡营养、低生产力,而且碳酸盐溶解作用、陆地稀释作用影响明显的南海,绿素、生物硅并不是好的古生产力指标。但这也不排除在某些海域(如水深不大、沉积速率高且稳定、有机质保存较好)利用通一钻孔的相关参数反映古生产力的可能性。沉降颗粒物中的U_(37)~K信号与表层卫星估算的SST在大多数时段不一致,在同一时段,上、下层位间也有很大的不同,这主要是由于颗粒物质的侧向运动所引起;此外,颗石藻的生长季节、层位(水深)的不一致也能引起上述不一致;沉降过程中U_(37)~K指数并没有引起明显的改变,表明南海降解过程对U_(37)~K温度估算影响较小;虽然沉降颗粒物的U_(37)~K温度信号与实测或遥感SST不一致,但表层沉积物U~k_(37)的分析结果再次证实了U_(37)~K温度与上层多年平均的实测温度有较好的相关性,这表明沉积物(代表几十—几百年)实际上对短时间和空间尺度的差异进行了“平滑”,也就是说,局部的差异并不与全局的趋势相矛盾。在南海颗粒物沉降过程中,C/N比呈增大趋势,这主要是由于早期降解过程中由于有机质的选择性降解作用所致;沉积碳同位素分布表明,陆源有机碳的输入(δ~(13)C轻值)主要出现在海盆周边的海域,尤其是珠江口、巽他陆架、湄公河口及南海东北部,而在海盆的中央,沉积有机质δ~(13)C较重,表明有机质主要是海洋自身来源;颗粒物中的有机质δ~(13)C“异常”可能是由于人类活动引起的pCO_2升高引起。南海沉降颗粒δ~(15)N大约在1.4-3.2‰之间变化,比其次表层-中层的源水—北太平洋中层水(NPIW)低2‰左右,这很可能是由于浮游植物对75m层上下营养盐的不完全利用所致;沉降颗粒δ~(15)N比沉积物的结果要低2‰左右,这是由有机质的选择性降解作用引起;表层沉积物δ~(15)N在巽他陆架和湄公河口也有比较低的值,这与现代海洋这些地区常常发育上升流一致,表沉积物δ~(15)N低值很可能可以作为南海上升流的一个指标。
【学位授予单位】:同济大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2005
【分类号】:P736.4

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