南海北部海盆和吕宋海峡邻近海域镭同位素的分布及其示踪意义

【摘要】：南海兼具边缘海和开阔大洋的海洋环境特征,是研究海洋生物地球化学循环的过程和机理的理想场所。南海的水体停留时间和水团来源、组成则是洞悉南海海洋生物地球化学的关键参数。黑潮作为一支典型的西边界流,其携带西北太平洋水体经吕宋海峡进入南海,对南海的物理场和生物地球化学循环产生重要影响。然而,过去对黑潮入侵南海、南海水体停留时间和水团组成研究主要集中于传统的物理海洋学方法(水文观测和数值模拟),研究成果也颇具争议。利用化学海洋学的方法定量解析上述问题的研究十分匮乏。镭同位素因其独特的地球化学性质和不同的半衰期,是海洋学中水团运移、混合研究的理想示踪剂。本研究利用镭同位素(223Ra、226Ra、228Ra)作为示踪剂,以南海北部海盆和吕宋海峡邻近海域为研究区域,对黑潮入侵南海的基本特征(路径、形式和入侵范围)作了进一步探讨,并估算了南海东北部表层水体中黑潮水的贡献份额,评估了该区域表层水体的停留时间。主要研究成果如下:航次调查期间,除了在受珠江冲淡水影响的站位和靠近岛礁的站位,223Ra在整个调查海区几乎没有信号,说明陆源输入是其主要来源。表层水体的228Ra和(228Ra/226Ra)A.R.分布规律大体一致。北部、西部和西南部分海域分别受珠江冲淡水、岛礁、湄公河冲淡水的影响表现出较高的活度,东北部海域因低镭黑潮水的入侵而活度较低。黑潮水经吕宋海峡入侵南海,在115°E-121°E和17°N-21°N区域形成明显的黑潮水-南海水舌状混合区。226Ra在整个研究区域活度差异较小,但其揭示的黑潮入侵区域与228Ra也基本吻合。根据上述特征,结合地理位置分布,整个研究区域表层水体的主控水团可分为黑潮表层水(KSW)、南海表层水(SSW)、北部陆架表层水(NSSW)、西部陆架表层水(WSSW)。同时,我们还发现中尺度涡旋活动也是影响表层Ra的分布的关键因素。利用226Ra作为保守参数,建立两端元混合模型,我们估算出黑潮表层水在混合区所占份额在1.6%-73%,平均值为41.3%±25%。结合镭同位素的分布特征和前人关于黑潮流向、路径的研究成果,发现在航次调查期间,黑潮主轴可能自吕宋海岛东北部海域沿西北方向流入吕宋海峡南部,而后在吕宋海峡中部(121°E,20°N)改变方向,以西北方向流出吕宋海峡,沿着台湾岛东部海域继续北进。黑潮水分支在吕宋海峡北部沿着西北方向入侵南海,大约在(119°E,21.8°N)转变为沿西南方向入侵。基于两端元混合模型的结果和228Ra的衰变作为“计时器”,利用228Ra衰变方程计算得到南海东北部表层水的停留时间为0.16-7.44 a,平均值为2.93±1.78 a;忽略中尺度涡或上升流引起的小尺度不规则扰动的影响,南海东北部表层水平均停留时间为年际尺度,与前人的研究结果基本吻合。综上所述,Ra示踪法是定量研究黑潮入侵南海基本特征和南海水团组成、水体停留时间的有效方法。为充分发挥Ra在海洋学研究中的优势,亟需提高南海Ra数据的时间和空间分辨率,进一步提高解译南海生物地球化学循环关键参数准确性。