台湾东部黑潮海水元素地球化学及对黑潮入侵东海的指示

【摘要】：探讨黑潮主流径海水中元素地球化学特征对于阐明黑潮对东海陆架的输入与影响,揭示黑潮对东中国海生态环境调控作用有重要科学价值。本学位论文基于2014年5~6月期间对台湾以东黑潮主流径及邻近东海海域的综合调查,在建立和完善海水中元素定量测定方法的基础上,系统地研究了海水中溶解态元素的地球化学分布特征、迁移机制、影响因素以及与海域生态环境的关系,构建了黑潮对东海陆架海水的输入与影响的化学元素指示指标体系,获得了一系列新的结果和认识:1、通过对海水中元素Mg(OH)_2共沉淀和直接稀释两种预处理方式ICP-MS测定方法的比较研究,确定了两种预处理方法与不同元素定量分析的对应关系,完善建立了一种Mg(OH)_2共沉淀-直接稀释预处理联用准确快速测定大洋和近海海水中28种常微量元素的方法。Mg(OH)_2共沉淀法能够实现对海水中V、Cr、Mn、Co、Cd及稀土元素(La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu)共19种微量元素的准确测定,10倍直接稀释法能够实现海水中B、Sr、Li、Rb、I、V、Cr、As、Cd、U、Mo、Cu、Mn共13种常量/微量元素的准确测定。通过两种方法联用,使用较少的样品量(约50mL海水),即可实现大洋和近海海水中Co、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu(这15个元素采用Mg(OH)_2共沉淀法)及B、Sr、Li、Rb、I、V、Cr、As、Cd、U、Mo、Cu、Mn(这13个元素采用10倍直接稀释法)等28种元素的准确测定,适用于大批量海水样品简便、快速分析。2、揭示了台湾以东黑潮主流径及邻近东海海域海水中保守型元素钙(Ca)、镁(Mg)、锶(Sr)、钾(K)、溴(Br)、硫酸盐(SO_4~(2-))、锂(Li)、铷(Rb)、钼(Mo),营养盐型元素碘(I)、镉(Cd)、锰(Mn)、锑(Sb)的地球化学分布特征及控制因素,系统获取了黑潮输入东海的物质通量。黑潮主流径海水中保守型元素Ca、Mg、Sr、K、Br、SO_4~(2-)、Li、Rb、Mo的浓度分布范围分别为420~453 mg/L、1321~1369 mg/L、7.94~8.38 mg/L、391~412 mg/L、65.17~71.07 mg/L、2629~2834 mg/L、164~187μg/L、110~131μg/L、14.11~16.10μg/L,其垂直分布与盐度的变化趋势基本一致,呈现出表层浓度低,向下次表层浓度逐渐增高,中层浓度下降,再向下至底层浓度逐渐升高的特点,其中Mg、SO_4~(2-)、Li受黑潮水层变化影响最为明显。营养盐型元素I、Cd、Mn、Sb在黑潮主流径海水中的浓度分布范围分别为49.7~64.3μg/L、0.02~0.20μg/L、0.30~1.42μg/L、0.24~0.44μg/L,呈现出从表层至深层浓度逐渐增高的特点,其中Cd、Mn两种元素在表层与深层水中的垂向富集分馏最为明显。水交换模型估算得出黑潮水在5~10月间(雨季)向东海陆架的元素净输入通量分别为Ca 8.09×1012 kg、Mg 25.1×1012 kg、Sr 0.152×1012 kg、K 7.53×1012 kg、Br 1.11×1012 kg、SO_4~(2-)51.0×1012 kg/半年、Li 3.33×109 kg、Rb 2.25×109 kg、Mo2.8×108 kg、I 11.03×108 kg、Cd 1.59×106 kg、Mn 1.18×107 kg、Sb 5.60×106 kg。各元素中Ca、Mg、Sr、SO_4~(2-)、Rb、Mo、I、Mn、Sb以黑潮次表层水的输送通量为最大,表层水次之,而中层水最小。黑潮次表层水和表层水向东海陆架输送的K和Br通量相当,但均高于中层水。Cd和Li的输送通量以黑潮表层水为最高,次表层水较小,中层水最小。东海陆架区表层和30m层元素的分布结果显示,陆架外侧的站位表层至30m层主要受控于台湾海峡水,来自台湾海峡的低Ca、Mg、Sr、K、Br、SO_4~(2-)、Li、Mo、I、Sb的水流从海峡北端出口东侧向北,可到达东海陆架的中南部,而来自东部的高Ca、Mg、Sr、K、Br、SO_4~(2-)、Li、Mo、I、Sb浓度的黑潮表层水则受到了台湾海峡北向出水的抑制,被限定在陆架的东南部。在外侧东海陆架底层,元素Ca、Mg、Sr、K、SO_4~(2-)、Li、I、Cd、Mn、Sb较陆架中部高,呈现出黑潮次表层水的特点,黑潮水的影响范围向西北扩大。从东海陆架各断面元素的垂直分布来看,Ca、Mg、Sr、K、SO_4~(2-)、Li、I、Sb在DH5、DH7断面的分布能够体现出黑潮次表层水沿底层爬升、北向入侵陆架至钱塘江口,在DH9断面从陆架坡折处从底层向西入侵的现象。由于地球化学特性的差异,部分元素分别在平面分布、垂直分布及特定站位分布上不能完全体现出黑潮的影响。总起来看,元素Ca、Mg、Sr、K、SO_4~(2-)、Li、I、Sb在调查海域平面分布、垂直分布及上升流中心的TW0-1站位分布中均能够较好的指示黑潮对东海的影响。3、以海水中溶解Ba作为指示指标,构建了Ba-盐度(S)指示黑潮与东海海水混合的新指标体系;基于海水元素簇谱和向量相似法构建了指示黑潮水入侵的海水元素相似性分析方法。以溶解钡(Ba)作为指示指标得出,调查期间黑潮表层水对东海陆架区域影响不大,黑潮次表层水沿陆架底层向上爬升,从台湾东北海域沿陆架中部向西北方向侵入,形成一支黑潮入侵流,至钱塘江口附近黑潮水占比仍可达到65%左右。东海陆架底层外侧大部被黑潮水所控制,100m等深线以深处黑潮水能够占95%以上的比例。在台湾东北部DH9断面,黑潮次表层水从陆架坡折处沿底部向西侵入,黑潮水占比95%的位置可达东经122°左右,垂直向上黑潮水所占比例越小。海水溶解Ba可以细致地刻画黑潮入侵东海的情景,其地球化学特性使其成为指示黑潮入侵东海的有效指标,为定量揭示黑潮与东海的相互作用提供了新的手段。以海水中Ca、Mg、Sr、K、Br及SO_4~(2-)共6种常量元素构建了黑潮次表层水元素簇谱,搭建了适用于海水元素相似性分析的向量相似计算方法,结果显示东海陆架区各站位底层海水与黑潮次表层水的相似度能够显示出黑潮次表层水入侵东海陆架的轨迹,说明基于海水元素簇谱和向量相似法构建的海水元素相似性分析方法能够指示黑潮入侵东海现象,有必要进一步开展海水元素相似性分析方法在海洋水团混合领域的研究。