海洋古水溫研究

1、關(guān)于海洋古水溫的研究2013級(jí)地質(zhì)學(xué) 叢靜藝古海洋的歷史難以直接恢復(fù)，只能通過(guò)某些參數(shù)的恢復(fù)進(jìn)行間接地推斷。古海水溫度就是非常重要的古海洋學(xué)參數(shù)。（一）海水溫度在古海洋研究中占有重要地位 大洋的環(huán)流是大洋系統(tǒng)發(fā)展的基本驅(qū)動(dòng)力，它一方面控制大洋的溫度、鹽度、生產(chǎn)力、含氧量等，但另一方面又受到溫度等的影響。 在古海洋學(xué)研究中，海水溫度的恢復(fù)一直占據(jù)突出的地位。相對(duì)于其它參數(shù)，古海水溫度的恢復(fù)要容易而且定量化程度最高。海水溫度對(duì)大洋系統(tǒng)有多方面的影響，因此，恢復(fù)了某一時(shí)期古海洋的海水溫度，就可以推斷當(dāng)時(shí)大洋的基本特征。海水溫度是水團(tuán)的重要標(biāo)志。現(xiàn)今大洋中的許多水團(tuán)就是依據(jù)海水溫度為重要標(biāo)志而劃分出來(lái)

2、的，也就是說(shuō)，不同的水團(tuán)有不同的海水溫度特征，如我國(guó)近海海域的外海水團(tuán)和近岸水團(tuán)；再如各大洋次表層水水團(tuán)之下可以劃分出中央水團(tuán)、亞南極水團(tuán)、亞北極水團(tuán)等（當(dāng)然，水溫不是劃分的唯一依據(jù)）。大洋表層環(huán)流主要是由海水溫度決定的。表層大洋環(huán)流主要由暖流和寒流構(gòu)成，其根本原因在于太陽(yáng)輻射造成，但卻是通過(guò)海水溫度表現(xiàn)的。海水溫度影響大洋水層結(jié)構(gòu)，大洋水體的垂直結(jié)構(gòu)分層受水溫的控制。海水溫度又影響全球氣候，同時(shí)，海水溫度的變化又是氣候的反映。海水溫度還影響生物的分布、生物生產(chǎn)力以及海水化學(xué)特征。因此，海水古溫度的恢復(fù)在海洋學(xué)研究中占有重要地位。（二）古海水溫度恢復(fù)古海水溫度的恢復(fù)方法，概括起來(lái)有古生物學(xué)方法

3、、地球化學(xué)的方法等。從定性、半定量走向定量，古水溫的估算方法日趨完善。不論什么方法，都是依據(jù)“將今論古”的原則，或者是所謂的“現(xiàn)實(shí)主義原則”?；謴?fù)海水古溫度，幾乎都是以微體古生物的介殼為基本對(duì)象的。所以微體古生物化石的鑒定分析具有關(guān)鍵性作用。但是運(yùn)用化石標(biāo)志辨認(rèn)特定的水團(tuán)、洋流，只是一種定性的成果，如果用古生物資料作定量的分析，對(duì)水團(tuán)、洋流作更深入的研究，就需要先取得古水溫的資料，這是因?yàn)楣潘疁夭粌H可以反映古氣候的變遷,而且還為古洋流的動(dòng)態(tài)提供直接的信息。一、定性恢復(fù)海水古溫度定性恢復(fù)，多數(shù)情況下是利用化石進(jìn)行的。許多生物的種類(lèi)或者組合與其生活時(shí)的水溫密切相關(guān)。所以找到這樣的種類(lèi)或者組合就可以

4、大致知道它們生活時(shí)的水溫高低以及變化的大致?tīng)顩r。標(biāo)志種和標(biāo)志性種組合的方法就是一種定性恢復(fù)海水古溫度的方法。底層水、表層水和上升流的情況可以通過(guò)標(biāo)志種和標(biāo)志性種組合反映出來(lái)。底層水的溫度可以用底棲有孔蟲(chóng)組合和介形蟲(chóng)來(lái)指示，例如，Buccella frigida,Eggerella advina等冷水種指示較低的海水溫度，而Pseudorotalia, Asterorotalia等暖水種指示較高的海水溫度。浮游有孔蟲(chóng)及其組合可以指示表層水溫度，常見(jiàn)的暖水種浮游有孔蟲(chóng)包括:Globigerinoides ruber, Globigerinoides sacculifer,Globorotalia

5、menardii和Pulleniatina obliquiloculata等,冷水種浮游有孔蟲(chóng)包括:Neogloboquadrina dutertrei, Neogloboquadrina pachyderma, Globigerina bulloides, Globorotalia crassaformis和Globorotalia inflata等。此外，一些微體化石的形態(tài)特征也受環(huán)境的影響，這對(duì)于簡(jiǎn)單的指示環(huán)境有一定的意義。包括殼體的形態(tài)、殼徑、殼面孔隙率、殼體旋向、殼口大小等形態(tài)結(jié)構(gòu)的變量。例如，浮游有孔蟲(chóng)的形態(tài)特征、殼口大小和表面的微細(xì)結(jié)構(gòu)受溫度的影響，會(huì)隨著緯度的變化呈現(xiàn)一定的遞變

6、性。二、半定量恢復(fù)古海水溫度分異度、優(yōu)勢(shì)度、均衡度等可以為初步判斷海水溫度范圍提供依據(jù)。簡(jiǎn)單分異度隨著緯度的增加而降低，這種趨勢(shì)幾乎在所有生物門(mén)類(lèi)中都有記載。有孔蟲(chóng)、超微化石、珊瑚、苔蘚蟲(chóng)、雙瓣類(lèi)、腹足類(lèi)等海相生物的分異度，在赤道兩側(cè)均顯示出近于對(duì)稱(chēng)的分布格局:低緯區(qū)分異度高，高緯區(qū)分異度低。 半定量的方法主要利用部分微體古生物類(lèi)群與海水溫度間的關(guān)系部分定量關(guān)系（溫度指數(shù)）恢復(fù)古水溫。常見(jiàn)的有放射蟲(chóng)溫度指數(shù)、硅藻溫度指數(shù)等。（1）放射蟲(chóng)溫度指數(shù)（TR）TR=Xw/Xw+（Xt=Xc）。其中Xw為暖水種個(gè)體數(shù)；Xt為過(guò)渡水種個(gè)體數(shù)；Xc為冷水種個(gè)體數(shù)。（2）硅藻溫度指數(shù)（Td）Td=Xw/Xc+

7、Xw。其中Xw為暖水硅藻個(gè)體總數(shù)；Xc為冷水硅藻個(gè)體總數(shù)。此外還有不少方法可以半定量恢復(fù)古海水溫度。如：?jiǎn)蝹€(gè)指溫種的比例、不同種類(lèi)間的比值變化等等。三、定量恢復(fù)海水古溫度 這是目前最主要、最通行的方法。目前比較通用的古溫度重建指標(biāo)有：有孔蟲(chóng)的轉(zhuǎn)換函數(shù)法和地球化學(xué)的穩(wěn)定同位素法、Mg/Ca比值、基于生物標(biāo)志物的UK37或UK37、TXE86（長(zhǎng)鏈不飽和脂肪酮）等等。 1 有孔蟲(chóng)轉(zhuǎn)換函數(shù)方法： 浮游有孔蟲(chóng)在海洋中廣泛分布、在沉積物中大量保存，對(duì)海洋環(huán)境變化有良好的指示意義，是迄今應(yīng)用最廣的一種古氣候信息載體。自CLI-MAP(1976)首次在全球大洋中應(yīng)用浮游有孔蟲(chóng)組合重建LGM表層大洋溫度以來(lái)，

8、利用浮游有孔蟲(chóng)組合重建古海水表層溫度的方法便不斷得到發(fā)展。 有孔蟲(chóng)轉(zhuǎn)換函數(shù)法通過(guò)數(shù)理統(tǒng)計(jì)的技術(shù)確立浮游有孔蟲(chóng)組合與古溫度之間的定量關(guān)系。將表層沉積物中定量數(shù)據(jù)做因子分析，得出代表性的組合，再用多次回歸分析得出現(xiàn)今海水溫度與現(xiàn)代表層沉積物中浮游有孔蟲(chóng)組合之間關(guān)系的公式，然后將鉆孔剖面中逐層的化石數(shù)據(jù)按上述因子組合進(jìn)行分解，最后用轉(zhuǎn)換函數(shù)對(duì)鉆孔中化石組合值做古溫度推算。 該方法被認(rèn)為是目前獲取表層海水溫度的最有效方法之一。有孔蟲(chóng)轉(zhuǎn)換函數(shù)方法都包括：IKTF（Imbrie-Kipp轉(zhuǎn)換函數(shù)），基于現(xiàn)代類(lèi)比技術(shù)的MAT、RAM和SIMMAX，以及目標(biāo)轉(zhuǎn)換函數(shù)法。1.1 IKTF（Imbrie-Kipp

9、轉(zhuǎn)換函數(shù)）1.1.1 簡(jiǎn)介Berger(1971)基于物種在溫度最適合時(shí)豐度最大，并以正態(tài)分布為特征，最早建立了溫度與屬種含量間最簡(jiǎn)單的關(guān)系式：T(est)=Sum(Pi*Ti)/Sum(Pi)。這就是物種最適溫度法。式中T(est)表示估算溫度，Pi表示第i種的百分含量，Ti是該第i種的最適溫度(在此溫度環(huán)境下，該物種的相對(duì)豐度最大)。Imbrie-Kipp轉(zhuǎn)換函數(shù)方法（Imbrie and Kipp,1971）利用因子分析與回歸分析相結(jié)合建立了轉(zhuǎn)換函數(shù)，在CLIMAP的LGM古溫度重建中起了重要作用。Imbrie和Kipp用浮游有孔蟲(chóng)推算古溫度和古鹽度的轉(zhuǎn)換函數(shù)，如下：夏季表層海水平均溫度

10、，Ts=19.7A+11.6B+2.7C+0.3D+7.6冬季表層海水平均溫度，Tw=23.6A+10.4B+2.7C+2.7D+2.0表層平均鹽度，S=2.0A+1.9B+0.8C-1.6D+33.8式中，A，B，C，D分別代表地層樣品中熱帶、亞熱帶、亞極區(qū)和環(huán)流邊緣組合的數(shù)值。這種方法不僅適用于浮游有孔蟲(chóng)，其它門(mén)類(lèi)的微體化石群也同樣適用。由于現(xiàn)代大洋沉積中微生物組合和海洋環(huán)境之間的關(guān)系在各大洋中并不一致，基于IKTF又產(chǎn)生了一些區(qū)域性的轉(zhuǎn)換函數(shù)，一種轉(zhuǎn)換函數(shù)僅適用于某一特定的海區(qū)。在這里，將基于IKTF產(chǎn)生的一系列區(qū)域性的轉(zhuǎn)換函數(shù)都?xì)w于此類(lèi)。例如，Thompson先后于1976和1981年

11、在西北太平洋的CLIMAP項(xiàng)目中，根據(jù)165個(gè)表層樣品建立了一個(gè)區(qū)域性轉(zhuǎn)換函數(shù)FP-12E；Hutson于1978年，通過(guò)對(duì)印度洋強(qiáng)溶解和弱溶解沉積物中的浮游有孔蟲(chóng)分別進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得出適用于印度洋新近紀(jì)古氣候研究的轉(zhuǎn)換函數(shù)；以及IKM-Chen型轉(zhuǎn)換函數(shù)，等等?？傊?，利用Imbrie-Kipp轉(zhuǎn)換函數(shù)對(duì)海水古溫度的估算結(jié)果相差不多。例如，對(duì)沖繩海槽A7孔的研究中發(fā)現(xiàn)，利用FP-12和IKM-Chen轉(zhuǎn)換函數(shù)估算出來(lái)的表層海水溫度變化趨勢(shì)較相似，均表現(xiàn)出明顯的早冰消期晚冰消期全新世溫度波動(dòng)階段變化。這兩種轉(zhuǎn)換函數(shù)與冷水種群浮游有孔蟲(chóng)反映的溫度變化趨勢(shì)大體相似，然而對(duì)于博令阿羅德暖期的變暖和新仙女木

12、降溫事件沒(méi)有反映，基于現(xiàn)代類(lèi)比技術(shù)的轉(zhuǎn)換函數(shù)MAT、RAM和SIMMAX的估算結(jié)果與基于因子分析與回歸分析結(jié)合的FP-12和IKM-Chen轉(zhuǎn)換函數(shù)估算結(jié)果有明顯的差異。 1.1.2 Imbrie-Kipp轉(zhuǎn)換函數(shù)方法的弊端： 轉(zhuǎn)換函數(shù)法在溫帶地區(qū)非常有用，但涉及到邊緣組合時(shí)，便有可能不能正確估算SST。由于在極度溫暖的情況下，其它因子的影響可能變大。而在極冷環(huán)境中，物種的分異度急劇降低，直至僅由一個(gè)物種構(gòu)成了整個(gè)組合。在極端溫暖或寒冷的情況下，古溫度的估算結(jié)果較差，無(wú)法用來(lái)正確地評(píng)價(jià)海水溫度的變化。 由于轉(zhuǎn)換函數(shù)法假定每一個(gè)組合都能回歸為一個(gè)獨(dú)立參數(shù)的二次方程，而且?guī)讉€(gè)共同作用參數(shù)（如溫度、

13、鹽度等）的作用是相互獨(dú)立的。這可能不符合海洋中的真實(shí)情況，因而導(dǎo)致了系統(tǒng)誤差。由于深海碳酸鹽溶解作用的影響，可能改變浮游有孔蟲(chóng)群落組合，導(dǎo)致轉(zhuǎn)換函數(shù)法估算的誤差增加。因而在研究陸架海與封閉性盆地的古溫度結(jié)構(gòu)時(shí)，這里還存在著鹽度、混濁度、季節(jié)性惡劣天氣等多種因素的干擾，用轉(zhuǎn)換函數(shù)法確定古溫度還是一項(xiàng)非常困難的工作。此外，從現(xiàn)代屬種分布得出的轉(zhuǎn)換函數(shù)只能適用于新近紀(jì)時(shí)期，較早地層中的生物屬種與現(xiàn)代的不盡相同，隨著年代的變老，差距增大，難以與現(xiàn)代作類(lèi)比。況且，地質(zhì)時(shí)期里的海洋環(huán)境，在現(xiàn)代未必都有出現(xiàn)。這些都降低了應(yīng)用浮游有孔蟲(chóng)轉(zhuǎn)換函數(shù)估算表層海水古溫度的可靠性和精度。1.2 MAT法 1.2.1 簡(jiǎn)

14、介 MAT法是基于現(xiàn)代類(lèi)比技術(shù)之上的一種古溫度轉(zhuǎn)換函數(shù)方法，該方法的主要原理是基于相似的溫度環(huán)境下發(fā)育有相似的有孔蟲(chóng)組合，根據(jù)未知樣品與已知數(shù)據(jù)庫(kù)樣品的類(lèi)比，用與其最相似的幾個(gè)現(xiàn)代樣品的平均溫度來(lái)指示該估算樣品的溫度，從而達(dá)到表層海水溫度重建的目的。 Hutson(1980)首先介紹了這種方法，MAT法估算SST是由化石組合與現(xiàn)代組合統(tǒng)計(jì)學(xué)上的不同直接估算的：將現(xiàn)代樣品和鉆孔樣品間向量角的余弦值定義為相似系數(shù)，相似系數(shù)高為較好的類(lèi)比組合。選擇相似的現(xiàn)代類(lèi)比組合，由相似性指數(shù)加權(quán)得出現(xiàn)代樣品組合的平均值，并由此估算出過(guò)去的環(huán)境參數(shù)。 Prell(1985)、Howard和Prell(1992)進(jìn)

15、一步改善了這種方法，用弦距離的平方來(lái)定義訓(xùn)練組中的最佳類(lèi)似物，還可以定義相異系數(shù)來(lái)估算古溫度。MAT比IKTF的估算效果好，甚至當(dāng)轉(zhuǎn)換函數(shù)法建立起區(qū)域性函數(shù)時(shí)，MAT比IKTF的誤差也要小。 1.2.2 MAT法的局限性：MAT法并沒(méi)有在物理參數(shù)和動(dòng)物群資料間建立一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的公式，且沒(méi)有因子，是Lyell均變論的化身。（1） 相異系數(shù)在一定的域值內(nèi)，才可應(yīng)用此分析。低緯地區(qū)動(dòng)物群的分異度原本就比高緯地區(qū)高，而相異系數(shù)是基于分異度的，給現(xiàn)代相似組合的選擇造成困難。因此，相同的域值不能適用于不同的鉆孔，也不能適用于一個(gè)給定鉆孔的整個(gè)長(zhǎng)度。 （2）將許多最好的相似組合平均再用來(lái)估計(jì)環(huán)境的參數(shù)。由于所選

16、最佳相似組合的個(gè)數(shù)N常常不是過(guò)大就是過(guò)小。N過(guò)大，容易包括與樣品非常不同的相似組合，不必要的降低了古溫度重建的準(zhǔn)確性。N過(guò)小，由于樣品的不足，會(huì)導(dǎo)致環(huán)境重建的巨大誤差。這樣的選擇標(biāo)準(zhǔn)，是SST重建中最高和最低SST求得結(jié)果不同的部分原因。而這種現(xiàn)代類(lèi)似組合選擇過(guò)程必然導(dǎo)致了估算的誤差。除此之外，由于現(xiàn)代數(shù)據(jù)庫(kù)涵蓋的范圍不完整，有些組合無(wú)法找到與之相似的組合。由于有孔蟲(chóng)在高緯度地區(qū)是單種的，MAT同樣不適用于高緯地區(qū)。1.3 RAM法 RAM對(duì)MAT進(jìn)行了重大的改進(jìn)，它對(duì)最佳相似物有客觀的選擇標(biāo)準(zhǔn)，又叫做表面響應(yīng)法。以現(xiàn)代溫暖季節(jié)和寒冷季節(jié)的SST為坐標(biāo)的平面上建立一個(gè)以C為步幅的環(huán)境變量的規(guī)則

17、網(wǎng)格，將離節(jié)點(diǎn)<R（歐幾里何距離）的表層樣浮游有孔蟲(chóng)豐度加入該溫度平面的網(wǎng)格中。這種方式僅允許將與SST環(huán)境相近的表層樣添加進(jìn)去，相應(yīng)地，當(dāng)距離節(jié)點(diǎn)<R范圍內(nèi)發(fā)現(xiàn)至少一個(gè)表層樣時(shí)，那么重繪過(guò)程就會(huì)產(chǎn)生新的數(shù)據(jù)。這個(gè)添加過(guò)程產(chǎn)生額外的數(shù)據(jù)點(diǎn)，該點(diǎn)均質(zhì)化了參考數(shù)據(jù)庫(kù)的有孔蟲(chóng)群落豐度和環(huán)境SST。原始表層樣浮游有孔蟲(chóng)數(shù)據(jù)組和添加的數(shù)據(jù)均被用于古溫度的重建。RAM將相異系數(shù)作為所選最佳相似物等級(jí)的函數(shù)并畫(huà)圖，尋找曲線(xiàn)中的躍點(diǎn)，保留第一個(gè)躍點(diǎn)之前的組作為最佳相似組合，或者更加精確地把相異系數(shù)的變化大于最后一個(gè)類(lèi)似組合的相異系數(shù)的分?jǐn)?shù)A（0.10.3）定義為躍點(diǎn)。若無(wú)躍點(diǎn)，則選擇給定數(shù)目B（如

18、：10）為最佳類(lèi)似物的數(shù)目。在進(jìn)行了該最佳相似物較客觀選擇后，即可以用類(lèi)比法來(lái)計(jì)算古溫度。 RAM法更適用于極端寒冷和極端溫暖的環(huán)境。高溫情況下，RAM法重建和實(shí)測(cè)的SST的相關(guān)系數(shù)非常接近1，結(jié)果比MAT好，相似系數(shù)高，并且離差小。1.4 SIMMAX法 SIMMAX法與MAT法原理基本相同，只是對(duì)最佳類(lèi)比物的發(fā)現(xiàn)和處理的方法不同：它以角余弦系數(shù)定義為相異系數(shù)，以改進(jìn)現(xiàn)代SST的計(jì)算。利用樣品和所選類(lèi)比鉆孔位置的地理距離的倒數(shù)的加權(quán)平均來(lái)計(jì)算現(xiàn)代SST的平均值，距離越近的類(lèi)比物越相似，標(biāo)準(zhǔn)組合向量的量積被用于測(cè)定未知溫度樣品和訓(xùn)練組樣品的微體組合的相似性，用觀測(cè)溫度的平均值來(lái)估算古溫度。 與

19、以上幾種方法相比，SIMMAX方法的估算效果更好，對(duì)溶解作用的影響不敏感。一般來(lái)說(shuō)，SIMMAX估算溫度的離差為±0.96，在寒冷的邊界，SIMMAX夏季SST的估算誤差為32.5，而無(wú)距離加權(quán)的估算誤差可能更大。所以，SIMMAX法在寒冷邊界應(yīng)用也是有限制的。當(dāng)利用MAT法出現(xiàn)了相似性指數(shù)比較低，所選量積平均值的離差高，或者用IKTF法平行評(píng)估顯示無(wú)類(lèi)似組合等情況時(shí)，就可以采用SIMMAX法來(lái)估算古溫度。加權(quán)平均地理距離的倒數(shù)對(duì)地理上最近的類(lèi)似物有利，改進(jìn)了現(xiàn)代環(huán)境的重建，但是若化石群隨著大氣和大洋環(huán)流的改變而遷移以及在某些特定時(shí)期從它們現(xiàn)代的中心擴(kuò)散，古環(huán)境將無(wú)法重建。1.5 目

20、標(biāo)轉(zhuǎn)換函數(shù)法 相比于上述方法的抽象因子模型，它更強(qiáng)調(diào)有孔蟲(chóng)屬種在生態(tài)方面的意義。它的原理是先依據(jù)一組時(shí)間序列（鉆孔數(shù)據(jù)），采用基于現(xiàn)代群落推導(dǎo)的古溫度轉(zhuǎn)換函數(shù)，再造一古代時(shí)間面的溫度場(chǎng)，利用此溫度場(chǎng)，基于該時(shí)間面上的古群落再行建立轉(zhuǎn)換函數(shù)，以應(yīng)用于更老時(shí)間段的古溫度推算。2 氧同位素地球化學(xué)方法2.1 方法概況 隨著熱力學(xué)在地球化學(xué)研究中的應(yīng)用，出現(xiàn)了各種地質(zhì)溫度計(jì)。根據(jù)穩(wěn)定同位素化合物之間熱力學(xué)性質(zhì)上的微小差別和穩(wěn)定同位素在兩相之間的平衡分餾依賴(lài)于溫度的關(guān)系，以及氧同位素在兩相（MCO3和H2O）之間的分餾是溫度的函數(shù)，可以用海洋沉積巖芯中生物殘骸的氧同位素比值建立古溫標(biāo)，恢復(fù)古海洋環(huán)境，解

21、釋古氣候。 1947年，Urey發(fā)現(xiàn)在平衡條件下，碳酸鈣從水中沉淀時(shí)，碳酸鈣的氧同位素組成僅僅與水體的溫度和氧同位素組成相關(guān)，這為地質(zhì)古溫度計(jì)的研究奠定了基礎(chǔ)。自然界中，氧元素由16O、17O、18O 三種穩(wěn)定同位素組成，通常用18O/16O（17O 含量甚微，可忽略不計(jì)）來(lái)表述氧元素的同位素組成特征。在平衡條件下，碳酸鈣的氧同位素組成是溫度的函數(shù)。當(dāng)溫度升高時(shí)，相對(duì)較輕的16O 由于有較高的活性，易于遷移，在同位素交換反應(yīng)中將優(yōu)先吸收進(jìn)入殼體，致使生物殼體18O 含量相對(duì)減少，18O 值隨溫度上升而下降。因而可以用氧同位素來(lái)測(cè)定海水溫度。 2.2 關(guān)于古溫度的計(jì)算：Epstein等（1956

22、）通過(guò)實(shí)驗(yàn)，得出一個(gè)計(jì)算古水溫的經(jīng)驗(yàn)公式。Craig把Epstein的經(jīng)驗(yàn)公式校正后得出一修正式：t=16.9一4.2(C一W)+0.13(C一W)2 上式中的C是指由碳酸鈣與100的正磷酸在25下作用生成的CO2氣體所測(cè)得的18OPDB值；W為在25時(shí)與水平衡的CO2的18OPDB值。但因當(dāng)前國(guó)內(nèi)外實(shí)驗(yàn)室在測(cè)定與水平衡的CO2的18O值時(shí)，一般都采用SMOW（標(biāo)準(zhǔn)平均大洋水）標(biāo)準(zhǔn)，而PDB標(biāo)準(zhǔn)較SMOW標(biāo)準(zhǔn)的18O值要正0.22，對(duì)上式進(jìn)行修正，得出：t=16.9一4.2(C一W+0.22)+0.13(C一W+0.22)2。 利用上述公式測(cè)定古海水的絕對(duì)溫度時(shí)，由于古海水無(wú)法得到，所以我們要

23、討論古海水的18O（W）的取值問(wèn)題，寒武紀(jì)至今海水的18O值接近于零，若忽略海水的氧同位素組成，則可將上式簡(jiǎn)化成：t=16.9一4.2（C+0.22）+0.13（C+0.22）2 。根據(jù)海洋沉積物中自生碳酸鹽礦物的氧同位素組成，利用上式就能夠獲得海水溫度。若不忽略海水的氧同位素組成，則可以列出方程組求解。分析在相同溫度下與同一海水達(dá)到平衡的兩個(gè)礦物相，建立兩個(gè)值方值，可準(zhǔn)確地求出W值。Labeyrie得出生物成因的硅藻（SiO2）與海水之間氧同位素分餾與溫度的關(guān)系，建立了方程組：t=16.9一4.2(C一W)+0.13(C一W)2t=5一(4.1±0.4)(si一W一40)式中的C、

24、si均可由質(zhì)譜儀測(cè)出，解方程組即可求得篩值。冰期、間冰期海水的氧同位素比值相對(duì)變化較大，變化幅度可達(dá)1.0一1.4要想準(zhǔn)確地計(jì)算出冰期、間冰期古溫度，必須進(jìn)行校正。為了使slao值接近真實(shí)的溫度，Emiliani對(duì)冰期時(shí)移去的海水及間冰期時(shí)增加的海水量和同位素組成作了校正，把大陸冰的平均氧同位素組成估計(jì)為一15，得出了425,000年以來(lái)的古溫度曲線(xiàn)，反映出八個(gè)溫度周期。但是，影響有孔蟲(chóng)殼體氧同位素的因素比較多，例如全球冰量，鹽度，海平面升降，不同地質(zhì)時(shí)期大洋不同的物理、化學(xué)環(huán)境以及生物面貌等（1989，古海洋學(xué)概論），這些對(duì)同位素分餾產(chǎn)生影響，使得有孔蟲(chóng)殼體18O值與海水溫度的關(guān)系異常復(fù)雜，

25、限制了用有孔蟲(chóng)18O值估算海水溫度方法的發(fā)展。3 Mg/Ca 比值3.1 簡(jiǎn)介有孔蟲(chóng)在生長(zhǎng)過(guò)程中，從海水中吸收Ca、Mg等元素形成碳酸鹽殼體。海水中的Mg /Ca比值基本是一個(gè)常量，因此有孔蟲(chóng)殼體Mg/Ca比值的變化是受到周?chē)h(huán)境參數(shù)的影響而產(chǎn)生的。實(shí)驗(yàn)表明，有孔蟲(chóng)殼體Mg/Ca比值會(huì)隨著海水溫度升高而增高，這是因?yàn)镸g置換碳酸鹽中的Ca是吸熱過(guò)程，所以溫度升高會(huì)導(dǎo)致殼體中Mg 含量的增加。正因?yàn)槿绱?，就可以用有孔蟲(chóng)殼體Mg /Ca比值來(lái)反演海水溫度的變化。Lea等利用Mg/Ca比值法研究揭示了熱帶海洋在冰期和間冰期溫度變化后，有孔蟲(chóng)殼體Mg/Ca比值方法已經(jīng)成為近年來(lái)古海洋研究的重要手段。由

26、于Mg/Ca測(cè)量可與同一殼體的18O結(jié)合重建海水18O的變化，并且利用不同浮游有孔蟲(chóng)屬種的Mg/Ca測(cè)量可以獲得水體溫度結(jié)構(gòu)的變化信息，因此與其他古溫度估算方法相比，該方法具有明顯優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用前景。3.2 計(jì)算有孔蟲(chóng)在生長(zhǎng)過(guò)程中，從海水中吸收Ca，Mg等元素形成碳酸鹽殼體。海水中的Mg/ Ca 比值基本是一個(gè)常量，因此有孔蟲(chóng)殼體Mg / Ca 比值的變化是受到周?chē)h(huán)境參數(shù)的影響而產(chǎn)生的。因?yàn)镸g置換碳酸鹽中的Ca是吸熱過(guò)程，所以溫度升高會(huì)導(dǎo)致殼體中Mg含量的增加，而實(shí)驗(yàn)結(jié)果也表明，有孔蟲(chóng)殼體Mg/ Ca 比值會(huì)隨著海水溫度升高而增高。經(jīng)測(cè)定，溫度升高1，有孔蟲(chóng)殼體Mg/ Ca 比值增加( 9+-

27、1)%。大量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果均表明有孔蟲(chóng)殼體Mg/ Ca 比值與海水溫度應(yīng)該是一種指數(shù)函數(shù)關(guān)系，而不是線(xiàn)性關(guān)系。可以用下述經(jīng)驗(yàn)公式表示：Mg/ Ca ( m mol/ mol) = b emT 或者，T =1/m* ln ( Mg / Ca) / b 式中，m 表示Mg/ Ca 比值隨溫度的指數(shù)變化；b 表示Mg / Ca 隨溫度變化的幅度；T 代表溫度。不同海區(qū)不同屬種m 和b 的值不一樣， 指數(shù)m 的變化范圍為0. 085 0. 11，相當(dāng)于溫度升高1，Mg / Ca 比值增加8. 5% 11%，系數(shù)b 在0. 3 0. 52 之間變化。 各個(gè)海區(qū)鉆孔沉積物以及沉積物捕獲器中有孔蟲(chóng)Mg/ Ca

28、比值與海水溫度也都滿(mǎn)足這種類(lèi)似的關(guān)系。Mg/ Ca 比值方法應(yīng)用范圍較廣，從低緯海區(qū)到高緯海區(qū)，從表層海水到深層海水，都有人在開(kāi)展實(shí)驗(yàn)。但在碳酸鹽溶解作用強(qiáng)的海區(qū)，由于鈣質(zhì)微體化石易溶解，Mg/ Ca 比值方法的應(yīng)用受到限制。4 UK374.1 不飽和烯酮（Uk37）簡(jiǎn)介長(zhǎng)鏈烯酮不飽和度溫標(biāo)，具有不受碳酸鹽溶解作用、沉積作用、氧化作用及長(zhǎng)鏈烯酮豐度等因素影響的特性，已成為繼微體化石(有孔蟲(chóng)等)、氧同位素之后又一古氣候變化研究的重要替代指標(biāo)。盡管有研究表明營(yíng)養(yǎng)、光照等環(huán)境因素可能影響長(zhǎng)鏈烯酮不飽和度溫標(biāo)，但Uk37溫標(biāo)仍然廣泛地、成功地應(yīng)用于定量重建古海表水溫。海洋環(huán)境中長(zhǎng)鏈烯酮不飽和度溫標(biāo)（U

29、k37）不僅能夠反映地質(zhì)歷史時(shí)期冰期-間冰期較大的溫度變化，而且能夠定量反映中世紀(jì)暖期、小冰期及近代的溫度波動(dòng)。Uk37溫標(biāo)在全球海洋中得到廣泛應(yīng)用主要?dú)w功于：（1）長(zhǎng)鏈烯酮在海洋中廣泛存在（Müller et al.,1998）；（2）海洋中長(zhǎng)鏈烯酮的母源比較清楚，只有少數(shù)的幾種金藻合成長(zhǎng)鏈烯酮: 例如廣海種Emilianiahuxleyi、Gephyrocapsa oceanica和濱海種Isochrysis galbana、Chrysotila lamellosa；（3）通過(guò)實(shí)驗(yàn)室對(duì)單藻種的控溫培養(yǎng)以及全球海洋表層沉積物的研究，建立了Uk37 溫度(T)的關(guān)系方程(Mü

30、;ller et al.,1998;Versteegh et al.,2001; Prahl et al., 1987;Volkman etal.,1995;Conte et al.,1995,1998,2001;Sawada et al.,1996;Rosell-Melé et al.,1995;Ternois et al., 1997;Pelejero et al.,1997; Bentaleb et al.,2002)。4.2 不飽和烯酮（Uk37）計(jì)算方法實(shí)際應(yīng)用中，用適當(dāng)?shù)挠袡C(jī)溶劑充分提取沉積物中的地質(zhì)類(lèi)脂化合物，用氣相色譜分析，根據(jù)出峰的保留時(shí)間及峰面積積分值，分別對(duì)烯酮

31、化合物的各個(gè)組分進(jìn)行定性與定量研究。烯酮化合物不飽和度指標(biāo)（Uk37）的定義如下：Uk37= C37: 2 - C37: 4 / C37: 2 + C37: 3 + C37: 4 式中，Uk37 表示碳數(shù)為37 的甲基酮的不飽和比值，/ U0 表示不飽和度， / k0表示甲基酮，/ 370 表示碳數(shù)；C37: 2，C37: 3 和C37: 4分別表示碳數(shù)為37，帶有2 4 個(gè)碳碳雙鍵的甲基酮。由于在大多數(shù)沉積物中C37: 4含量極微，故一般把上式簡(jiǎn)化為：Uk37= C37: 2 / C37: 2 + C37: 3 利用Uk37來(lái)估算海水表層溫度在某些地區(qū)的應(yīng)用已經(jīng)取得了成功。例如王律江再造了南

32、海北部17940 站位末次冰期以來(lái)的海水溫度變化，趙美訓(xùn)等利用MD972151站位的材料重現(xiàn)了南海南部0.15Ma B.P.以來(lái)的海水溫度變化。在CCD 面之下的沉積物，碳酸鹽含量稀少，Uk37的應(yīng)用價(jià)值更為突出。但這種方法也存在許多問(wèn)題，例如顆石藻Emilianiahuxleyi最早出現(xiàn)于0. 27Ma B.P.前，但是更早的地層中也發(fā)現(xiàn)有烯酮化合物，因此烯酮化合物的來(lái)源還有待于進(jìn)一步確定。另外，Emilianiahuxleyi合成烯酮化合物是否與季節(jié)有關(guān)，如與季節(jié)有關(guān)，它又反映了何種季節(jié)的海水表層溫度，這些問(wèn)題都有待于進(jìn)一步的澄清。5 TEX86指標(biāo)（長(zhǎng)鏈不飽和脂肪酮）TEX86是近期出現(xiàn)

33、的新的古溫度指標(biāo)，它與其他替代性指標(biāo)相比具有優(yōu)越性。近年來(lái)開(kāi)始被廣泛的應(yīng)用開(kāi)來(lái)。5.1 其他替代性指標(biāo)的弊端有孔蟲(chóng)轉(zhuǎn)換函數(shù)雖然可以獲得較為準(zhǔn)確的夏冬季古溫度記錄，但在實(shí)際應(yīng)用中比較費(fèi)時(shí)，并且適用的區(qū)域及時(shí)間跨度也較小，目前主要用于第四紀(jì)表層海水溫度的重建。有孔蟲(chóng)18O和Mg/Ca比值除受溫度的影響之外，還受到其他一些因素的制約。如不同種群在水體中的垂直分布，浮游生物本身的礦化過(guò)程，海水碳酸根離子濃度，有孔蟲(chóng)殼體在沉積物中的保存狀況等。另外，有孔蟲(chóng)18O作為古溫度指標(biāo)還需要利用海水鹽度記錄來(lái)計(jì)算，而古海水鹽度的估算也存在很大誤差。利用UK37指標(biāo)重建古海水溫度變化，基本不受海水鹽度變化的影響,并

34、且具有較高的分析精度。UK37也有一定的局限性。其一，溫度局限性。Uk37指標(biāo)只能應(yīng)用于表層溫度低于29的海洋環(huán)境中，因?yàn)樗?9以上的水體環(huán)境中，顆石藻只產(chǎn)生C37：2烯酮，所以Uk37指標(biāo)在西太平洋暖池區(qū)等高溫區(qū)古溫度重建會(huì)受到限制。其二，時(shí)間局限性。由目前的研究來(lái)看，顆石藻種群出現(xiàn)較晚，Uk37指標(biāo)只能應(yīng)用到過(guò)去6 Ma的時(shí)間尺度之內(nèi)。其三、地域局限性，在兩極地區(qū)尚不能應(yīng)用。到目前為止，兩極海區(qū)中沒(méi)有發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生C37不飽和烯酮的顆石藻存在。5.2 TEX86指標(biāo)的提出 TEX86指標(biāo)是由Schouten首次提出的，它是基于GDGTs II、III、IV及Vc的相對(duì)比值，即:TEX86=II

35、I+IV+VcII+III+IV+Vc。（TEX86與年平均表層海水溫度有很好的相關(guān)性，該方程的適用溫度范圍為030） 在Schouten等提出TEX86指標(biāo)之后，不同研究者通過(guò)Marine Crenarchaeota的培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)、水體顆粒物(POM)和海底表層沉積物等分析研究來(lái)檢驗(yàn)其在古海水溫度重建中的應(yīng)用。由于人工實(shí)驗(yàn)室條件不能完全代表海洋的實(shí)際情況，如種群的差異、生物之間的相互制約、海洋其他條件的變化等都可能會(huì)影響TEX86對(duì)溫度的指示作用，因此，TEX86指標(biāo)的應(yīng)用還需要通過(guò)實(shí)測(cè)海洋中的樣品來(lái)進(jìn)一步驗(yàn)證。通過(guò)綜合人工培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)、水體顆粒物以及海底表層沉積物等的分析結(jié)果，得出TEX86指標(biāo)與表層海水溫度呈線(xiàn)性關(guān)系的結(jié)論，TEX86主要受溫度的影響，而鹽度