1、精選文檔關(guān)于海洋古水溫的研究2013級地質(zhì)學(xué) 叢靜藝古海洋的歷史難以直接恢復(fù)，只能通過某些參數(shù)的恢復(fù)進行間接地推斷。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。海水溫度對大洋系統(tǒng)有多方面的影響，因此，恢復(fù)了某一時期古海洋的海水溫度，就可以推斷當(dāng)時大洋的基本特征。海水溫度是水團的重要標(biāo)志?，F(xiàn)今大洋中的許多水團就是依據(jù)海水溫度為重要標(biāo)志而

2、劃分出來的，也就是說，不同的水團有不同的海水溫度特征，如我國近海海域的外海水團和近岸水團；再如各大洋次表層水水團之下可以劃分出中央水團、亞南極水團、亞北極水團等（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輻射造成，但卻是通過海水溫度表現(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，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，概括起來有古生

3、物學(xué)方法、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。但是運用化石標(biāo)志辨認特定的水團、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，對水團、洋流作更深入的研究，就需要先取得古水溫的資料，這是因為古水溫不僅可以反映古氣候的變遷,而且還為古洋流的動態(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行的。許多生物的種類或者組合與其生活時的水溫密切相關(guān)。所以找到這樣的種類或者組

4、合就可以大致知道它們生活時的水溫高低以及變化的大致狀況。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標(biāo)志種和標(biāo)志性種組合反映出來。底層水的溫度可以用底棲有孔蟲組合和介形蟲來指示，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。浮游有孔蟲及其組合可以指示表層水溫度，常見的暖水種浮游有孔蟲包括:Globigerinoides ruber, Globigerinoides sacculifer,Globorota

5、lia menardii和Pulleniatina obliquiloculata等,冷水種浮游有孔蟲包括: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，這對于簡單的指示環(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，浮游有孔蟲的形態(tài)特征、殼口大小和表面的微細結(jié)構(gòu)受溫度的影響，會隨著緯度的變化呈現(xiàn)一

6、定的遞變性。二、半定量恢復(fù)古海水溫度分異度、優(yōu)勢度、均衡度等可以為初步判斷海水溫度范圍提供依據(jù)。簡單分異度隨著緯度的增加而降低，這種趨勢幾乎在所有生物門類中都有記載。有孔蟲、超微化石、珊瑚、苔蘚蟲、雙瓣類、腹足類等海相生物的分異度，在赤道兩側(cè)均顯示出近于對稱的分布格局: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。常見的有放射蟲溫度指數(shù)、硅藻溫度指數(shù)等。（1）放射蟲溫度指數(shù)（TR）TR=Xw/Xw+（Xt=Xc）。其中Xw為暖水種個體數(shù)；Xt為過渡水種個體數(shù)；Xc為冷水種個體數(shù)。（2）硅藻溫度指數(shù)（Td）Td=Xw

7、/Xc+Xw。其中Xw為暖水硅藻個體總數(shù)；Xc為冷水硅藻個體總數(shù)。此外還有不少方法可以半定量恢復(fù)古海水溫度。如：單個指溫種的比例、不同種類間的比值變化等等。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（長鏈不飽和脂肪酮）等等。 1 有孔蟲轉(zhuǎn)換函數(shù)方法： 浮游有孔蟲在海洋中廣泛分布、在沉積物中大量保存，對海洋環(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)用浮游有孔蟲組合重建LGM表層大洋溫

8、度以來，利用浮游有孔蟲組合重建古海水表層溫度的方法便不斷得到發(fā)展。 有孔蟲轉(zhuǎn)換函數(shù)法通過數(shù)理統(tǒng)計的技術(shù)確立浮游有孔蟲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)按上述因子組合進行分解，最后用轉(zhuǎn)換函數(shù)對鉆孔中化石組合值做古溫度推算。 該方法被認為是目前獲取表層海水溫度的最有效方法之一。有孔蟲轉(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-

9、Kipp轉(zhuǎn)換函數(shù)）1.1.1 簡介Berger(1971)基于物種在溫度最適合時豐度最大，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用浮游有孔蟲推算古溫度和古鹽度的轉(zhuǎn)換函數(shù)，如下：夏季表層海水

10、平均溫度，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，其它門類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)都歸于此類。例如，Thompson先后于1976和1

11、981年在西北太平洋的CLIMAP項目中，根據(jù)165個表層樣品建立了一個區(qū)域性轉(zhuǎn)換函數(shù)FP-12E；Hutson于1978年，通過對印度洋強溶解和弱溶解沉積物中的浮游有孔蟲分別進行統(tǒng)計，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)對海水古溫度的估算結(jié)果相差不多。例如，對沖繩海槽A7孔的研究中發(fā)現(xiàn)，利用FP-12和IKM-Chen轉(zhuǎn)換函數(shù)估算出來的表層海水溫度變化趨勢較相似，均表現(xiàn)出明顯的早冰消期晚冰消期全新世溫度波動階段變化。這兩種轉(zhuǎn)換函數(shù)與冷水種群浮游有孔蟲反映的溫度變化趨勢大體相似，然而對于博令阿羅德暖期的變暖和

12、新仙女木降溫事件沒有反映，基于現(xiàn)代類比技術(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，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，直至僅由一個物種構(gòu)成了整個組合。在極端溫暖或寒冷的情況下，古溫度的估算結(jié)果較差，無法用來正確地評價海水溫度的變化。 由于轉(zhuǎn)換函數(shù)法假定每一個組合都能回歸為一個獨立參數(shù)的二次方程，而且?guī)讉€共同作用參數(shù)（

13、如溫度、鹽度等）的作用是相互獨立的。這可能不符合海洋中的真實情況，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，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)代作類比。況且，地質(zhì)時期里的海洋環(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

14、.1 簡介 MAT法是基于現(xiàn)代類比技術(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)育有相似的有孔蟲組合，根據(jù)未知樣品與已知數(shù)據(jù)庫樣品的類比，用與其最相似的幾個現(xiàn)代樣品的平均溫度來指示該估算樣品的溫度，從而達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)高為較好的類比組合。選擇相似的現(xiàn)代類比組合，由相似性指數(shù)加權(quán)得出現(xiàn)代樣品組合的平均值，并由此估算出過去的環(huán)境參數(shù)。 Prell(1985)、Howard和Prell(19

15、92)進一步改善了這種方法，用弦距離的平方來定義訓(xùn)練組中的最佳類似物，還可以定義相異系數(shù)來估算古溫度。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，MAT比IKTF的誤差也要小。 1.2.2 MAT法的局限性：MAT法并沒有在物理參數(shù)和動物群資料間建立一個標(biāo)準(zhǔn)的公式，且沒有因子，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，也不能適用于一個給定鉆孔的整個長度。 （2）將許多最好的相似組合平均再用來估計環(huán)境的參數(shù)。

16、由于所選最佳相似組合的個數(shù)N常常不是過大就是過小。N過大，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過小，由于樣品的不足，會導(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)代類似組合選擇過程必然導(dǎo)致了估算的誤差。除此之外，由于現(xiàn)代數(shù)據(jù)庫涵蓋的范圍不完整，有些組合無法找到與之相似的組合。由于有孔蟲在高緯度地區(qū)是單種的，MAT同樣不適用于高緯地區(qū)。1.3 RAM法 RAM對MAT進行了重大的改進，它對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)的平面上建立一個以C為步幅的環(huán)境變

17、量的規(guī)則網(wǎng)格，將離節(jié)點R（歐幾里何距離）的表層樣浮游有孔蟲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去，相應(yīng)地，當(dāng)距離節(jié)點20)的海底表層沉積物樣品進行18O指標(biāo)和TEX86對比分析之后，給出了適用于高溫條件下的TEX86-SST關(guān)系式(表1,方程2)，并通過與其他溫度指標(biāo)(如有孔蟲18O指標(biāo))進行對比來驗證了TEX86的有效性。比如，TEX86指標(biāo)揭示在中白堊紀(jì)的暖期里，低緯度北大西洋的溫度達到了3236。該結(jié)果與利用有孔蟲18O指標(biāo)以及環(huán)流模式給出的古海水溫度值一致。此外，TEX86指標(biāo)在全新世的研究也受到重視。Huguet等應(yīng)用TEX86指標(biāo)研究全新世末期阿拉伯海的表層海水溫度變化，結(jié)果顯示TEX86指標(biāo)給出的海水溫度記錄與全球古氣候變化有很好的一致性，如Termination I,the ACR(Antarctic Cold Reversal)等在該溫度記錄上都有反映。5.4 指標(biāo)的局限性