氧同位素古温计

氧同位素古温计

古海洋学 12.740 2004年春季讲义2

氧同位素古温计

I ．1940年代，Kullenberg 发明活塞取样法。

众所周知，获得深海岩芯使用的是重力取样法：一条软管，上端固定在船上，下端挂载一个“岩芯捕手”（柔韧的多分叉金属指状物），扔到洋底，取得样品。但是软管壁的摩擦系数限制了获取岩芯的能力，现代的重力取样装置能够得到大约5m 的岩芯，老一点的也就能拿到1~2m的岩芯。Kullenberg 向软管中引进了一个活塞装置，其作用在于当管道逐渐向沉积物中进入时，活塞制造的吸力能够帮助获取更多的样品。现代的活塞取样法最多能够一次采得约50m 长的岩芯（一般在

20m 左右）。

Ⅱ．1950年代，Emiliani

A ．Emiliani 利用Urey 的质谱分析仪（该实验法一般要求5mg 碳酸盐样品，约等价于100~200个有孔虫个体），对采自加勒比海的大量多种属的浮游有孔虫进行分析。研究发现明显的深度分层：有些种属的有孔虫记录的同位素古水温接近于表层水温水平，而其余种属的古水温则相对较低。

B ．Emiliani 分析了大西洋岩芯中浮游有孔虫记录的古水温数据，并参照表层海水的同位素成分变化做出修正，计算出冰期时热带海域表层海水有6~8Co 的降温量（也就是约1. 5‰18；找到了过去50万年来数次冰期/间冰期旋回的证据；首创同位素期次地层体系的δO增量）

（现在一般称为“MIS ”，Marine Isotope Stages）；讨论了这些数据支持米兰克维奇旋回影响气候变化的观点。

1．Emiliani 发展了一种同位素记数方法，将暖记作奇数，冷记作偶数，基于此就能可

靠地发觉所记录数据中微小的变化。

2．Emiliani 的工作造成了巨大轰动，以致很快就遭到各方面的质疑和批评。

a ．它违反了由陆地地层记录得到的4次冰期这一主流思想；

b ．气象学者认为他提出的热带海温变化不合理；

c ．微体古生物学者发现Emiliani 的结论和之前在G ．menardii 地层剖面所作的微体古

18生物学工作和O记录存有矛盾；

d ．生物学家讨论说当有孔虫生态位发生变化，则其生活水深的习性也就改变，因此

古水温记录也就不准确；

e ．时间尺度（基于230Th/231Pa 法）被批评；

f ．种属的统计错误也被指出。

3．且不论这些评论，根据1996年一些证据证明，Emiliani 的大部分观点是正确的，除

了有关时间尺度和热带地区降温幅度这两方面仍存异议。

·有关时间尺度的问题：Emiliani 的时间尺度是对一段岩芯采用231Pa/ 230Th 测年法分

析得到的。这种方法假定在年龄零点时的231Pa/ 230Th 比例初始值等于海水中235U 和234U 的生产

速率。现在我们知道这个方法存在谬误，因为Th 和Pa 是由他们的微分粒子在海水中反应分

馏得来的。

III ．氧同位素水文学

A ． Emiliani的阐释主要的问题在于他对海水同位素组成变化的修正。

B ．大气中和沉积物中的氧（和氢）同位素

1．与水平衡的水蒸气的δ18O 大约在-9到-11‰，随温度变化有微小变量。算式为：

2．如果将一定量的空气与一定量δ18O=0的水相平衡，孤立，降温，然后持续将浓缩的液相物质提取，那么气相物就会逐渐处于18O 亏损状态，这是因为蒸汽压对温度呈指数关系。

Rayleigh 分馏公式：

其中：

T = 温度

α（T ）= Rliq /Rvap 同位素分馏（与温度微弱相关）

R/Ri = 18O/16O

f = 初始水蒸气的残余量（受控于平衡时的水蒸气量，以及残余水蒸气和初始水

蒸气中的18O/16O 的比例）

上图由MIT OCW绘制，改编自Broecker 的《Chemical Oceanography》（1974）。

3．相似的分馏过程对氢也成立，除了对于D/H而言，由于同位素原子的质量差成比例地增大，其分馏的量也增大，依赖于一个约等于8的常数。

4．由于大部分的蒸发量发生在热带和亚热带海洋（蒸汽压较大），而且由于大部分沉降过程是热带海水向较冷的极地方向迁移时发生的，因此在年平均温度和年平均δ18O 之间有较强的相关关系。

上图由MIT OCW绘制，改编自Broecker 的《Chemical Oceanography》（1974）。

5．尽管Emiliani 也认识到现代冰川密度相对较小，而且氧同位素组份大约在-25‰附近，他仍然坚持认为冰川最盛时期（当时冰川已经延伸到相当低的纬度地区）降雪中的氧同位素组份应该约等于-15‰，依据在于-5 o C 到0o C （由于蒸汽压对温度的指数依赖关系，在该温度下，大量降雪能够发生）的深海沉积物也具有类似的氧同位素组成。自Emiliani 之后，通行的对海平面升降（约100m ）的估算和在计算冰盖时作出的假设，都包含氧同位素组成为-15‰这一基本条件。Emiliani 计算的结果认为冰川体积变化对海水氧同位素组成的影响越占总体的

1/3。

M o δo + Mi δI = 常数

M o =1.4 x 1021 kg

A o = 361 x 106 km 2

C ．Emiliani 的推导过程存有疏漏，即冰盖厚度并不能完全反映降雪量。冰盖的南部边缘消融最快，同时降雪量也最大；同时，冰川内的流动导致冰盖反映的是北部的冰盖核心部

位的同位素组成，即δ18O 愈加向负值偏移，约在-30到-50‰附近。

上图由MIT OCW绘制

1．这一观点是由Dansgaard （1968）指出的，他测算了西北格陵兰Camp Century冰芯中的δ18O 值，得出结论：典型的表层值为-28‰，典型的最大冰期值为-40‰。

2．看上去，我们无法得知Laurentide 和Fennoscandian 上冰川的同位素组成，因为他们早已经消失了。但是其实还有两个能确定冰川冰中同位素组成的巧妙方法：

a．Hillaire-Marcel 和Causse 研究了冰盖下融水溪流中碳酸盐沉淀物质的同位素组成，发现温度被严格限定在一个狭窄的范围内（融点作为压力的函数的结果），现代冰川也具有类似情形，且温度分布在-1.5~5 o C 之内都是合理的。假如碳酸盐和融水处于平衡状态，我们依据碳酸盐计算融水同位素组成的精度能达到