海平面与气候变化

古海洋学 12.740 2004年春季讲义04

海平面和候化：

气变

定和新的珊瑚礁

稳兴岛屿

和古地磁的年代

C14、Th230学

地均衡模型

壳

I。简介：壳体位置vs初始绝对深度，局部vs全球海平面升降变化，地壳回弹、大陆倾斜和全球均衡调节，虫壳沿大陆斜坡的下滑。

II。复习：Δδ18O foram是对冰盖体积、冰块同位素组成、局部海水的温度和盐度的应变量；但大概更多反映的是全球冰量，而非冰川中的同位素组成或海水温度、盐度的变化；但是我们何以得知更多的细节？

从某种程度上来讲，古生态学的温度测算方法和结论支持上述概念，但看来这些方法不能完全可靠的将古海平面升降变化建立在确凿的证据之上。

A. δ18O与海平面的关系

同位素质量平衡方程

（式中Mo、Mi、Mt分别代表大洋、冰川和大陆的质量，δο、δi、δt分别代表上述三者的δ18O值，ΔMi 代表冰川质量的变化量，Ao表示大洋表面积）

B.需要注意的是冰川学者认为冰川的表面积并非与其体积线形相关（V∝A1.5）

C.另外值得注意的是海面上的浮冰并不能显著影响海平面变化，但实际上它可能改变海

水平均同位素组成

D.所以综合看来，最为可信的海平面约束因素应该是由可靠的古海岸线证据提供的。

III。“直系”逼近：采自大陆架的样壳，可以用14C定年（或者是在泥炭沼泽的工作、或利用树木等其他方法，都说明海平面始终是在某一确定面以下的）。在上世纪50年代后期到60年代，很多古海洋学者利用采自大陆架的样品壳体，意图创立海平面曲线（例如：Curray 在50年代晚期和60年代早期的研究工作，Milliman和Emery在60年代晚期的研究）。

A.以上研究表明海平面是渐降的，一般指向18k年前，但是

1.每个年龄值之间分散过大

2.30kyr的海平面和现代的是否可对比？（这一点看上去和δ18O给出的证据相悖），可能的解释是：

a.相对海平面的真正变化

i.大地构造

ii.极移（表面平衡）

b.样品的问题？比如样壳的异地埋藏问题；定年的误差（如现代14C对样品的污染，以及C-14定年方法的问题）；

B.原地的指示（如珊瑚礁）似乎比有活动能力的生物更为可靠。根据以上观点，稳定的海岸线（尤其稳定洋道）显然更可取。

IV。14C定年法（第一部分）

A. 14C：

发生路径：宇宙射线→中子→14N→14C+质子

发生速度：与14N和宇宙射线流量成正比，受到太阳风和地球磁场的影响

但是，按照约定，14C的半衰期一般都按照5570yrs计。所以所有文献中的年龄值和它所引用的半衰期数据是密不可分的。

B.假定大气中的14C/12C是恒定的，并假定所测对象是直接从大气中获得C元素，并且它自身是一个封闭体系，则有：

C.现代C元素对古代样品的污染效应

半衰期

数

剩余14C

时间（yrs）

1.污染的发生：在空的实验室中也会有污染；通过与地下水、现代海洋中14C的交换；从海底将深海岩芯取上来时，细菌的生长造成。

2.这一问题造成14C定年存在一个“实际”极限：25000yrs，由于样品的采集和处理过程中不可能不被污染。如果无法得知样品处理工作是什么人操作，以及工作人员的认真程度，对任何大于25000yrs的年龄值都应持怀疑态度，并且任何大于18000yrs都应存有一定的偶然误差。

3.因此：30Kyrs的年龄值应该慎重考虑！

4.在应用大陆架指示物——14C法重建海平面时，诸如所得盛冰期年龄值范围很宽、表观值在30~35Kyrs附近等问题可以被归因为现代14C的污染。尽管如此，我们还是愿意探讨更早时期海平面位置及变化的问题。

V。U/230Th法对珊瑚定年

A.

B.

相对说来，U在海水中是可溶的（例如以碳酸盐复合物的形式：UO22+CO32-、UO22+(CO32-)2），溶解度大约13nmol/kg（2.3dpm/kg），可以保存。

230Th具有较强粒子活性，它能够很快黏附在物体表面，在约30yrs时间尺度内230Th就在海水中被移除，因此在海水中230Th一般呈相当低的浓度（海水表层值：﹤0.1dpm/100kg，深水中约1dpm/100kg）。

C.珊瑚会结合少量U（约2ppm），极微量的Th。

D. 230Th定年方法的假设条件：

1.封闭体系：除了放射性衰变，没有U和Th进出体系；

2.初始230Th =0

3.初始放射性比例234U/235U=1.15[这是观测自海水的比值；不平衡的原因在于大陆岩石受到的α-反作用力破坏作用以及因此产生的对234U的强风化速率；我们假定这一比值在过去也是恒定的——但这可证明么？]

4.得：

其中放射性核以浓度单位（原子数/g）表达；

在向活性单位（dpm/g）转化过程中，需经历以下几个状态：

因此：

解答式：（先解决234U的平衡，再将230Th的平衡引入。另：230Th的平衡问题留给读者练习）

以上解答式也可由图象直接得到，但需注意每隔一个230Th的半衰期，230Th /234U比值都会向1逼近50%。

5.由于234U/238U比值的起始反应是放射性平衡，因此有必要对初始超额的衰变量做出

修正，完整计算230Th的平衡方程应为：

及

其中：

t代表样品年龄（kyr 距今）

注意：以上处理与Edwards等人约定的过程在符号上略有不同

6.计算统计学：n的平方根。

7.软体动物生活过程中也会结合U，但却由于其不是一个对于U的封闭体系，从而不能用来做定年。

8.有孔虫壳体的U含量过低，因此也不是U-Th法的较好备选。假如有人能够清除桥体表面过剩的Th（这是一项极度艰难的任务），那么利用有孔虫也并非没有可能。但是Hendersen 和O’Nions1985年对234U/238U的研究指出，有孔虫壳含有234U，使得计算230Th变得复杂。

9.近年来，多收集头的等离子质谱仪越来越被证明在U-Th定年方面比TIMS更为有效。

VI。230Th珊瑚定年法的应用：alpha-计算时代（已被近来的质谱分析方法检验）

A.Veeh（1966）发现百慕大距今120Kyr的高水位现象：比现在高5±1 m

B.发现在许多洋岛存在125±4 m的高水位现象