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，EmilianiA ．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/16Of = 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 kgA o = 361 x 106 km 2C ．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1‰。

据此，可以推知Laurentide 冰盖南缘附近冰层中同位素组成约为-16~-19‰，冰盖内部约在-30‰。

考虑到冰体中冰流和水流的影响，以上结论支持冰体中总体的同位素组成更接近-30‰，而非15‰。

b ．McDuff 提出：海底沉积物中存在毛细管，盐分和同位素在毛细水中扩散时会发生迟滞，在40m 深度，这种扩散迟滞会导致盐度上升和同位素含量下降；迟滞的时间尺度可以依下式计算：所以，在经历了数个冰期更迭之后，该深度的毛细水中海水盐度和同位素组成更接近于历史平均值，而现代普遍的海洋海水盐度偏低、同位素组成偏轻。

Schrag 和DePaolo 应用上述机制，估算末次盛冰期以来海水δ18O 变化值约为-1.0 ±0.25‰；同时估计有120m 的海平面升降变化；据此得到更新世最晚期的冰盖中同位素组成应为-32 ± 8‰。

不久，Adkins 等人（2002）就将这种机制延伸到虑及海平面升降的古盐度计算方法中去。

对表层海水数据分析的结果显示末次盛冰期（LGM ，latest glacial maximum）时海平面降低约150m ，这比由海平面观测得到的数据多出20~30m。

3．由此我们可得出：即使有确凿和实际的冰期冰中同位素组成和海平面升降变化为基础，现在看来，仍然有约2/3的冰期-间冰期的δ18O 同位素差异归因于冰体体积的不同。

这与Emiliani 的结果背道而驰。

IV ．Shackleton 的底栖有孔虫δ18OA ．N . J . Shackleton 曾提出在低温的深海温度的变化也较小（显然一定量的水不可能低于冰点存在），因此，相似的结论也就顺理成章：深海底栖有孔虫壳体的同位素组成主要反映冰川体积的变化，而非温度变化。

问题：底栖有孔虫较稀缺（只占所有有孔虫的一小部分），因此一般要求100x 原始样品时，所得有孔虫难以达到要求尺寸。

Shackleton 和其合作者将质谱仪改进，只需要10x 的较少样品，这就使底栖有孔虫的可分析性大大增加。

B ．Shackleton 的第一篇论文，比较研究浮游有孔虫和混有浮游种类的底栖有孔虫样品，发现其修正值为1:1。

因此Shackleton 认为大部分（至少2/3）的底栖和浮游有孔虫δ18O 变化量应归因于冰体体积。

这一点，意味着热带海洋温度的变化并不大，有悖于Emilinia 得随着Shackleton 的观点渐被接受，学者们普遍在寻找证据将“至少2/3” 更出的降温8~10o C 。

换为“绝大部分底栖有孔虫同位素组成归因于冰川体积”或者“多于2/3”这样的表述。

1．近年来的成果显示“2/3”可能恰好是在分界点附近。

求证这一点需要更多的对古代海平面变化的实质证据（后文详述）。

2．Shackleton 指出，假如大部分氧同位素信号是因冰川体积变化而变化的，那么遍及，整个海洋的18O 纪录应该是全球同步的（需计入全球海水完全混合所需的约1000年时间）且能因此建立可全球对比的时间表。

同时，他还提出了一些“次级期”（sub-stages ）补充进Emilinia 的氧同位素期次地层序列中，从而提高了这种地层序列的修正精度。

3．Broecker 和van Donk（1970）发现很多数据图中，冰川消失趋向比形成要极端的多（“锯齿状”图线），因此引入一个概念叫“终止期”指代大型陡峭的冰川消融趋势，例如末次盛冰期的过渡期就被称为“终止期I ”4．Shackleton （1969）引入“次级期”（sub-stages ）的概念，包括氧同位素期次图中的第5幕的若干次冷/暖事件。

上图由MIT OCW绘制C ．最先将Shackleton 的观点复杂化的因素之一是：底栖有孔虫壳体同位素的组成会在不同种类和个体之间存在差异。

J . C . Duplessy 等（1970）不同的有孔虫种之间的差异能达到0.7‰ 或更高。

这一点一定程度上削弱了Shackleton 的结论，同时也提出对单种底栖有孔虫详细分析的需要。

上图由MIT OCW绘制，摘自Duplessy 等（1970）。

D ．Shackleton 例举Uvigerina. 这一种为基础，假设其处于平衡状态（比较于1970年O’Niel的无机平衡），聚焦于其同位素组成变化的序列。

得到的结论与他之前的工作基本符合，人们（除了愤怒中的Emilinia ）也开始将底栖种类的同位素组成看作是借代海平面记录的近义词。

1970年代的某段时间（不幸的是，时至今日依然如此），将底栖种类δ18O 值指称为“冰川体积”仍然是普遍的，这显然严重忽略了深海温度变化可能起到的作用。