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以铝钛比值为地球化学示踪剂反演海洋古生产力的研究进展

第20卷第12期2005年12月

地球科学进展

ADVANCES I N E ART H SC I ENCE

Vol.20　No.12

Dec.,2005

文章编号:100128166(2005)1221314207

以A l/T i比值为地球化学示踪剂反演

海洋古生产力的研究进展3

任景玲1,张　经1,2,刘素美1

(1.中国海洋大学化学化工学院,山东　青岛　266003;

2.华东师范大学河口海岸研究所国家重点实验室,上海　200062)

摘　要:地球化学家通常用A l对其它重金属进行归一化以校正沉积物来源、粒度、矿物组成等方面的影响,因此现代海洋沉积物样品中A l、Ti含量的结果主要用于定量描述陆源输送的贡献。近期研究结果发现,在受陆源物质输送影响较小,沉降颗粒主要以生源颗粒物为主的赤道大洋区,沉积物中出现明显的“过剩铝”信号,“过剩铝”约占沉积物中总铝含量的50%。因此,用沉积物中A l的含量来估算陆源碎屑的比例会导致过高的结果,建议用Ti、Sc作为参比元素校正陆源物质的影响。

沉积物中的A l/Ti比值可用来示踪水体中颗粒物的沉降通量和初级生产的改变。综述了近期以

A l/Ti比值这种新的地球化学示踪剂反演古生产力的最新研究进展,提出了在我国陆架边缘海开展

此项工作可能存在的问题与挑战。

关　键　词:A l/Ti比值;沉积物;地球化学示踪剂反演;海洋;古生产力

中图分类号:P736 文献标识码:A

0　引　言

气候和环境变化的现在和未来状况是其过去历史的继承和延伸,对比和分析全球与各地区过去气候和环境变化过程是预测未来的前提。海洋沉积物由于具有沉积连续、分辨率高、信息量丰富、分布地区广、沉积跨度大等特点而成为研究古环境气候的理想替代物[1,2]。利用有效的生物、化学与数理方法定量分离、提取气候环境信息,是建立历史时期气候环境高分辨率序列的关键[3,4]。

过去研究古生产力时多选有机碳、蛋白石、超微化石等指标,这些指标在一定程度上很好地反映了古生产力的变化状况,但也存在一些问题,如有机碳在沉积环境中不易保存,从而导致古生产力信号很容易发生衰减或偏移[5]。另外,这些古生产力指标有时具有片面性,不能全面地反映古生产力的变化状况[6]。稳定同位素地球化学和微体生物古生态学在古海洋学研究中也做出了突出贡献。目前随着现代分析测试技术的进步,地球化学指标在海洋古环境、古气候的变化和物源示踪研究中的重要地位日益显现[1,7,8]。如以珊瑚礁中Sr/Ca比及有孔虫中Mg/Ca反演古温度[9～14];以有孔虫中Cd/Ca比示踪水团运动及反演海水中磷酸盐的利用情况[15,16];以Ba作为反演古生产力的指标等[17～24]。

地球化学家通常用A l对其它重金属进行归一化,以校正沉积物来源、粒度、矿物组成等方面的影响。近期研究结果发现,在受陆源物质输送影响较小,沉降颗粒主要以生源颗粒物为主的大洋区,沉积物中的A l/Ti比值可用来示踪水体中颗粒物的沉降通量和初级生产的改变。

3　收稿日期:2005204206;修回日期:2005207218.

3基金项目:国家自然科学基金重点项目“胶州湾生源要素流失与海湾富营养化演变过程”(编号:40036010);国家自然科学青年基金项目“沉积物—水界面交换对胶州湾富营养化演变过程的影响”(编号:40206017);国家重点基础研究发展计划项目“东黄

海生态系统动力学与生物资源可持续利用”(编号:G1999043705)资助.

　作者简介:任景玲(19732),女,天津人,讲师,主要从事生物地球化学研究工作.E2ma il:renjingl@https://www.wendangku.net/doc/6b15969134.html,

1　沉积物中“过剩铝”

(A l xs )信号的发现过去,地球化学家通常认为沉积物中的A l 、Ti 全部来自陆源输送的矿物,因此现代海洋沉积物、沉积物捕集器样品、沉积学古沉积岩样品中Al 、Ti 含量的结果

主要用于定量描述陆源输送的贡献[25～27]

。然而Mur 2ray 和Leinen 在研究赤道太平洋碳酸盐沉积物中A l/Ti

比值时发现,比值最高可达45左右[28]

,是晚太古代平均页岩(Post 2Archean Average Shale,P AAS )中Al/Ti 比

值的3倍左右(A l/Ti 217)[29]

。相对于P AAS 中A l/Ti

比值多的这部分铝称为“过剩铝”(Al xs ),计算公式如下:

Al xs =Al bulk -Ti samp le ×

Al Ti

P AAS

其中:Al bulk 表示沉积物样品中含A l 的总量;Ti sa mp le

表示沉积物样品中含Ti 的量;(Al/Ti )P AAS 表示P AAS 中Al/Ti 比值。上式计算的过剩铝是一种最小的估计值,因为在计算中假设样品中的Ti 全部来自陆源矿物

相,而实际上在某些海域也发现了“过剩钛”

(Ti xs ),即吸附在颗粒物表面上的钛。

图1给出了Murray 等[28]

研究的太平洋135°W 和140°W 两个段面中南北纬20°区域内沉积物柱状样中Al/Ti 的比值,图中的阴影部分表示页岩、远洋粘土、安

长石和热液沉积物中Al/Ti 比值的范围,G R 、OR 分别表示花岗岩和海底岩层中Al/Ti 比值。研究区域受陆,沉积物的组成主要受风成输送和生物活动相对强度的影响。结果发现,A l/Ti 比值在赤道偏南区域沉积物中最高,然后向南北两侧迅速下降,至南北纬±5°左右已经与参考岩石中A l/Ti 的比值较为类似,“过剩铝”可占沉积物中总Al 量的50%。这说明用沉积物中的铝含量来校正陆源碎屑相在某些海域应用时存在问题,故建议选用Ti 、Sc 作为参比元素校正陆源物质的影响。

O rians 等[30]

通过对赤道太平洋区25m 水深处沉积物捕集器样品的分析结果显示,约有40%～50%的

Al 是被吸附在颗粒物表面上的,这与Murray 等[28]

对同一区域表层沉积物中Al xs 的分析结果一致,这说明在海洋表层水体中发生的转移过程被定量地记录在沉积物

中。Dy mond 等[31]

分析了赤道太平洋沉积物捕集器样品中的Al/Ti 比值,发现Al xs 和蛋白石含量显著相关,是由于蛋白石碎屑雨造成的。Banakar 等[32]

对中印度洋盆地(C I B )沉积物的研究发现,硅质沉积和钙质沉积中均存在显著的A l xs 信号,这表明A l xs 是由海水中溶解态Al 在颗粒物上的清除引起的,且清除与颗粒物类型无关。这一点可由表层水中溶解态Al 的清除机制,即

由颗粒物吸附清除而非由生物活动吸收清除证

明[33～37]。Pattan 等[38]研究印度洋次表层硅质沉积物中的Al/Ti 比值发现,其比值最高可达48.5,也为P ASS

参考值的3倍,A l xs 可占沉积物中总Al 量的40%。

图1　135°W 和140°W 断面上基体Al/Ti 比值随纬度的变化图

F i g .1　La titud i n a l prof ile of the bulk A l/T i ra ti o a long

the 135°W and 140°W tran sects

2　沉积物中A l xs 与古生产相关的原理

铝是地壳中丰度最高的金属元素(8.23%),陆源和大气每年向海洋输送的A l 、Ti 量很大,但其在海洋中的浓度仅分别为nmol/kg 和pmol/kg [36,39～43]。这说明其在海洋中清除的量也相对较大,由于它们是颗粒活性元素易在颗粒物表面吸附清除,事实上绝大部分的溶解及颗粒态A l 、Ti 均在陆架海区沉降,其在海洋中的存留时间小于200年[30,44,45]。对于受陆源输送影响相对较小的开阔大洋区,海域主要受气源物质输送的影响,颗粒物主要是生源颗粒物,颗粒活性的A l 、Ti 的生物地球化学行为与陆架区明显不同,表现在柱状沉积物及沉积物捕集器样品中A l/Ti 比值明显高于P AAS 。

沉积物中的A l xs 是由什么原因造成的呢?研究发现,上述研究海域周边河流输送、大气沉降的颗粒物及近岸沉积物样品中的A l/Ti 比值均低于或接近平均地壳中A l/Ti 比值,这说明A l xs 不是这些外源输入引起的。图1给出的A l/Ti 比值较高的区间内沉积物中生源蛋白石的含量在70%～90%,且A l xs 与沉积物中的生源物质(蛋白石、碳酸盐)正相关,这说明A l xs 是由水体中的生源组分

[28,32,46]

或特定的生

131第12期任景玲等:以A l/Ti 比值为地球化学示踪剂反演海洋古生产力的研究进展

源蛋白石组分对溶解态A l的清除造成的,因此A l

与表层水体的生产力有关[32]。Pattan和Shane对印度洋中部盆地柱状沉积物样品中的A l/Ti比值研究

发现,A l

与生源蛋白石含量并不存在简单相关性,因研究海域沉积物样品中含有高含量的火山灰组分,其A l/Ti平均可高达175[38]。但对于沉积物样品中不存在火山灰的层次中其A l/Ti仍高于P AAS,说明生源组分对水体中溶解态铝的清除作用仍存在,这也可以由表层和底层沉积物捕集器样品中A l/Ti比值的差异证明。

由于沉积物中的A l/Ti比值与沉积物总累积速率相关,而在以生源颗粒物为主的柱状沉积物样品中总累积速率是与表层水体的初级生产力密切相关的,所以A l/Ti比值可以反演不同地质年代初级生产力情况。与同位素地球化学示踪剂相比,A l/Ti比值由于不存在放射性衰减的问题而不受地质年代的限制,可用于反演过去数百万年代的古生产力状况[28]。以晶格元素A l、Ti来反演古生产力的另一个突出的优点是它们不易受到早期成岩作用的影响[28,31,32,46]。

为进一步深入解决“是否存在A l

xs ”、“A l

存在

于沉积物中的哪种形态”及“A l

的信号到底记录了什么?”这些问题,Kryc等[47,48]进一步对赤道太平洋135°W和140°W两个断面沉积物柱状样品中A l/Ti 比值垂直剖面中具有特征变化层次的样品,利用连

续提取法提取不同结合态的A l、Ti(分别为弱结合态、可交换态、碳酸盐结合态、铁锰氧化物结合态、有机物结合态、蛋白石结合态和残渣态),分析其中的A l、Ti含量及其比值。研究结果显示,在以碳酸盐矿物、蛋白石等生源沉积为主的赤道太平洋海区中, A l xs主要存在于氧化物结合态中,这说明在水体中溶解态A l优先吸附在富含羟基的颗粒物表面,使沉积物中A l/Ti比值在500～3000左右。研究同时发现

了少见的Ti

信号,其中约80%以上的Ti存在于有机结合态中,可能主要由含Ti有机质胶体的清除有

关。而对于没有清晰的A l

xs 、Ti

信号的样品,A l、Ti

均主要存在于残渣态,即说明此海区的沉积物主要来源于陆源输送。

大部分调查结果表明溶解态铝是非营养型分布的痕量元素,这说明生物摄取过程并不是铝清除的主要过程。但生源颗粒物及其降解后产生的碎屑却是铝清除的重要载体,因为生源颗粒物表面富含羟基、羧基,这种结构特点决定了它容易吸附A l(OH)-4,清除的强度是初级生产力和颗粒物通量的函数[45,49,50]。

3　以A l/Ti比值反演古生产力研究中存在的问题

(1)沉积环境对A l/Ti比值反演古生产力的影响。目前以A l/Ti比值反演古生产力的研究主要集中在受陆源物质输送影响较小、以生源颗粒物为主的海域,否则陆源碎屑的信号会掩蔽A l

的信号。Murray等[28]提出了沉积物中陆源物质百分含量的

计算公式:

陆源物质百分含量(%)=

Ti样品

Ti PAA S

×100

即沉积物中陆源物质百分含量是样品和P AAS中Ti 含量的比值。Pattan等[38]研究印度洋中部海盆中沉积物样品时发现,陆源物质百分含量在20%～55%范围内波动,而A l/Ti比值在18～48.5之间,

存在明显的A l

信号。而Murray和Yarincik 等[28,46,51]则认为,只有在颗粒物沉降通量较大且陆源输送物质<2%～3%时才能用A l/Ti比值来有效指征颗粒物沉降通量及古生产。

(2)地球化学示踪剂A l/Ti比值的作用机理方面的研究尚欠缺。A l、Ti都主要来源于陆源物质的输送,且都是颗粒活性元素,然而对海洋中二者相对的生物地球化学循环方面的研究却非常少。相对于A l而言,对Ti的海洋生物地球化学行为的研究较缺乏,这在一定程度上限制了A l/Ti比值来评估长时间尺度上颗粒物沉降通量及古生产的研究[36,42,43,52～54]。

至今只有2篇文章同时讨论了海洋中A l、Ti的生物地球化学行为[36,42]。根据O rians等[36]给出的太平洋中溶解A l、Ti的垂直剖面,Murray等[46]认为135°断面沉积物样品中A l/Ti比值高于P AAS,是由于海水中溶解态A l在颗粒物表面的清除速率快于溶解Ti,这可由以下两点证明:溶解态A l/Ti比值低于P AAS比值;对沉积物梯度淋溶实验发现,>95%的Ti存在于残渣矿物相,而约50%的A l与生源组分结合。与Murray等[46]的研究结果恰好相反,van den Berg等[42]在对地中海溶解态A l、Ti的研究发现,溶解态Ti在颗粒物表面的清除速率要快于A l。但应该注意的是,地中海与太平洋的海洋学特点是截然不同的,不能简单地对两组数据进行对比。

对于可用地球化学示踪剂A l/Ti比值反演古生产的开阔大洋来讲,风成输送的颗粒物是主要的物质来源,但气源颗粒物中A l、Ti在海洋中的相对溶

6131 地球科学进展第20卷

出量至今仍没有明确的研究成果。Maring等[44]指出,气源颗粒物中A l的溶出比例约为8%～10%,而关于Ti的溶出方面的研究尚缺乏,因此不能将气源颗粒物贡献的A l、Ti比值简单等同于地壳平均值。其次,关于沉积物早期成岩再生对A l/Ti比值的影响作用尚不清楚。早期研究成果表明,生源颗粒物对溶解态A l的清除发生在上层水体,而不是发生在沉积物—水界面[30,55]。这一点可由目前A l/Ti 比值在不同纬度分布模式的相似性证明[28]。

4　我国陆架边缘海开展以A l/Ti比值反演古生产力可能遇到的问题与挑战

应该注意的是,目前用A l/Ti比值来有效指征颗粒物沉降通量及古生产所取得的研究成果均在颗粒物沉降通量较大、陆源输送物质影响较小的开阔大洋区,如赤道太平洋、印度洋等[28,46,51]。其他学者在不同海域的生源沉积物和沉积物捕集器样品中也发现了A l

的指征作用,但目前尚不能提出具体的作用机理[31,32,56]。

我国目前在地球化学示踪剂领域也开展了一定的工作,研究区域主要集中在南海。韦刚健等[57]利用钻孔中过渡金属元素含量波动的分析,探讨研究南海海域过去200ka来陆源输入和氧化还原状态

变化等古海洋演变。韦刚健等[58]还开展了以Ba为指标的古生产力研究,利用南海珊瑚礁中Ba/Ca比值反演古海水Ba的浓度。同时韦刚健等[59]在对南海ODP1144和NS9325柱状沉积物中醋酸溶解态铝和全铝含量进行比较时发现,35%～70%的A l

O3%可以被HAc溶解,说明这一部分A l不赋存于陆源

碎屑中,从而指出了A l

的存在。

表1给出了我国主要入海河流及海洋沉积物中A l/Ti比值和CaCO3(%)。由表1可见,相对于主要物质来源黄河而言,从现有的3个黄海柱状沉积物样品分析结果来看,A l/Ti比值与黄河类似,没有明显的过剩铝信号,这说明黄海受到陆源输送的影响相对较大,研究过剩铝存在一定的困难。而相对于长江、珠江而言,东海和南海沉积物样品中的A l/ Ti比值明显高于相应的物质来源。在受陆源物质输送影响较小的南海中南部、南沙和西沙沉积物样品中A l/Ti比值尤其偏高,韦刚健在对南海柱状沉积物样品选择性淋溶实验的结果也为此假设提供了证据。

用碳同位素和溶解态铜示踪长江输送的陆源物

表1　主要入海河流及海洋沉积物中A l/T i比值和碳酸钙含量

Table1　Bulk A l/T i ra ti o and ca lc i u m carbona te concen tra ti on i n the r i ver i n e and mar i n e sed i m en ts

　长江

[60～63]

黄河

[60～63]

珠江

[64]

黄海

[63]

东海

[65,66]

南海

北部

[67,68]

南海

中部

[69]

南海

南部

[70]

南沙

[67]

西沙

[71]

海坛

海峡

[72]

沉积物层次表层表层表层岩芯岩芯、表层表层表层岩芯表层表层表层A l/Ti(g/g)10.516.415.0115.616.815.5926.7323.314.7418.4020.7 CaCO3(%)7.048.38 1.5 5.37.897.517.3320.886.117.212.2

质对东海陆架的影响范围研究结果表明,至距长江口300k m处陆源物质输送就下降到10%以下,不同年份的结果稍有不同[73,74]。由上述工作基础可见,在东海中部及外部陆架区、南海以及南沙、西沙,可以开展以地球化学示踪剂A l/Ti比值反演古生产的研究。张朝生等对长江中下游及珠江河流沉积物连续提取结果表明,颗粒物中的铝90%以上存在于残渣态,其它少量存在于铁锰氧化物结合态和有机结合态中[64,75],而对于海区沉积物的连续提取结果则很少。如何有效地改进现有的提取方法,克服陆源碎屑物质对“过剩铝”信号的干扰是开展此项工作的关键。参考文献(References):

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A REVI E W ON ALU M I NU M T O TI TANI U M RATI O AS

A GE OCHE M I CAL PR OX Y T O RECONSTRUCT

PALE OPR ODUCTI VI T Y

REN J ing2ling1,ZHANG J ing1,2,L I U Su2mei1

(1.College of Che m istry and Che m ical Engineering,O cean U niversity of China,Q ingdao266003,Ch ina;

2.S tate Key L abora tory of Estuary and Coasta l R esea rch,East China N or m a l U niversity,S hanghai200062,China)

Abstract:Accordingly,A lum inu m is al w ays used as the nor malized ele ment by geoche m ists t o m ini m ize the natural variability of heavy metals in the sedi m ents,which includes the effect of sedi m entary origin,grainsize and m ineral compositi on.Thus,measure ments of A l in marine sedi m ents are al w ays used t o deter m ine quantitatively the a mount of terrestrial material in a given sa mp le.However,this nor malized method met p r oble m s in the open ocean. The results indicate that there exists significant non2detritus A l(excess A l)component in the sedi m ents of open o2 cean near the equat or,where the sedi m ents were composed mainly by bi ogenic compositi ons other than terrestrial matter.Excess A l can account f or nearly50%of the t otal A l in the sedi m ents.Therefore,using A l abundance t o esti m ate the terrestrial matter abundance in marine sedi m ents,which is generally used in the p revi ous studies,may give over2esti m ated results.It is suggested that Ti and Sc be used as nor malized ele ments t o m ini m ize the effects of terrestrial matter in the open oceans.The results show that A l/Ti rati o can be used t o reconstruct the bi ogenic sedi2 ment accumulati on and hence p r oductivity thr ough ti m e in the bi ogenic regi m es where terrestrial input is only slight. The ne west p r ogresses in the geoche m ical p r oxy of A l/Ti rati o t o reconstruct the paleop r oductivity are p resented. Pr oble m s may appear when this geoche m ical p r oxy is app lied in the coastal and shelf regi ons,which is als o dis2 cussed in the paper.

Key words:A l t o Ti rati o;B i ogenic sedi m ents;Geoche m ical p r oxy;Paleop r oductivity.

0231 地球科学进展第20卷