南海珊瑚环境地球化学记录与全球变化

摘要

本论文主要采用现代和化石珊瑚的同位素和微量元素．代用指标(δ11B、稀土元素、Sr/Ca和Mg/Ca)建立南海近100-200年以来以及全新世部分时段的海表温度、海水酸度和海平面等气候环境序列，研究序列的变化特征(幅度、周期、趋势、突变点)，探讨海气的相互作用，亚洲季风、ENSO驱动因素变率以及人类活动等的影响。实验的样品选自南海雷州半岛、香港、海南岛、西沙群岛和南沙群岛。 正热电离质谱技术高精度测定的南海化石珊瑚的δ11B比值结果显示，南海海水酸度并不像预先设想那样稳定。南海海表水pH值从全新世大暖期开始，整体上呈缓慢增加趋势，而到现代以后明显下降。珊瑚δ11B记录表明南海海表水在中晚全新世有两个高酸性的时期，一个发生在全新世大暖期，一个为现代。全新世大暖期时南海出现的高海平面、偏强的东亚夏季风和偏弱的冬季风可能是导致其海表水出现高酸性的原因。现代南海海表水pH值显著偏低，背离了中晚全新世以来南海海表水pH值逐渐增加的趋势，这可能说明人类大量排放的CO2确实改变了南海海表水自然变化的规律，南海在变酸。 海南岛龙湾珊瑚和香港珊瑚的稀土年际含量都呈明显下降趋势，很可能同海平面的持续上升有关。龙湾稀土含量与海平面呈显著的负相关性。并且Er/Nd比值呈逐年增加趋势，指示重稀土富集程度加深。Er/Nd比值与海平面也呈显著正相关性，表明随着海平面上升，珊瑚重稀土的富集程度也在加深。类似的，香港珊瑚的稀土含量与海平面也呈显著的负相关性，揭示海平面上升对该珊瑚稀土含量的强烈影响。但是香港珊瑚Er/Nd比值的增加趋势并不明显，与海平面也无显著的相关性，而且与珊瑚稀土总含量的线性关系也远没有龙湾珊瑚的高。有趣的是，香港珊瑚的稀土含量与珠江水体的含沙量呈显著的正相关性。同万泉河良好的生态环境保护不同，珠江流域受到了强烈的人类活动干扰。受水库大量兴建和河床过度挖沙的影响，珠江河水输沙量和含沙量下降明显。这对香港珊瑚稀土含量下降有一定贡献。由于河流径流量小，人类活动干扰小，来自海南岛的近岸珊瑚，如本次研究的龙湾珊瑚，是研究海水/珊瑚REE对海平面变化响应的理想载体。根据1981-1996龙湾珊瑚稀土与海平面的线性回归方程，我们重建了1856-1995年长尺度海平面变化序列。结果表明海南岛海平面1856年以来呈上升趋势，平均上升速率为0.5mm/a。本次研究给出的地处太平洋西岸的海南岛海平面变化曲线与太平洋东岸旧金山实测1856-1995年海平面曲线和存在反相关系，这与ENSO现象有关。 本文建立的北太平洋海南岛滨珊瑚120年Sr/Ca比值记录与南太平洋汤加滨珊瑚年代际变化(1876-1996)基本上是同步的。这种同步的变化支持南北半球低纬地区对全球尺度气候变化的响应来自共同的热源-它们之间的热带海洋，而不是来自中纬度地区。海南岛珊瑚记录频谱分析结果存在34.6、24.2和8.3年三个周期。其中24.2年周期在太平洋南北两个长尺度珊瑚记录中都是主要的周期，该周期同时也是太平洋大气海洋系统中主周期之一，表明太平洋年代际尺度的气候变化对赤道南北的SST都有强烈的约束作用。 本论文珊瑚研究的采集地海南岛地处南海北缘气候敏感和过渡带，是夏季沿岸上升流和冬季风强作用区域。本文研究重建了1906-1993年海南岛东海域的海表温度。这些结果揭示了海南岛东部滨珊瑚的Sr/Ca比值的温度强烈地受到夏季沿岸上升流的影响。在夏季，强烈的上升流将下层冷水输送至表层，形成海表低温区。利用未受到上升流影响的西沙滨珊瑚和海南岛东的滨珊瑚重建的海表温度序列的差值，建立了琼东沿岸近百年风生上升流的强度指数。该指数序列显示，琼东上升流在20世纪的近百年尺度上里加强趋势，与近百年来全球变暖、海表升温、夏季风趋强等全球气候的大格局吻合，同时又受到了大尺度环流ENSO变化的制约。 同时海南岛和西沙滨珊瑚海温记录的差值也很好的记录了冬季风强度的年际变化。该差值同器测风速的显著负相关性可能同东北向冬季风驱动下黑潮暖水入侵有关。通过珊瑚Sr/Ca比值记录和气象记录我们重建了1906-1998年南海冬季风速的年际变化序列。该序列指示冬季风速在年际-年代际尺度上有很强的变化。冬季风速近百年下降了～30％。冬季风速在20世纪不断的减弱尤其是在1976年，很可能是全球变暖和太平洋尺度气候格局的转型共同作用的结果。东亚冬季风风速持续减弱，会对我国经济和生态环境产生重要影响：增加我国沿海赤潮灾害发生的频率和强度以及降低风力发电的效率等。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1引言

1.2造礁珊瑚的环境地球化学记录与全球变化

1.3南海环境气候概况

1.3.1地理特征

1.3.2研究地点的水文气候特征

1.4选题依据

1.5研究内容、技术路线及主要工作量

参考文献

第二章中晚全新世造礁珊瑚δ11B组成和南海酸度变化

2.1前言

2.2海洋碳酸盐δ11B研究现状

2.3南海古海水pH值恢复

2.3.1 δ11B-pH模型推导

2.3.2 δ11B-pH模型参数

2.3.3研究区域和样品

2.3.4正热电离质谱技术高精度测定珊瑚的δ11B比值

2.3.5南海滨珊瑚的δ11B的测定结果

2.3.6南海海表水pH的计算

2.3.7南海中晚全新世海表水酸度演化和驱动因素

2.4小结

参考文献

第三章珊瑚REE地球化学特征与海平面以及人类活动的关系

3.1海平面变化及其潜在代用指标REE

3.2研究区域概况与样品

3.2.1万泉河与珊瑚LW6

3.2.2珠江与珊瑚HK1

3.3 ICP-MS技术测定珊瑚REE含量

3.3.1阳离子树脂交换法

3.3.2直接溶解法

3.3.3 APDC-Fe络合物共沉淀法

3.4测定结果

3.5南海北部近岸珊瑚REE的环境指示意义

3.5.1龙湾珊瑚LW6

3.5.2香港珊瑚HK1

3.6 1856-1995年南海北部相对海平面的重建尝试

3.7小结

参考文献

第四章近百年月分辨珊瑚Sr/Ca，Mg/Ca比值序列

4.1珊瑚温度计研究进展

4.1.1微量元素比值指标

4.1.2氧同位素指标

4.1.3珊瑚高分辨率Sr/Ca，Mg/Ca和δ18O指标在全球变化的应用

4.2南海滨珊瑚Sr/Ca，Mg/Ca比值的测定

4.2.1前言

4.2.2样品采集与测试

4.2.3数据处理

4.2.4海南岛东与南太平洋滨珊瑚长尺度Sr/Ca记录对比

4.3南海北部夏季沿岸上升流近百年的强度变化

4.3.1引言

4.3.2珊瑚记录的夏季上升流区域的海表温度

4.3.3上升流强度变化

4.4近百年南海冬季风风速的重建

4.4.1引言

4.4.2观测数据

4.4.3滨珊瑚记录与冬季风的关系

4.4.4冬季风风速年际一年代边际变率

4.5小结

参考文献

第五章结论与展望

5.1中晚全新世南海海表水酸度演化历史

5.2南海北部近岸珊瑚REE的环境指示意义

5.3 1856-1995年南海北部相对海平面变化

5.4 1876-1996月分辨珊瑚Sr/Ca与Mg/Ca比值序列

5.5近百年南海北部陆架夏季上升流强度变化

5.6近百年南海冬季风风速的重建

5.7下一步研究展望

附录

致谢

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