有孔虫壳体的双重同位素测定及其在海水古温度重建中的潜力

海洋古水温不仅可以反映过去气候的变化，亦可为过去洋流的动态提供重要信息。在应用于海水古温度重建的地球化学方法中，机制最清楚的是碳酸盐氧同位素温度计方法，它基于热力学平衡原理，测得的温度在标定范围内可以内插和适度外推。但是，该方法需知道古海水的氧同位素组成，因而限制了其应用范围。本研究探索一种适用于碳酸盐的新型同位素指标- - 双重同位素（"clumped-isotope"）在古海洋研究中的潜力。该指标的核心是测量碳酸盐释放的含两个重同位素的CO2- - 18O13C16O（质量数为47）的丰度，并用D47表示实测丰度与理论丰度的偏差。D47受热力学控制，与环境温度的平方成反比，且独立于环境水体的同位素组成，因此，可望成为新的古海水温度指标。申请人拟从南海等海区的海底表层沉积物中挑选不同深度的浮游和底栖有孔虫，测量双重同位素、计算D47值并建立其与温度的关系，为更精确地重建海水古温度提供新的方法。

本项目以南海表层沉积物中有孔虫为材料探索近年发展的一种适用于碳酸盐的全新的古温度计—簇重同位素(clumped isotopes)在南海古海洋研究中的应用。从以往航次的表层沉积物中挑出G.sacculifer，G.ruber，P. obliquiloculata等有代表性的浮游有孔虫样品，通过与瑞士联邦理工学院同位素地质研究所合作，利用微量碳酸盐装置和气体同位素质谱MAT253联机，采用1.5~4 mg的小样品，测得了南海表层沉积物样品中三种有孔虫样品的47的数据。样品的平均精度为0.009‰，高于标样测量的平均精度±0.012‰，与仪器系统所能达到的常规测量精度±0.010‰相当。G.ruber的Δ47平均值为0.640‰；G.sacculifer的Δ47平均值为0.644‰，而P.obliquiloculata的Δ47平均值为0.660‰，与G.ruber和G.sacculifer的Δ47有微小差别。这些测得的南海现代浮游有孔虫的Δ47数据与温度存在良好相关性，与前人研究使用较大碳酸盐样品量测量得到的精度相同。本研究在南海获得的部分G. ruber数据与地中海，北大西洋及南大洋有孔虫数据一起构成了一套覆盖5~30 °C的完整的簇重同位素标定。本研究还尝试使用南海G. ruber的Δ47重建了南海现代表层海水的δ18OW，绝大多数样品得到的δ18OW处于0.2±0.3‰范围内，与南海现代表层水的平均值+0.2‰吻合。尽管受限于国外的实验条件，已有的南海现代有孔虫的簇重同位素温度计标定与δ18OW重建的结果表明，使用浮游有孔虫的簇重同位素能够重建南海地质历史时期的古温度和δ18OW。本项目尝试了一种在同位素测量时能够利用绝大部分样品气体的新方法——长积分双路进样方法。该方法的每次数据采集对样品和工作气体分别进行长达600 s的连续测量，以此取代传统双路进样方法中二者的反复比较。使用常规双路进样和长积分双路进样方法分别测量了三种同位素组成差异很大的高纯CO2气体样品，发现使用长积分双路进样方法得到的 δ13C，δ18O 和簇重同位素数据（δ47，Δ47）均与用传统双路进样方法得到的结果无明显差异，其对Δ47的测量精度为±0.007‰，基本达到了目前技术所能实现的最高水平。本项目的执行使本研究小组开展深海研究迈出了第一步。