（海洋地质专业论文）西北冰洋表层和柱状样沉积物研究及其海洋学意义.pdf

| 刁脐赤 厚 哇 才 硕士毕业论支：两北冰洋表层和柱状样沉积物研究及其海洋学意叉 摘要 北冰洋不仅是全球重要的c 0 2 汇，对于调节全球热辐射平衡也有非常重要 的作用。西北冰洋的楚科奇海是连接北冰洋和太平洋唯一的通道，包括白令海在 内的北太平洋海水通过白令海峡进入楚科奇海，并把大量的生源物质和营养成分 输入加拿大海盆，甚至整个北冰洋，同时强烈的影响楚科奇海海冰和生态系统的 发育。对西北冰洋楚科奇海加拿大海盆沉积的研究，有助于我们理解了解北太 平洋水团进入北冰洋之后与北冰洋水团相互作用特征。本文通过对中国首次及第 二次北极考察所采集的西北冰洋楚科奇海一加拿大海盆6 6 个表层和柱状样m 0 3 孔沉积物样品的多项古海洋学指标的分析，探讨了该海区海洋生产力变化和水团 相互作用特征。 研究区表层沉积物中蛋白石、有机碳含量等古海洋学生产力指标所反映的生 产力状况均与现代水体环境相一致。楚科奇海表层生产力显著与通过白令海峡进 入楚科奇海的三股太平洋洋流有关。楚科奇海西侧沿富营养的a n a d y r 流的方向的 区域呈现出高生产力，海源有机碳含量可高达9 0 ；而东侧受低营养的阿拉斯加 沿岸流及阿拉斯加西北沿岸陆源物质输入的影响，呈现出低生产力，海源有机碳 含量只有6 0 左右。同时，研究区表层生产力受季节性海冰影响，在北纬7 5 度以 北及加拿大海盆由于长时间的海冰覆盖，表现出最低的表层生产力。受富含钙质 的北大西洋水团影响，楚科奇海陆架外侧高纬海域表现出较高的钙质生物含量。 浮游有孔虫n e o g l o b o q u a d r i n a p a c h y d e r m a ( s i n ) 壳体6 憾o 差异在楚科奇海主要反 映的是水体盐度和温度的差异，而在楚科奇海台、北风脊海域和加拿大海盆则主 要体现的是水体盐度差异。6 1 3 c 差异反映了水体营养状况的差异，楚科奇海中部、 北风脊东侧的加拿大海盆为高营养的海域，而楚科奇海东部、楚科奇海台和北风 脊海域为低营养海域。研究区表层水体营养要高于底层水体。 通过有孑l 虫丰度、筏冰碎屑( i r d ) 含量变化、p a c h y d e r m a ( s i n ) 壳体氧 同位素的研究，结合a m s c 测年，确立了m 0 3 - 孑l 的大致底层框架。m 0 3 孑l 的蛋 白石、有机碳含量显示冰期有较高的生产力而间冰期表现出较低的生产力，推测 为间冰期大量的筏冰碎屑的稀释作用造成。而c a c 0 3 在间冰期表现出较高的含 量，与有孔虫丰度的变化一致，反映了间冰期大西洋水大量注入北冰洋。i r d 含 舟降赤擎 硕士毕业论文：西北冰洋表层和柱状样沉积物研究及其海洋学意义 量分析显示，i r d 的分布受波弗特环流控制，冰期时的冰封环境和波弗特环流减 弱导致i r d 含量较低，而间冰期较为开阔的海况和加强的波弗特环流导致i r d 含 量较高。粒度分析显示，冰期风尘沉积大大增加，而由海流搬运的沉积减少；间 冰期风尘沉积减少，而由海流搬运的沉积增加。风尘沉积成为冰期高沉积速率的 物质来源。对m 0 3 孔p a c h y d e r m a ( s i n ) 壳体碳、氧稳定同位素的分析显示，间 冰期6 玎c 的重值反映了来自陆架流通性更好的表层和盐跃层水向北冰洋的输送： 6 1 8 0 的轻值反映了输入北冰洋的淡水的增多，和较低盐度、较轻6 1 8 0 太平洋水的 大量输入。冰期6 1 3 c 的轻值反映了该地质历史时期进入北冰洋的陆架水大量减 少；相对应的6 1 8 0 的重值，反映了输入北冰洋淡水和太平洋水的减少。 关键词：楚科奇海，加拿大海盆，表层生产力，p a c h y d e r m a ( s i n ) ，筏冰碎屑， 风尘沉积 【i 舟脐云擎 硕士毕业论文：西北冰洋表层和柱状样沉积物研究及其海洋学意义 a b s t r a c t a r c t i co c e a ni sn o to n l ya l li m p o r t a n tc 0 2s i n ki nt h eg l o b e , b u ta l s op l a y sa s i g n i f i c a n tr o l ei nb a l a n c i n gt h eg l o b a lh e a t c h u k c h is e aa so n eo ft h ew e s t e r na r c t i c c o n t i n e n t a lm a r g i n a ls e a ，i st h eo n l yp a s s a g eb e t w e e nt h ea r c t i co c e a na n dp a c i f i c o c e a n n o r t h e r np a c i f i c ，i n c l u d i n gt h eb e r i n gs e a , w a t e rm a s si n f l o w si n t ot h e c h u k c h is e at h r o u g hb e r i n gs t r a i t ，b r i n g i n gi nn u m e r o u sb i o g e n i cc o m p o n e n t sa n d n u t r i e n t s ，a n dt h e ns p r e a dt ot h ec a n a d i a nb a s i n , e v e nt h ee n t i r ea r c t i co c e a n ，w h i c h s t r o n g l ya f f e c t st h es e ai c ed i s t r i b u t i o na n dt h ee c o l o g i c a ls y s t e mo fc h u k c h is e a t h e s e d i m e n t b a s e ds t u d yo fw e s t e r na r c t i cc h u k c h is e a - c a n a d i a nb a s i ns e c t o rc a n i m p r o v eo u ru n d e r s t a n d i n go ft h ew a t e rm a s si n t e r a c t i o nb e t w e e nt h ep a c i f i co c e a n a n da r c t i co c e a n m u l t i p l ep r o x i e s ，w h i c hi n d i c a t ep a l e o c e a n o g r a p h i cc o n d i t i o n s ，a l o n gw i t h p h y s i c a la n dc h e m i c a lp a r a m e t e r s ，h a v eb e e nb u i l tu p o nr e l a t i v ei n v e s t i g a t i o n sa m o n g m i c r o f o s s i l s ，o x y g e na n dc a r b o ni s o t o p e s ，s e d i m e n t o l o g ya n dg e o c h e m i s t r yo ft h e6 6 s u r f a c ea n dc o r em 0 3s a m p l e sc o l l e c t e df r o mt h ef i r s ta n ds e c o n dc h i n e s en a t i o n a l a r c t i ce x p e d i t i o nc r u i s e si nt h ew e s t e r na r c t i co c e a n t h ep a l e o p r o d u c t i v i t yp r o x i e s ，s u c ha s o p a la n dt o cc o n t e n t , a g r e et ot h e p r e s e n tw a t e rm a s sc o n d i t i o n s t h es u r f a c ew a t e rp r o d u c t i v i t y ( s w p ) o fc h u k c h is e a s t r o n g l yc o r r e s p o n d st ot h e3c u r r e n t si n f l o wf r o mb e r i n gs t r a i t ：h i g hs w pa p p e a r s a l o n gt h ea n a d y rc u r r e n ti nt h ew e s t e r nc h u k c h is e a , w i t h9 0 m a r i n ed e r i v e d o r g a n i cc a r b o n ；r e l a t i v e l yl o ws w pa p p e a r si nt h ee a s t e r nc h u k c h is e a , w i t h6 0 m a r i n ed e r i v e do r g a n i cc a r b o n t h es e a s o n a ls e ai c ed i s t r i b u t i o nh a sg r e a ti n f l u e n c e o nt h es w p , w h i c hs h o w sl o w e s tn o r t ho f7 5 0 ni nt h ec a n a d i a nb a s i n ，d u et ot h e p e r m a n e n ts e ai c ec o v e ei n f l u e n c e db yt h ea t l a n t i cw a t e ri n f l o w s ，h i g ha b u n d a n c eo f t h ec a l c a r e o u sb i o m a s so c c u r e so f fc h u k c h ic o n t i n e n t a ls h e l f h i g ha r c t i c 8 1 8 0r e c o r d s o fp l a n k t o n i cf o r a m i n i f e r an e o g l o b o q u a d r i n ap a c h y d e r m a ( s i n ) i nc h u k c h is e a i n d i c a t et h ev a r i a t i o n so fw a t e rt e m p e r a t u r ea n ds a l i n i t y , w h i l ei nc h u k c h ip l a t e a ua n d e a s t e mn o r t h w i n dr i d g ec a n a d i a nb a s i n ，t h e ym a i n l yi n d i c a t et h es a l i n i t yd i f f e r e n c e 8 13 c r e c o r d so ft h i ss p e c i e sr e f l e c tt h en u t r i e n tl e v e lo ft h ew a t e rm a s s ，c e n t r a l t t t l 刁脐赤擎 硕士毕业论文：西北冰洋表层和柱状样沉积物研究及其海洋学意义 c h u k c h is e a a n de a s t e r nn o r t h w i n dr i d g ec a n a d i a nb a s i na r e n u t r i e n t r i c ha r e a , w h i l e e a s tc h u k c h is e a , c h u k c h ip l a t e a ua n dn o r t h w i n dr i d g ea r en u t r i e n t - p o o ra r e a t h e s u r f a c ew a t e ri sm o r en u t r i t i o u st h a nt h eb o r o mw a t e r t h es t r a t i g r a p h i cf r a m e w o r ko fc o r em 0 3i sb a s e do nt h ef o r a m i n i f e r a a b u n d a n c e ，i r dc o n t e n t ，p a c h y d e r m a ( s i n ) s t a b l eo x y g e ni s o t o p ea n a l y s i s ，a sw e l l a sa m s l 4 cd a t i n g t h eo p a la n dt o cc o n t e n ti n d i c a t eh i g hp r o d u c t i v i t yd u r i n g g l a c i a li n t e r v a l s ，b u ta p p e a rl o wd u n n gi n t e r g l a c i a li n t e r v a l s ，w h i c hp r o b a b l yd u et o t h ei r dd i s s o l u t i o nd u r i n gi n t e r g l a c i a li n t e r v a l s t h eh i g hc o n t e n to fc a c o s d u r i n g g l a c i a lp e r i o d ，w h i c ha c c o r d sw i t ht h ef o r a m i n i f e r aa b u n d a n c e ，r e v e a l st h ea t l a n t i c w a t e ri n f l o w st ot h ea r c t i co c e a n m e a s u r e di r dc o n t e n ta n da n a l y z e dg r a i ns i z e r e v e a lt h a tu n d e rt h ec o n t r o lo fb e a u f o r tg y r ea n dw i n di n t e n s i t y , i r dc o n t e n t d e c r e a s e da n de o l i a ni n p u ti n c r e a s e dd u r i n g 西a c i a li n t e r v a l s ，b u ti r dc o n t e n t i n c e a s e da n de o l i a ni n p u td e c r e a s e dd u r i n gi n t e r g l a c i a li n t e r v a l s 8 18 0a n d8 1 3 cr e c o r d o f p a c h y d e r m a ( s i n ，) i n d i c a t et h a td u r i n gi n t e r g l a c i a li n t e r v a l s ，i n f l o w so fb e t t e r v e n t i l a t e dw a t e rf r o mc o n t i n e n t a ls h e l fi n t e n s i f i e da n dm o r ef r e s h w a t e ra sw e l la s r e l a t i v e l yl o ws a l i n i t yl i g h t8 1 8 0p a c i f i cw a t e rw e r et r a n s p o r t e dt ot h ew e s t e r na r c t i c o c e a n , w h i l ed u r i n gg l a c i a li n t e r v a l s ，i n f l o w so fb e t t e r v e n t i l a t e dw a t e rf r o m c o n t i n e n t a ls h e l fw e a k e n e dw i t hl e s sf r e s hw a t e ra n dp a c i f i cw a t e rw e r et r a n s p o r t e dt o t h ew e s t e r na r c t i co c e a n k e y w o r d s ：c h u k c h is e a ，c a n a d i a nb a s i n ，s u r f a c ew a t e rp r o d u c t i v i t y , p a c h y d e r m a ( s i n ) ，i r d ，e o l i a ni n p u t i v 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名： y 以年其2 9 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 年月日年月日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 繇神 以年月 l 刁降赤擎 硕士毕业论文：西北珠洋表层和柱状样沉积抽研究及其海洋学意义 第一章前言 1 1研究背景与研究意义 北极系统是全球系统的一部分，在新生代地球环境系统中扮演着重要的角 色，直接影响全球尺度的大气环流，大洋环流和气候变异( 陈立奇等，2 0 0 3 ) ， 在现代气候环境的变化中也起着重要的作用( a a g a a r de ta 1 ，1 9 9 9 ) 。北极地区对 全球环境的影响最重要的两个方面是：1 大范围的冰覆盖增加了反照率显著的控 制着全球的热平衡；2 通过大西洋和太平洋的水体交换来控制大洋温盐环流 ( d c l w o r t he ta 1 ，1 9 9 7 ；s m i t he ta 1 ，2 0 0 2 ) 。北冰洋通过白令海峡和巴伦支海、法拉 姆海峡( v r a ms t r a i t ) 与太平洋、大西洋沟通。北冰洋及其边缘海是大洋深层水的 主要发源地，任何异常都有可能导致全球洋流的灾难性紊乱。北冰洋是全球重要 的c 0 2 汇( 吸收区) ，对于调节全球热辐射平衡( 如温室效应) 非常重要( 陈立 奇等，2 0 0 3 ) 。由于海水与冰雪反射太阳热辐射的能力相差6 - - 1 6 倍，因而北冰洋 海冰及冰山的总面积变化必然直接影响地球吸收太阳热辐射总量，从而引起气候 异常。 北极的海洋和海冰过程是影响我国气候的重要因子之一，可以显著影响东亚 季风和我国气候，左右着我国主要经济地区的季节交替与旱涝风霜。自令海峡海 冰的异常变化与中国夏季降水有显著关系；北极春季海冰与我国夏季北方气温和 长江中下游旱涝变化呈显著负相关。对这些问题的了解和认识，是关系到我国的 国计民生的重大问题。因此，迫切需要增强北极变化及其对我国气候和环境影响 的评估和可预测性研究，对国民经济和社会的可持续发展提供科学依据( 国家海 洋局极地考察办公室，2 0 0 3 ) 。 非政府的国际性北极学术组织国际北极科学委员会( 璩s c ) 于1 9 9 0 年成立， 为解决人类面临的全球变化问题而进行的北极研究活动日趋活跃和开放( 陈立奇 等，2 0 0 3 ) 。在北极海区，目前国际上对大西洋北冰洋水体的交换进行了较为系 统的研究，对北冰洋近大西洋一侧海域水团的组成也有一定程度的了解，但向对 应的对北冰洋与太平洋水体的相互作用研究相对薄弱，从而极大限制了我们对北 冰洋大尺度动力学过程的深入了解，如环流模式的构筑等。 为了探讨北冰洋海底构造演化与全球变化的关系以及北极地区过去变化的 规律与记载，与过去全球变化有关的一些研究计划，如c a p e ( c i r c u m a r c t i c i 勺陪赤擎 硕士毕业论文：西北冰洋表层和柱状样沉积物研究及其海洋学意义 p a l e o e n v i r o n m e n t ) 计划，在北极地区先后启动与实施，以弥补现代或器测时代观 察记录的不足，完善人们对过去几万年乃至几百万年气候变化规律、机制的理解， 寻找与当今环境相似的历史相似期，进行现代气候事件的历史定位，为未来环境 和气候变化预测服务( 高爱国等，2 0 0 2 ) 。相比于欧美国家，我国南、北极古环 境研究力量相对薄弱，几乎没有大的研究计划，与国际北极古环境研究水平有相 当大的差距。目前我国有雪龙船及南极中山站、长城站和北极黄河站，1 9 8 4 年以 来的二十余次南极考察收集了大量的南极地区环境、气候资料，而1 9 9 9 年和2 0 0 3 年的两次北极考察，中国的极地科学家在白令海、楚科奇海及加拿大海盆等西北 冰洋海域采集了大量样品，进行了多个学科项目的研究( 中国首次北极科学考察 队，2 0 0 0 ：张占海等，2 0 0 4 ) ，成为我国对北极更加深入的认识的窗口。 楚科奇海位于楚科奇半岛、阿拉斯加半岛和弗兰格尔岛之间，南北约8 0 0 k m ， 是水深只有约5 0 m 的北冰洋陆架边缘海。楚科奇海在北极地区具有独特的重要 性，因为只有楚科奇海通过白令海峡与太平洋相通，并强烈的受到太平洋水的影 响。白令海峡是亚北极水进入北冰洋的两大通道之一。包括白令海在内的北太平 洋海水通过白令海峡进入楚科奇海，并把大量的生源物质和营养成分输入加拿大 海盆，甚至整个北冰洋。而进入楚科奇海的水体性质也强烈地影响楚科奇海海冰 和生态系统的发育。 对于西北冰洋楚科奇海一加拿大海盆海域的研究，在国际上所做的工作较 少，尤其中国的极地研究者对该海域的古海洋学方法的研究更少。对该海域海洋 沉积的研究，能了解北太平洋水团进入北冰洋之后与北冰洋水团相互作用特征， 对北冰洋的气候、海洋环境、生产力、海冰分布以及历史演变等提供今后可能的 变化趋势研究的重要海洋学基础。 本次工作的目的是通过中国首次及第二次北极考察采集的西北冰洋楚科奇 海波弗特海和加拿大海盆表层沉积物样品结合楚科奇深海盆地柱状样m 0 3 孑l ( 中 国首次北极科学考察队，2 0 0 0 ；张占海等，2 0 0 4 ) 的多项古海洋学指标的分析， 试图揭示该海域生产力的变化和水团相互作用特征及其演变历史。 1 2 前人研究工作 1 2 1区域概况 2 舟用卜士擎 硕士毕业论丈：t 北珠洋表层和柱状样沉积抽研定其海洋学意j l 现代北冰洋是个“地中海”式的大洋。环北极河流带来的淡水和来自太平洋的 低盐度表层水维持着一个强烈的水体分层：北冰洋表层水、北冰洋中层水和北冰 洋底层水。北冰洋表层水包含来自太平洋和大西洋的表层水，它们也可能通过卤 水形成的方式进入到大洋深部。北冰洋中层水，有时又被称为大西洋水层，是北 冰洋最暖的水层，并且有相对较高的盐度，大西洋水是通过法拉姆海峡进入北冰 洋的。北冰洋深层水通常深于9 0 0 米，北大西洋和北冰洋的深层水体间的交换受 限于法拉姆海峡深度( 2 6 0 0 m ) 。多种水体来源使得北冰洋的海洋环境相当复杂。 太平洋水体通过白令海峡进入北冰洋( 图1 1 ) 。加拿大海盆表层主要是风驱 动的顺时针流向的波弗特环流( b e a u f o r tg y r c ) 。欧亚陆架边缘海水体通过穿极 洋流( t r a n s p o l a r d r i f t ) 流向法拉姆海峡。大西洋水通过法拉姆海峡和巴伦支海 进入北冰洋并下沉至2 0 0 米左右深度成为北冰洋的次表层水( a n d e r s o ns ta l ，1 9 9 4 ； s m c t h i e 虬a 1 1 9 9 9 ) 。该水团分布于整个北冰洋并沿逆时针方向流动。 戮蒸；， 一 图1 i 北冰洋表层洋流( 引自i c “e sa n d g t 2 0 0 3 ) 楚科奇海是非常浅的陆架边缘海( 图1 2 ) 陆架区深度在百米毗内，大部分 区域在5 0 米左右。哈罗德浅滩( h e r a l d s h o a l ) 和哈纳浅滩( h 锄a s h o a l ) 成为 海底两个巨大障碍物，海流在此由于泰勒柱( t a y l o r ) 效应绕流。太平洋水通过 舟，务毋擎 乓士平业论文：自北珠年表晨和柱状样沉轩抽研竟是鼻海洋学毫义 白令海峡注入楚科奇海。这股太平洋水可以分为三个不同性质的水团。西面的阿 纳德尔( a n a d y r ) 流是低温高盐高营养的流，在白令海峡口外沿5 0 m 等深线向西 北方向流动至弗兰格尔岛( w r a n g l ei s l a n d ) 西南海域折向北，然后在弗兰格尔 岛东北部海域派生出两个分支分别沿暗罗德各向北流入北淋洋深水区和沿6 0 m 等深线折向东北：东侧是高温低盐低营养的阿拉斯加沿岸流( a l a s k ac o a s t a l c u n e n t ) 沿阿拉斯加海岸流动至巴罗角附近折向东沿波弗特海陆坡流动 ( c o a c h m a ne t 出1 9 7 5 ) 而在阿纳德尔流和阿拉斯加沿岸流中间还有一股白令 海陆架水( b c r i g s e a s h e l f w a m r ) 大体沿1 7 0 。w 经线附近的中央水道( c e n t r a l c h a n n e l ) 向北流至哈罗德浅滩东北部亦分化为两支，一支继续向北流一支折向 东；北( w e i n g a r m e r c ta 1 ，1 9 9 8 ) 。同时在楚科奇海的西南面东西伯利亚海的水体也 通过长峡( l o n gs t r a i t ) 与阿纳德尔流在此交汇( w e i n g a r t n e r e ta l 。1 9 9 9 ) 。 一：黜= ：= ，j f ：= ”： h - 口r r 口”r 0 1 = = ：出? 黑。m “- ：嚣 圈1 之西北琳洋楚科奇海加拿大海盆洋流图佴i 自w e m g a r m e r , 2 0 0 1 ) 环北极地区有九条大河( ! 军i i - 3 ) 如叶尼塞( y e n i s e y ) 河、马更些( m a c k e n z i e ) 河、科利马( k o l y m a ) 河、勒那( l e n a ) 河、欧布( o b ) 河、培科拉( p e c h o r a ) 河等这些河流是北冰洋淡水的重要来源。另外，一些小河，如科利维尔( c o l v i u e ) 河，淡水注入也影响着其附近海域的水体性质。环北极的亚洲北部、欧洲北部和 美洲北部的河流将 约3 1 2 0 x 1 0 9 m 3 年淡水和约2 5 0 x 1 0 6 v 年的陆源物质带入北冰洋 4 舟，务毋擎 啧士丰业论主。地珠洋采詹和杜收坪靠抽研竞置其毒咩幸毒戈 ( g o r d e e v 札a l ，1 9 9 6 ；m a c d o n a l de t a l ，2 0 0 0 ) 。阿拉斯加沿岸流也携带了从阿拉 斯加注入白令海的育空河的淡水及陆源物质进入楚科奇海。 i 里i - 3 环北极九大河流对北冰洋谈水的供应( 引l a a g a a r d a n d c a n m c k ，1 9 8 9 ) 1 2 2 前人研究 对于北冰洋在全球气候变化中的作用，北冰洋的水团及环流特征，馓过一些 讨论。北冰洋表层水体接受大量来自河流的淡水注入，保持着较低的盐度因此也 维持着海冰的覆盖。a a g a a r d 和c a r m a c k ( 1 9 8 9 ) 研究了北极的海冰和淡水输入对 j b 冰洋环流的影响。m c l a u g h l i n 等( 1 9 9 6 ) 研究了北冰洋南加拿大海盆不同区域水 团特征的差异。m e l l h 唱( 1 9 9 8 ) 研究了加拿大海盆从1 9 7 9 至1 9 9 6 年水文特征的 变化，并指, m , 1 9 8 0 年以后太西洋暖水层中心以下海水变暖变淡。 北冰洋由于低盐度的融冰水和大量的河水输入，形成了显著的盐度分层。在 高纬度北冰洋盆地，这个冷而低盐的表层水层( t ( 15 c ，s 书0 - 3 2 ) 大约有2 0 0 r a 厚，而下覆高盐度( s 3 48 ) 的大西洋水( a n d e r s o nh “，1 9 9 4 ) 。通过中国首次 北极科学考察陈敏等( 2 0 0 3 ) 研究了北冰洋各水样中大西洋水、太平洋水、海 冰融化水和河水所占的份额。加拿大海盆上跃层水的形成缘于太平洋水的输入 ( 汤毓祥等，2 0 0 1 ) 。而下跃层水为通过巴伦支海进入的大西洋水与陆架区发生 变性，产生低营养盐、高溶解氧特征的水体。加拿大海盆是北冰洋河水的主要储 存区( 邢娜等，2 0 0 2 ) 。 s i 刁胁赤擎 硕士毕业论文：西北冰洋表层和柱状样沉积靳研究及其海洋学意义 北冰洋海域对大气c 0 2 的吸收过程将受到北极海冰覆盖的规模、密度和季 节变化的影响。一方面，变暖的气候引起北极海冰的减少，从而增大北冰洋的开 阔水域范围，这可能使海洋生物活动加强，从而增加生物泵对c 0 2 的吸收；另 一方面，从大气中吸收c 0 2 增加的过程会减缓变暖效应进而导致开阔水域的减 少。同时变暖条件下海冰产量的降低和开阔水域对c 0 2 吸收的增加又可能制约 海洋的热盐输运。传统观点认为，由于常年存在冰覆盖、温度极低及光合作用时 间较短等因素，北冰洋是极端寡营养的海域之一，其生物生产力极低，由此导致 颗粒物的输出、营养盐的循环等生物地球化学过程极不活跃( p l a t t ，1 9 7 5 ) 。也 就是说，北冰洋生物泵的运转效率( 有机碳输出通量与初级生产力比值) 极低。 然而通过首次北极科考发现，尽管颗粒有机碳输出通量低于许多中、低纬海域， 但北冰洋也并非生产力的“沙漠”( 陈敏，2 0 0 2 ) 。因此，北冰洋在全球碳循环乃 至全球气候变化中所起的作用有待更深入的研究。北冰洋具有较高的生物泵运转 效率，而楚科奇海陆架是一个高效的有机碳“汇”区( 杨伟锋，2 0 0 2 ) 。然而楚科 奇海沉积物中碳酸盐含量较低，推测可能是冰海环境中碳酸盐溶解作用较强之故 ( 孟翊等，2 0 0 1 ) 。 北极海区输入的陆源碳由物理作用控制，如河流、海岸带侵蚀和冰的搬运作 用( m a c d o n a l de ta 1 ，1 9 9 8 ) 。大部分的海洋自生生产力发生在延伸的陆架上的无 冰区( 海冰围成的开阔水域) 、边缘海以及海冰当中，海洋的初级生产在整个北冰 洋都存在( g o s s c l i ne ta 1 ，19 9 7 ) 。y u n k e r 等( 2 0 0 5 ) 利用陆源和海源有机分子生物 标志化合物来研究碳在水体中的循环。白令海河楚科奇海陆架的初级生产力达到 2 5 0 3 0 0 9 c m 2 a ( w a l s he ta 1 ，1 9 8 9 ) ，五倍于波弗特海陆架的5 0g c m 2 a ( m a c d o n a l d e ta 1 ，1 9 9 8 ) 。北冰洋深部洋盆的沉积速率相当低，大部分小于0 3 c m k a 的速率， 有些地方甚至只有2 m m k a ( d a r b ye ta 1 ，1 9 9 7 ) 。 百年以来，全球气温明显升高，北极地区大多数山地冰川呈现相应的退缩( 效 存德等，1 9 9 9 ) 。白令海峡至7 1 0 n 为海冰融化水最丰富的区域，往北逐渐降低， 而加拿大海盆为净海冰形成区( 陈敏等，2 0 0 3 ) 。太平洋水温度和盐度都是偏高 的海水，对楚科奇海的海冰融化过程产生重要的影响。北极海冰面积呈现出明显 的年际和年代际变化( 武炳义等，2 0 0 0 ) 。m a r t i n 和d r u c k e r ( 1 9 9 7 ) 用t a y l o r 柱理论解释楚科奇海海流受地形调控的机理，显示1 7 0 0 w 剖面浅滩附近是海冰 最为严重的海域。 6 冈脐赤擎 硕士毕业论文：西北冻洋表层和柱状样沉积物研究及其海洋学意义 北极地区表层沉积物中钙质生物及其沉积环境的研究，主要集中在北冰洋靠 欧美一侧的陆架和深水区( k o l f f e l de ta 1 ，1 9 9 6 ；b a u c he ta 1 ，1 9 9 5 ；1 9 9 7 ；c a r s t e m e ta 1 ，1 9 9 7 ；a i t k e na n db e l l ，1 9 9 8 ；w o l l e n b u r ga n dk u h n t ，2 0 0 0 ；h a l de ta 1 ，2 0 0 1 ； s i m s t i c he ta 1 ，2 0 0 3 ；a n d r e w sa n dd u n h i l l ，2 0 0 4 ) ，很少涉及楚科奇海一侧，其研究 也缺乏系统性；同样，硅质生物放射虫的研究也在起步阶段( a i t k e na n db e l l ，1 9 9 8 ； b j 巧r k l u n de ta 1 ，1 9 9 8 ；陈荣华，孟翊等，2 0 0 11 i t a k ie ta 1 ，2 0 0 3 ) 。c a 、s i 质生物 的丰度与表层初级生产力的高低有密切关系( t a k a h a s h ie ta 1 ，1 9 9 7 ；w o l l e n b u r g a n dk u h n t ，2 0 0 0 ) 。楚科奇海区由于季节性冰盖及冰漂物的影响，同时大量冰融 水的加入，温度盐度明显偏低，制约了该区表层生产力，表层沉积物中放射虫丰 度很低，浮游有孔虫几乎缺失，底栖有孔虫分布较广，但丰度很低( 陈立奇等， 2 0 0 3 ) 。 浮游细菌、藻类等对表层海水的营养盐首先响应，它们代表了海洋水体的初 级生产力状况。因此它们的勃发指示着营养盐的丰富，同时它们在沉积物中保存 了营养盐来源的信息。有机元素6 1 3 c 和6 1 5 n 被用来指示海水表层的营养情况 ( t a k e s h ie ta 1 ，1 9 9 5 ；n a i d ue ta 1 ，2 0 0 0 ) 。研究显示，沉积物中有机碳主要来自于 海洋水体的浮游植物和陆源的c 3 植物，与许多温暖的地带相比，c 4 植物在研究 区域并没有反映出来，也许是因为c 4 植物几乎不存在于北半球高纬地区。从陆 架向深海延伸，沉积物中海源的有机碳呈增加趋势，而陆源有机碳相应减少。 b a c k m a ne ta 1 ( 2 0 0 4 ) 系统总结了北冰洋各个区域的沉积速率的差异。d a r b ye t a 1 ( 2 0 0 1 ) 找到新的证据显示西北冰洋在近千年来表层水温显著变冷的趋势。筏冰 碎屑在地层学研究中得到了广泛的应用( p h i l l i p sa n dg r a n t z ，2 0 0 1 ) ，也常常用来 研究海平面的变化( b i e g e la n dh a s s ，2 0 0 4 ) 和冰盖变化的历史( s p i e l h a g e ne ta 1 ， 2 0 0 4 ) 。磁性地层学( s p i e l h a g e ne ta 1 ，2 0 0 4 ) 、释光测年法( o s l ：o p t i c a ls t i m u l a t e d l u m i n e s c e n c e ) ( j a k o b s s o ne ta l ，2 0 0 3 ；s v e n d s e ne ta l 。，2 0 0 4 ) 也被应用到北冰洋地层 的确立中。有孔虫丰度( p o l y a ke ta 1 ，2 0 0 4 ) 和有孔虫属种( e v a n sa n dk a m i n s k i ， 1 9 9 8 ) 地层学也得到了很好的应用。w o l l e n b u r ge ta 1 ( 2 0 0 0 ；2 0 0 1 ) 根据底栖有孔虫 的属种组合讨论了北冰洋生物生产力的变化。浮游有孔虫p a c h y d e r m a ( s i n ) 壳 体氧同位素被广泛的用来指示表层海水的盐度变化和融冰事件( p o l y a ke ta 1 ， 2 0 0 4 ) ，而碳同位素则通常用来指示水体的通气状况( s p i e l h a g e ne ta 1 ，1 9 9 4 ) 。 7 i 刁， 击擎 磺 毕业岳文自北沫洋表层和柱状样乩积辆研竞反其痞洋学意义 第二章材料与方法 2 1 材料来源 本次研究的材料来源于中国首次和第二次北极考察所采集的6 6 个西北冰洋 表层沉积物样品( 表1 ) 及位于楚科奇盆地的柱状样m 0 3 孔( 西经1 7 19 3 1 度，北 纬7 6 5 3 7 度，2 3 0 0 米水深) m 0 3 j l 柱状样长3 4 7 e m ，按2 e m 间隔分成1 7 4 个样品。 表层沉积物样品采样区域位于楚科奇海、波弗特海及加拿大海盆，深度从3 5 米的 陆架区至u 3 8 5 0 米的深海盆地不等，在西经1 4 暖到1 7 6 度，北纬6 6 度到8 0 3 度的范 围内，涵盖了北极海区表层水到深层水的广泛的深度( 图2 1 ) 。 辅撵l 鹦l i x 一! 二瞄；鬻 谶 = 器：= ：；啬。、 图2 1 表层及柱状样站位分布图。黑色方框指示研究区域 m 0 3 为柱状样t 其余为表层样 - 8 i 刁脐云擎 硕士毕业论文：西北冰洋表层和柱状样沉积物研究及其海洋学意义 表1 表层沉积样品采样站位经纬度 站位经度4 ( w )分秒 纬度。( n ) 分秒 水深( 米) 站位 经度。n ，)分 秒 纬度。o o分秒水深( 米) r o i1 6 904 96 65 9嚣卯s l i i 卯oo7 2移“4 7 r 0 3 i 田oo秘oo5 ls 1 61 5 795 07 33 5秘翻m r 帖 i 臼 o o 6 9 005 3s 2 i al 科卯27 i3 95砸 r 艏l 谚o06 9 2 9 4 3 5 3s 2 61 5 24 00 7 3 00姗 r l ot酚03 4 i2 95 i如s 3 2 l 硒笠 3 3 7 11 5 4 0 2 6 毫 r l l1 6 93 95 7 2 05 05 5j i1 7 0lo6 72 94 54 7 r 1 2 a1 6 3锣57 23 01 37 7j 2l 罩o01 4蠲ol o5 8 r 1 3 i 田3 24 4 7 3 006 7b1 6 9强l o6 8，ll l5 6 r 1 5 ai 确5 9 2 6 力钮5 31 7 5“1 6 9锣1 96 9o3 35 5 c i i1 6 75 937 l3 95 l鹪巧1 6 9穷i69加，ls 2 c 1 31 6 s 5 95 i7 13 65 i3 0斯1 7 003 86 95 95 93 5 c 1 51 6 404 67 1 3 44 5 3 j 71 7 21 4 3 4 69，9i o4 7 c 1 61 6 3o5 27 l 3 2 5 l5 7矩 1 7 5 92 7 0 0 3 4妇 c 1 7l 砬2i7 lz 92 l5 7j 91 7 5i4 27 02 9” q i1 6 8 o 8 7 0 3 004 5j l o1 7 35 1 77 lo53 0 c 巧1 6 3 5 8 9 7 0 2 9 3 9 4 7j “1 7 2移1 77 lo1 53 皇 p i i169，93 77 5 0 2 41 6 7 儿21 7 02 1 77 0 ”秘 3 0 p 1 31 6 s4 82 47 44 824 4 7j 1 31 6 7 1 1 37 0嬲4 9靳 陀l1 6 72 i3 8 7 7 2 24 45 6 2j 1 41 6 73 03 57 loo4 7 p 2 21 6 45 55 97 72 34 33 2 0p “3 01 6 9j 25 56 63 095 l p 2 3 1 6 23 l57 7 3 i 4 0 2 2 0 0p 6 7 1 6 9卯3 86 701 7 7 p m 1 5 84 3m7 7 4 8 3 8t