（环境科学与工程专业论文）南海珊瑚环境地球化学记录与全球变化.pdf

摘要 本文建立的北太平洋海南岛滨珊瑚1 2 0 年s r c a 比值记录与南太平洋汤加 滨珊瑚年代际变化( 1 8 7 6 1 9 9 6 ) 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一它们之间的热带 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3 4 6 、2 4 2 和8 3 年三个周期。其中2 4 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s s t 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1 9 0 6 1 9 9 3 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s r c a 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2 0 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e n s o 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s r c a 比值记录和气象记录我们重建了1 9 0 6 1 9 9 8 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3 0 。冬季风速在2 0 世纪不断的减弱尤其是在1 9 7 6 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。 关键词：南海滨珊瑚环境地球化学指标亚洲季风海洋气候与环境自然营力 与人类活动全球变化 中国科学技术大学博士论文南海珊瑚环境地球化学记录与全球变化 a b s t r a c t 1 i l i ss 饥d yf o c u s e do ns t a b l ei s o t o p i ca n dt r a c ee l e n l e i 馏r a t i o sp r o x i e s ( 6 儿b ，啪 e a m le l e m e n t s ，s r c aa n d m c a ) i nt h em o d e ma n df o s s i lc o r a l s 矗- o m 也es o u t h c h i n as e a ( s c s ) w l l i c hw e r ep i c k e d 厅o ml e i z h o up e i l i l l s u l 如h o n gk o n g ，h a i l l a n ， x i s h aa n dn a i l s h a i s l a n d s t h e s ep r o x i e sp r 0 v i d et 1 1 e h j s t 0 巧o fs e as u r ：f a c e t e 】n p e r a t l l r e ，p ha n ds e al e v e lc h a n g eo f 也es c ss p 础g 也el a s t 铆oc e 曲】r i e sa n d p 砥t i m eo ft h eh o l o c e n e u s m gm e s eg e o c l l l l ：l i s t ) r r e c o r d si 1 1t 1 1 e c o r a l s ，、 i 1 1 v e s t 远a t e dt h ev a r i a t i o n s ，能i l d s ，c y c l e s ，a m p i i t u d e s 跹ds l l i re v e i i t so f 也e c l i i l l a t e e n v i r o r l l e n tc l 啪g eo ft h es c sw h i c ha r er e l a t e dw i mo c e a n a t m o s p t l e r e i 1 1 t e r a c t i o n s ，a s i a l lm o n s o o n ，e n s oa i l da n 妇o 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e c o n s t u t e ds e al e v e ls h o w sai n c r e a s i n gt r e n ds i i l c el8 5 6 w i t ha na v e r a g er i s i n gr a t eo f0 5 n 珊a t h es e a1 e v e lc h a l l g eo fh a i n a i la tw e s tp a c i f i c a n ds a i lf 眦c i s c oa te a s tp a c i f i ci sa n t i p h a s e dw l l i c hm a yb er e l a t e d 谢me n s o 1 1 1 ed e c a d a lv 撕a t i 0 璐o fm ol2 0 - y rm o n 伽ys r c ar e c o r d sf b o mh a i 咖a tn o n h p a c i f i ca 1 1 d r a r o t o n g aa ts o u mp a c i f i c 印p e a rt os y n c h r o n o u s 1 1 1 i sh e m i s p h 耐c s y m m e t l ys u g g e s j t st h a tt r o p i c a lf o r c i i l gm a yb ea ni m p o r t a n tf i a c t o ri i la tl e a s ts o m eo f n l cd e c a d a lv a r i a b i l i 够o b s e n ，e di i lt h ep a c 洫o c e a l l h 锄0 1 1 i cs p e c 伽no f 吐l e h a i n a nc o r a ls r ，c ar e c o r dr e v e a l s3 4 6 - y e a r ，2 4 2 一y e a ra 1 1 d 8 3 一y e a rc y c l e s t h e 2 4 2 一y e a rc y c l ea p p e a r sa sad o 埘i l a n tc y c l ef o r b o t hh a i n a i la n dr a r o t o n g a ，r e v e a l i n g ad e c a d 以s s tc h a n g e 证吐1 ep a c i 矗co c e a n 1 k so s c i l i a t i o nh a sb e e np r e v i o u s l y i d e n t i 丘e da sar o b u s t ，r e c u r 血gp 甜e mo fo c e a n 一撇o s p h e r ec l i m a t ev a r i a b i l i 够mt 1 1 e n o r t l lp a c i 丘c e a s to fh 缅a 1 1i s l a l l di sl o c a t e dw i 恤t h e0 n eo f 舭u p w e l l 堍c e n t e r so f 仳s r e g i o n 1 1 1 er e c o n s t m c t e ds 啪m e rs s tb ym ec o m ls r c ar a ：t i o 舶mt l l eu p w e l l i n g a r e ai ss i g l l i f i 呲l o w e ra n ds h o 、sad i 仃e r e n t 骶n d 洫m e2 0 也c e n t u 巧c o m p a r e dt o n o n u p w e l l i l l ga r e a s w ef i r s t l ye 氏童b l i s h e dai o n gt e n ni n d e xf o rs l n n m e rc o a s t a l u p w e l l i n gi n t e n s 时。行n o n h e ms h e l fo ft 1 1 es c sb y 位c o r a l 一s s td i 触e n c e s b e 觚e e nu p w e l l i l l ga r e a sa n dn o n u p w e l l i i 玛a r e a s t h er e s u l t ss h o war a p i d 2 0 t h - c e n t u r yi 1 1 c r e a s ei 1 1c o a s t a lu p w e l l i 】唱a tt h en o r 山e ms c sw m c hi sr e l a t e dt 0 s h a i pg l o b ew a r m i l l ga 1 1 dm a y b ep a r t l yr e s u l t e d 丘o ms 仃o n g e ra r l dm o r e 自e q u e n te 1 n i 柏c v e n t si nt i l e 缸o p i c a l0 c e a l l a tt h es 锄et i i i l e ，w ef 0 u n dt h a tn l ed i f f e r e n c eo f 、访n t e rs s t sb e t w e e nn l e 铆o s i t e s s h aa n dh 血a 芏1 ) i ss i 咖f i c 锄1 yn e g a t i v e l yc o 玎e l a t e d 谢n lm ei i l s 饥m e i l _ t a l w m v ( 丽i l ：t e r 1 0 n s 0 0 nv e l o c 对) t h i sn e g a = c i v ec o 玳l a t i o nr r l a l yb er e l a t e dt 0n l e i 1 1 觚i o no f 吐l ew a 锄k u r o s 王l i oc u r 工e n t 缸om es c s 鼬u 西n l el u z o ns 戗面t p r o m o t e db yt h es 仃o i 冯n o r c l l e a s t e mm o n s o o nw i n d si 1 1 t h ew i l l t e r u s i n gt l l e r e l a t i o l l s h i pb 出v e e no u rc o r a l l i n ed a t aa n do b s e n r e dw m v ，w eg e n e r a t e dar e c o r do f 聊州c s 丘o m1 9 0 6t 01 9 9 8 n l e 州ci i l 也e2 0 n 1c e n 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：t i l r a la 1 1 d a n 廿啪p o g e i l i cf o r c i n g ，g l o b a lc h a l l g e v 中国科学技术大学学位论文原创性和授权使用声明 本人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。除己特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任 何他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究 所做的贡献均已在论文中作了明确的说明。 本人授权中国科学技术大学拥有学位论文的部分使用权，即：学 校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 作者签名： 年月日 中国科学技术大学博士论文南海珊瑚环境地球化学记录与全球变化 1 1 引言 第一章绪论 我国是最早研究珊瑚礁的国家之一。早在汉代人们已对珊瑚有所认识，提 出南海珊瑚洲是由珊瑚礁构成。此后晋、南北朝、隋、唐、宋、元、明、清以 及明国时期都有珊瑚礁的记录和历史文献( 曾昭璇等，1 9 9 7 ) 。如环礁一名， 最早见于唐代初学记中，唐朝学者徐坚在文中称之为：“石塘、石床”。 珊瑚是个统称，它包括了石珊瑚( s c 恐，- 口c f n f 口刀) 、软珊瑚( 么，钞d ，z 口r 胁，z ) 、 柳珊瑚( g d 馏d ，2 砌，z ) 、红珊瑚( c d ，口z ，m 聊) 、角珊瑚( 彳，z 印口砌口r 砌挖) 、 苍珊瑚( 上昆z j 印d ，f 刀口) 、笙珊瑚( 砌6 勿d ，加口) 和水螅珊瑚( 毋咖d c d ，口胁甩f 彻) 等。在分类上属于腔肠动物门( c d e 彪玎地，口砌) 中不同纲的动物。并不是所 有的珊瑚都可以形成珊瑚礁，一般来说珊瑚分为造礁珊瑚与非造礁珊瑚两大类。 非造礁珊瑚一般多是单体，少数为小型的块状或枝状复体，根据对现代珊瑚的 研究，这类珊瑚适应性强，特别是单体在低温和各种深度的环境中均能生存。 珊瑚虫的内外胚层之间没有虫黄藻共生，不同的种属都有一定的分布范围。在 古生代的许多单体珊瑚都是非造礁珊瑚，其中就有许多是四射珊瑚，如石炭纪 的杯轴珊瑚属的种类。它们个体小，隔壁肥厚，属于深海低温环境中的种类。 珊瑚中非造礁珊瑚的数量并不多，更多的是造礁珊瑚。 造礁珊瑚生活的范围窄，只分布在热带、亚热带的浅水水域。需要的环境 也比较严格，最适宜的水温在2 5 3 0 ，深度不超过8 0 米，盐度在3 4 3 6 ， 水体要洁净，不能有污浊的泥沙，透光性强。水深2 0 米，水温2 5 ，这样的 环境里珊瑚虫发育最快。造礁珊瑚包括古生代的大量的四射珊瑚和横板珊瑚以 及新生代和现代海洋中许多群体珊瑚。在这类珊瑚之中都有与珊瑚共生的虫黄 藻。据研究这种藻类有助于促进珊瑚虫的新陈代谢和生长发育，对珊瑚分泌钙 质骨骼和促使骨骼架的快速生长有决定作用。据测算造礁珊瑚每年生长5 2 6 毫 米，而深海非造礁珊瑚每年生长约1 毫米。在全球变化研究中绝大多数都是采 用造礁珊瑚作为信息载体 1 2 造礁珊瑚的环境地球化学记录与全球变化 目前珊瑚的气候环境指标有微量元素比值( s r c a 、m c a 和u c a ) 、 轻同位素比值( 1 8 0 1 6 0 、1 3 c 1 2 c 、1 4 c 1 2 c 、1 砷1 和1 1 b 1 0 b ) 、营养元素( c d 、 第一章绪论 b a 和等) 、r e e 、重金属( p b 、c u 和c r 等) 、珊瑚骨骼的荧光强度、 生长率、钙化率以及礁体高度等( 表1 1 ) 。这些分门别类的的高分辨环境气 候指标极大地加深了我们对热带海洋乃至全球众多气候过程的理解，是提 高气候模型和气候预测精确度的基石。理论上珊瑚可以提供晚第四纪以来 月分辨环境地球化学记录。 表1 1 珊瑚环境气候代用指标 t a b i e1 1e n v i r o m e n t - c l i m a t ep r o x i e si nc o r a j s 指标名称指示的主要气候环境 s r c a温度 m c a ， 温度 u c a温度 1 8 0 1 6 0温度、盐度和降水 1 3 c 1 2 c光照，云量 1 4 c 1 2 c洋流和大气1 4 c 变化 1 5 n 1 水体污染来源 1 1 b 1 0 b p h c d生产力、上升流 b a陆源输入、上升流 【i l生产力 r e e 陆源输入、海平面 重金属( p b 、c u 、c r 等)水体污染 荧光强度陆源输入和径流 生长率年际温度和珊瑚发育状况 骨骼密度年际温度和珊瑚发育状况 钙化率 年际温度和珊瑚发育状况 礁体高度海平面 为了能准确记录环境的变化，并得到长时间序列的记录，对珊瑚种类的选 择有特殊的要求。聂宝符等( 1 9 9 7 ) 经过大量的研究认为大型块状的滨珊瑚 ( p d ，f 泐) 最为理想，它们既有清晰的生长条带，又有较长的生长延续时间， 可达数百年之久，且易于寻找和辨认。国内外的研究者，大多数也是选用这种 造礁石珊瑚作为研究对象。滨珊瑚又称孔珊瑚，是珊瑚礁主要的组成部分，并 广于泛分布于我国南海的岸礁和环礁之中。在礁坪、向海坡，随处都有，既易 2 中国科学技术大学博士论文 南海珊瑚环境地球化学记录与全球变化 于寻找，也易于识别。滨珊瑚的年生长率多数为6 1 5 毫米，利用现代高精度的 采样技术，分辨率可达周。这是各门类生物或沉积物所无法比拟的优势。 分支状珊瑚类型如鹿角珊瑚o c 加p ，口) 不宜选用，因为它们生长速度快， 易折断，连续生长1 0 年以上的也难以找到：此外片状珊瑚如牡丹珊瑚( 胁。玎口) 也不理想，毕竟一片片零碎难以连续；蜂房珊瑚类的若干属，其生长带也较为 清晰，但连续生长时间不如滨珊瑚的长，因而研究的年代序列也相对较短。当 然珊瑚种类的选择没有真正的定式，因地区和所要提取的环境信息而异。如y u e ta 1 ( 2 0 0 4 ) 使用角孔珊瑚( g d 疗f d p d ，口) 成功地研究了在南海全新世高温期间， 突然出现的降温事件和珊瑚的“冷白化”现象，并利用其s r c a 比值重建了当 时的海表温度。此外考虑到珊瑚骨骼内重金属含量低，为了研究海水重金属年 分辨率以上的变化，可考虑选用生长年限比滨珊瑚短，但生长速率较之高的珊 瑚种类。 最近b a 弘a t oe ta l ( 2 0 0 4 ) 报道了用同双星珊瑚( d 勿幻鲫胞口办p ，f 叩d ，口) 提取 环境信息的研究，其中选用的代用指标为6 1 8 0 ，s r c a 比值。根据他的研究， 利用同双星珊瑚提取气候信息是可靠的。与滨珊瑚相比，同双星珊瑚生长率低、 密度大，但生长年限更长。同样长度的珊瑚岩芯，同双星珊瑚的记录的时间长 度是滨珊瑚的二到三倍。b a g n a t 0 指出利用同双星珊瑚可以获得连续8 0 0 多年的 气候记录! 同双星珊瑚是值得研究的一种新的珊瑚信息载体。 珊瑚定位生长，是一种很特殊的生物沉积物。只要海水元素含量和同位素 值不发生变化，就可将现代各种代用指标同仪器记录拟合的关系外推到过去， 通过化石珊瑚中的各种地球化学指标定量的重建气候变化的历史。这是目前国 际学者研究热带珊瑚环境的基础，这一条件通常是可以满足的。目前发表的珊 瑚信息数据序列中最早的记录已延续至距今3 5 0 l ( a 前( l b o u m ee ta 1 2 0 0 4 ) 。受 太阳轨道天文参数的影响，地球第四纪气候变化主要存在2 1 7l 【a 、4 1 k a 、1 0 0 k a 等周期的变化( s a n l m e i l le t2 l 1 2 0 0 2 ) 。珊瑚的生长上限是数百年，且越老的化石， 保存下来的就越少。虽然采取不同年段化石珊瑚的拼接方法可延长记录的长度， 但要揭示上述周期的气候变化是很难做到的。在这样的长尺度上珊瑚同冰芯、 黄土、和大洋沉积物等就缺乏对比性。但是，珊瑚分辨率高而且可以直接推出 气候指标变化的绝对值，是一般的环境载体难以做到的，起到了对某时段信息 的精细分析和填补作用。它能够揭示冰期、间冰期气候具体变化的幅度和频率， 反映天文参数变化后，气候的季际、年际、和年代际的变化，以及揭示在大尺 度背景下气候的显微变化，如对火山爆发、气候突变等事件的各种响应。珊瑚 易被精确定年，而且能够提供高分辨率的信息序列，将会成为评估气候模型的 判别依据。在研究当代社会最近的几百年气候变化中，特别是在反映海表温度 3 第一章绪论 ( s s t ) 这个全球海汽相互作用，海洋大气陆地的相互耦合的热源驱动指标 的变化上，珊瑚具有显著的优越性。珊瑚提供的信息就如对长尺度气候环境变 化的微区分析，在全球变化研究中，关键的地理位置，关键的地质时期，提供 高精确年代和高分辨率的环境气候序列。 1 3 南海环境气候概况 1 3 1 地理特征 南海是菱形扩张盆地，它的扩张沉降与喜马拉雅山的隆起和形成是亚洲东 南部同时进行的负向与正向变化的两大地质过程。它们同为新生代的产物，对 东亚环境产生了巨大影响。 南海南启马来半岛，东至菲律宾群岛，北临我国大陆和台湾，南接婆罗洲 和苏门答腊岛，幅员3 5 0 万平方公里，约等于渤海、黄海和东海面积总和的3 倍，是世界上最大的边缘海之一。南海是准封闭型边缘海( 图1 1 ) 。它的东部通 过台湾海峡、巴士海峡和巴林塘海峡与太平洋沟通；南部有卡里马塔海峡和加 斯帕海峡连接爪哇海；西南部通过马六甲海峡与印度洋毗邻。这些海峡水深大 多只有十几米至百余米，只有巴士海峡和巴林塘海峡有 2 千多米的水深。南海 也是邻接我国最深的海区，平均水深约1 3 0 0 米，中部深海平原中最深处达5 5 6 7 米。南海海底地形呈环状分布，从周边往中部依次是海岸带、大陆架、陆坡和 海盆。 4 图1 1 南海地理位置和地貌 f 唔1 lt h e l o c a f l o n 删g e 岫唧h y o f 龇s o 曲c h ms e a 南海分布着许许多多的珊瑚碓和珊瑚岛，它们就像一颗颗明珠镶嵌在湛蓝 的海面上。这些岛屿总称南海诸岛，分为东沙群岛、西沙群岛、中沙群岛、曾 母暗沙、南沙群岛和黄岩岛。 有多条河流汇入南海，主要有北部的珠江和西南部的湄公河( 澜沧江) ，其 年平均径流量分别高达3 1 6 和4 7 0 亿矗。这些河流带来了大量的陆源物质和营 养元素，对南海的生态和地质环境有着深远的影响。 南海具体的地理特征参数可见表1 2 。 第一章绪论 表1 2 南海地理特征简表( 改编自w o n ge ta 1 2 0 0 7 ) t a b l e1 2c h 嬲赡r i s t i c so f t h es o u mc h i l l as e a 面积( 1 0 6 k m 2 ) 3 5 经纬度 3os 一2 3 o n ； 1 0 2 o e 1 2 1oe 平均深度( m ) 1 3 5 0 体积( 1 0 6 k m 3 ) 4 7 年平均降雨量( 删 2 0 0 0 主要注入河流径流量( 1 0 9 m 3 a ) 珠江3 1 6 澜沧江( 湄公河)4 7 0 红河 1 2 3 九龙河 1 5 韩江 3 0 混合层深度( 南海北部，m )2 0 ( 夏季) 8 0 ( 冬季) 年平均海表温度( 北部， )2 5 2 7 ( 中部)2 7 2 8 ( 南部) 2 8 2 8 5 海表盐度绝大多数 4 0 州s 。海流变化深受季风和海底地形的影响，9 月至次 年4 月表层海流以s w 向为主；5 8 月以偏北向为主。 1 3 2 4 南沙礁区 南沙北部属于热带季风气候，南部属于赤道季风气候。气候上共同的特点 是高温多雨，干湿季分明，盛行季风，多强风天气，偶有热带气旋的影响。表 层平均水温为2 8 2 8 5 。月平均水温以2 月最低( 2 6 2 7 ) ，5 、6 两月最高 ( 2 9 3 0 ) ，年较差仅2 3 。月平均表层盐度，外海区为3 3 3 3 5 ，季节变 化小于1 。年降雨量1 8 0 0 2 8 0 0m m ，自北向南递增。1 5 月为旱季，6 1 2 月 为雨季。据永暑礁海洋观测站测风资料，1 1 月至次年2 月为冬季风时期，各月 n e 风向频率为3 6 4 5 ，月平均风速7 9 9 7 州s 。3 、4 两月盛吹偏东风，5 9 月盛吹西南风，频率占3 3 4 7 ，月平均风速6 7 州s 。1 9 4 9 1 9 9 4 年间，共有1 2 8 个热带气旋进入到南沙群岛海区，平均每年2 8 个，集中在1 0 1 2 月，占全年总 数的7 1 。受海盆地形的影响，本礁区的海流变化十分复杂。南部海区终年以 n e 向流为主，北部以偏北向流为主。 7 第一章绪论 以上礁区的水文气象资料引自文献聂宝符等( 1 9 9 7 ) 。 1 4 选题依据 近几十年来，由于工业的发展，人类活动的扩大，相继温室气体排放猛增， 臭氧层空洞加大，造成全球变暖，海平面上升，风暴潮的加剧，旱涝灾害频繁， 产生对自然生态、资源环境、人类社会的严重破坏。这些层出不穷的异常气候 事件，是人类活动的结果，还是自然变化的周期? 也或是两种营力的相互作用 结果? 这是当今自然科学家、经济学家、社会学家、和政治学家都想回答的问 题。但是，由于我们对地球系统的变化尚不清楚，这些异常的气候- 环境事件是 否可能属于地球气候系统本有的周期变动之一，或者是人类营力叠加在气候的 变率之中? 这样，单纯要求调整人类的活动，以恢复气候环境的原貌，就显得 理据不足，因为原本地球系统的运作还没有被人们所完全了解。 为了要认识气候环境的变动规律，就需要取得长期可靠的气候一环境资料， 运用这些近数百年一近数千年的气候代用指标序列，避免了受到人类活动的过 多影响，建立起可评估的全球变化气候模式。如此建立的模式，才有可能真正 认识到人类的活动，尤其是近数十年以来，对气候系统的影响程度。为加强生 态环境的保护，促进自然与社会协调、和持续的经济发展提供科学的判据。 海洋面积占全球的7 1 ，具有存储和交换热量、水汽、温室气体的能力， 在海洋与大气的相互作用中起着重要的作用，是启动亚洲季风和e n s o 事件的 重要源区，调节着全球变化的进程和结果。海洋是地球系统的重要组成部分。 1 9 9 7 年世界海洋科学技术委员会结合当前全球性的重大科学问题，提出了 海洋大科学( o c e a nm e 9 2 l s c i e n c e s ) 的研究课题，其研究内涵牵涉到海洋与气候 的变化研究( 如厄尔尼诺事件研究、太平洋涛动的周期研究、极地海冰变化研 究、地球变暖与物质循环研究) ，海洋生态系统结构研究，深海和地壳内微生物 研究，以及海洋生态环境修复科学技术研究等。这些课题的研究成果对于揭示 宇宙、生命、和人类起源( 海洋人类学) ，探索气候变化，生物多样性，海洋“健 康”，以及防灾减灾等有着重要的科学和现实意义。 热带海洋星罗棋布的珊瑚礁与历史资料、树轮、湖芯、冰芯，以及气象台 站的记录相比，具有自身独特的优越性：珊瑚生长在热带海洋，其代用指标 直接反映海表面温度、降雨、盐度、p h 、海流等，与季风、e n s o 的全球变化 直接相关；珊瑚可以连续生长数百年之久，时间分辨率达到月或旬，可以提 供长数据序列，对建立现代到近代的气候模型十分重要；珊瑚组构的文石矿 物便于用2 3 0 t h 2 3 4 u 法定年，时间跨度从数十年至数十万年，年龄精度为 8 中国科学技术大学博士论文南海珊瑚环境地球化学记录与全球变化 1 ，可以追溯到至少为末次间冰期以来的气候记录。这些显著的特点是当代建 立珊瑚气候环境学的基础，也是被国内外学者广泛重视的原因。热带珊瑚有效 地记录全球环境变化的诸多信息，已成为研究过去( 如末次间冰期以来) 和近 代( 如数十至数百年以来) 的气候环境变率和可预测性( p a g e s c l i v 姣) ， 揭示全球变化过程与机制，探讨人类活动与环境变化的相互关系的重要信息载 体。 南海是毗邻我国大陆的唯一热带海区，又是全球最大的半封闭边缘海，具 有气候环境研究得天独厚的条件，早已为中外学者所注目。南海及其陆缘区为 我国研究全球变化区域响应及其驱动力核心区域之一。南海有广泛分布的珊瑚， s s t 的变化对珊瑚生长的影响明显。礁区的周围有海洋气象台站，能够提供近 3 0 年连续、详细的海洋观察记录，是世界上珊瑚礁研究难得的理想海区之一。 气候统计和数值实验已经证实：南海与太平洋的：s s t 异常、与中国的水汽输 送、东亚垂直环流、以及西太平洋副热带高压与东亚季风有密切关系；南海 s s t 异常对长江流域及其以南地区的雨量有显著影响；南海中、北部冬季的 s s t 高低与冬季风强弱呈显著的负相关；南海区域的气候变化也受到西太平 洋暖池的影响，成为e n s o 事件响应的敏感区。为此，南海珊瑚已成为研究我 国热带海洋与大气耦合作用，响应东亚季风和e n s o 事件的变化，最适合的气 候环境载体之一。我国诸多学者已开展了南海珊瑚的气候代用指标与古环境重 建的研究。 但是在已往的工作中，还存在很多可以深入研究的空间： 目前为此，发表南海珊瑚用同位素或微量元素比值建立的海表温度序列， 很少达到近1 0 0 2 0 0 3 0 0 年的尺度。而且，对于重建其它的海洋。气候指标序列， 如降雨、p h 值、海表c 0 2 浓度、上升流等就更短，难于对季风、e n s o 、温室 效应、海流循环的变率研究做出具有重大意义的结果。对于化石珊瑚在千年 数千年尺度范围内的研究，连续测试的时间往往在1 0 2 0 年，这样短的序列对 气候环境变化的探讨也是不够充分的； 对于在珊瑚中使用新的同位素和微量元素体系作为气候环境的代用指标， 如6 b ，i 也e ( 稀土元素) ，在国内除有少量的报道外，还没有见到有长时间尺 度序列的发表，明显地落后于国际发展的步伐； 国际上利用珊瑚主要研究的是低纬地区，多为“纬向”联系的研究，而“经 向 上联系的研究较少。南海北靠东亚大陆，南连西太平洋暖池，其间广泛分 布的珊瑚群落也许就是我们探询大陆系统与海洋系统之间气候联系的一座“天 赐”桥梁。对这种“经向 联系的研究，无疑能够增强我们对海气之间、海陆 之间的气候变化，特别是低纬和中、高纬地区之间的相互作用的理解。 9 第一章绪论 通过对珊瑚气候环境学的研究，可以提供南海热带海洋近1 0 0 一2 0 0 年或更 长的月年际s s t 序列、以及其它海洋环境参数的建立，可以对亚州季风、e n s o 的变率进行数值模拟研究，建立有效的海气相互作用模式，对预测今后气候 环境变化的趋势，减缓旱涝、风暴潮、海平面上升的灾害，对自然生态、经济 持续和社会安定的协调发展有重要的战略意义。 1 5 研究内容、技术路线及主要工作量 本论文主要采用现代和化石珊瑚的同位素和微量元素比值代用指标( 6 o 、 s r c a 、m g c a 、6 u b 、r e e ) 建立南海珊瑚近1 0 0 2 0 0 年以来以及全新世部分时 段的海表温度、海表p h 值、和海平面序列等，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、e n s o 驱动因素变率 以及人类活动等的影响。实验的样品来自1 9 9 8 、2 0 0 2 和2 0 0 4 年课题组在海南 岛海域和西沙海域采集的活珊瑚和化石珊瑚标本。南沙和雷州半岛的样品由中 科院南海研究所的聂宝符老师提供。本次研究的部分气象观测资料由南海所的 陈特固老师提供。具体的技术路线和工作量可见图1 1 和表1 3 。 1 稳定同位素指标( 6 1 8 0 ，6 1 3 c ，6 1 1 b ) 2 微量元素比值( s r c 如m c a ) 3 稀土元素( l a - l u ) 1 x r a y 骨骼生长条纹 2 s r c a 比值的季节循环周期 3 质谱u 系，1 4 c 定年 i高精度高分辨环境代用指标序列 l( 1o 5 0 1o o 2 0 0 3 0 0 年) 驱动机趔弋化区域响应 图1 2 本论文研究的技术路线 f i g1 2t e c 腼c a lw a yo f t h i ss n j d y l o 中国科学技术大学博士论文南海珊瑚环境地球化学记录与全球变化 表1 3 本论文研究的主要工作量 t a b i e1 3m a i nw o r ko f t h i ss n l d y 项目内容数量实验地点和仪器 取样沿珊瑚主生长轴以 2 5 0 0 个中国科大环