太平洋海洋悬浮体分布特征及其影响因素

太平洋海洋悬浮体分布特征及其影响因素

1海洋雾状层与海洋雾状层大于地表雾层（也称为雾层）是指相对于海洋水体的相对浑浊层。层中的悬浮液含量明显高于相邻两侧的水体。雾层在时间和空间上是变化的，但在一定的时间和空间上是稳定的。层厚从10米到1米以上。大海非常干净，悬浮体含量一般低于0.10mg。虽然雾层中的悬浮液含量一般低于0.30mg，但雾层中的悬浮液含量可以超过0.30mg。云层中的物质水平输送能力超过了海洋上层水体的垂直运输能力。这是云层中物质和陆地运输以及海洋产品转移的主要形式，在全球海洋物质收入和支出中发挥着重要作用。雾层内碳环的形状、过程复杂，物质量很大。不同形式的碳在雾中的存在时间、转移时间和目标对研究海洋碳环的“源”和“汇”具有重要意义。已成为国际海洋碳环研究的热点之一。海底雾层对研究海洋沉积作用、海底矿产开发和商业鱼类捕获对海底生态环境的影响，以及海底多金属结核和地壳成矿环境具有特定的意义。近年来，热液回波流的特殊雾层的发现和开发为热液回波流的形成提供了重要的手段。大洋雾状层的研究始于1977年的大洋雾状层垂向结构特征研究.近年来国际上对雾状层的研究方兴未艾,取得了一系列成果.研究内容涉及雾状层的物质组成、成因、物质转换和运移、通量和数值模拟等[9,10,11,12,13,14,15].海洋雾状层的研究在我国起步较晚,是较为陌生的领域.首次以雾状层立项进行的研究是中国大洋矿产资源研究开发协会(简称大洋协会)于2002年开始的大洋近底雾状层研究,此前国内研究者的相关研究主要集中在对我国陆缘海中悬浮体的物质来源、分布、组成、运移及环流和水团影响机制的研究[16,17,18,19,20,21,22,23,24,25].随着现代化海洋光学和声学仪器的引进,逐渐开展了悬浮体连续分布的研究,对相关的“海洋雪花”也进行了分析.近年来东海高浊度水体的海洋生物地球化学研究是相关研究中的新进展,但是尚未见到我国有关雾状层的研究报道.在2005年4～9月大洋协会组织的首次环球考察DY105-17B航次中,采集了有关站位的悬浮体样品以及对应的CTD对水体温度、盐度等海洋环境因子的连续记录.以上述资料为依据,对大洋雾状层进行了初步研究.2悬浮体采样深度DY105-17B航次横跨整个太平洋海域,调查站位包括西太平洋和中太平洋的海山区和东太平洋的多金属结核中国开辟区.本文讨论取样站位见表1.用美国海鸟公司SeaBird911plus型CTD仪连续采集水体的温度、盐度和深度参数.仪器测量范围及测量精度:温度为-2～35℃,精度为±0.001℃;电导率为0～70MS/cm,精度为±0.003MS/cm.在施放CTD的同时进行了悬浮体水样采集.每站分12层采水,层位分表层,20,50,100,200,500,800,1500,3000m及近底部三层水深处(海山区的海山顶部由于水深较浅,采样深度适当上延;部分层位由于取样器故障未能取到水样),共采集悬浮体样品132个,本文选择相关站位样品共44个进行研究.随船用事先称量的双层Waterman微孔滤膜(直径为47mm,孔径为0.45μm)在船上抽滤水样,抽滤水样的体积为3～5L.对环境调查区的部分站位用蒸馏水作抽滤前后的空白样,对空白样抽滤的蒸馏水为0.4～0.6L.滤膜经洗盐后在室温下晾干并在3～5℃下冷藏保存.返回实验室之后,低温下(<40℃)烘24h之后用精度为十万分之一的电子天平称其质量.对所得悬浮体质量用其下的空白滤膜校正,悬浮体含量(TSM)单位为毫克每立方分米.对本文选取的悬浮体样品利用ICP-MS进行元素分析,分析元素为47个,包括锂、铍、钠、镁、铝、钙、钪、钛、钒、铬、锰、铁、钴、镍、铜、锌、锗、铷、锶、钇、锆、铌、钼、镉、锑、铯、钡、汞、铊、铅、铋、铀、钍及部分镧系稀土元素(部分稀土元素因含量太低未检测出),元素分析在北京核工业地质研究院进行,所用仪器型号为德国Finnigan-MAT公司生产的ELEMENTI型等离子体质谱仪,测量精度标准偏差小于5%.3海相中的奥尼亚,洋中广泛分布,在近底雾状层中.以水体中悬浮体含量的垂向分布特征为依据来分析海洋雾状层类型是雾状层研究的基本内容.雾状层在大洋中广泛分布,除表层雾状层外,在近底雾状层(BNL)中又分为三个亚层,即近底雾状层(BNL,benthicnepheloidlayer)、近底混合层(BML,benthicmixedlayer)和近底边界层(BBL,bottomboundarylayer).3.1推进形成表层雾状层取样站位的海洋雾状层一般可以分为两层,即上层雾状层(UNL,uppernepheloidlayer)和下层雾状层(LNL,lowernepheloidlayer);上层雾状层一般分布在水深500m以上的水体中,在表层100m内悬浮体含量最高,一般大于0.05mg/dm3,最高可达0.28mg/dm3,形成表层雾状层(SNL,surfacenepheloidlayer);下层雾状层厚度较厚,1000～1500m以下均有分布,悬浮体含量较上层雾状层低,介于0.04～0.10mg/dm3;部分站位在水深4500～5000m以下悬浮体含量又急剧增加,明显超过其上覆水体,悬浮体含量介于0.06～0.20mg/dm3,形成近底雾状层(BNL,bottomnepheloidlayer),但在海山区的海山顶部的站位没有明显雾状层显示.研究区内悬浮体含量均低于0.30mg/dm3.以下选取海山区海山底部的C1站和海山顶部的C2站(两站位于同一海山,C1站在该海山的底部,C2站在顶部)及多金属结核中国开辟区的东部站位EP05-02和西区站位WS0504进行分析和对比.3.1.1悬浮体含量与盐度结构C1站.该站位于西太平洋海山区海山的底部,水深5100m.可把悬浮体含量曲线分为三部分(图1):在水深200m以上悬浮体含量总体较下层水体的高,含量均超过0.10mg/dm3,最高达0.24mg/dm3,构成表层雾状层;在200m以下悬浮体含量呈波动变化,总体较其上覆水体的低,仅在1500m处出现高值(0.15mg/dm3),在1500m以下急剧降低至4500m;在4500m以下悬浮体含量又有增加,从0.06mg/dm3增加至0.10mg/dm3左右,明显超过上覆水体的,构成近底雾状层.水体温度、盐度变化主要出现在上层500m内.表层40m内为均匀混合层,温度和盐度基本稳定.在40～1000m盐度呈波动变化,先增加后降低然后又有增加,分别在100m(35.2)和1000m(34.5)处出现高值,在500m(34.1)处出现低值.在1000m左右保持稳定直至底层.温度从40m(28℃)急剧降低至700m(5℃),700m以下温度缓慢降低至2000m(2℃左右),2000m以下基本保持稳定.表层200m内悬浮体含量与盐度变化有一定相关性,反映了受温度和盐度结构控制的水体生物作用对悬浮体含量的影响.200m以下悬浮体含量与水体的温度和盐度结构没有关系.C2站.该站位于西太平洋海山区海山的顶部,水深1288m.悬浮体含量总体较少,均不超过0.10mg/dm3,可把悬浮体含量曲线分为三部分(见图2):在表层80m悬浮体含量先增后减,在30m左右出现极值(0.09mg/dm3左右);在80～200m悬浮体含量持续增加,从0.04mg/dm3左右增至接近0.10mg/dm3;200m以下悬浮体含量逐渐降低,但在1000m左右又出现一个高值区,悬浮体含量为0.08mg/dm3左右.在200m以上水体悬浮体含量呈波动变化,出现类似的表层雾状层,但不是很明显.底层没有悬浮体含量增加所表现的底部雾状层的出现.水体温度变化比较单调,表层20m内为均匀混合层,温度稳定,20m以下温度持续降低至底层.在20～700m温度梯度较大,从27℃降到5℃左右.700m以下至底层温度梯度较小,仅从7℃降到3.5℃左右.水体中盐度波动变化明显,呈先增后减再增加的趋势,分别在100m左右(35.15)、550m左右(34.1)出现极值,在850m以上盐度梯度较大,之下盐度梯度减小.表层200m内悬浮体含量与盐度变化有一定的相关性,相关度不很大.200m以下没有相关性.3.1.2浮气层基本稳定阶段8080m温度和盐度变化特征根据监测浮标单EP05-02站.该站位于东太平洋多金属结核开辟区的东部,水深5025m.可把悬浮体含量曲线明显分为三部分(见图3):在水深700m以上悬浮体含量呈波动变化,含量总体较下层水体的高,一般超过0.06mg/dm3,最高达0.12mg/dm3,构成上层雾状层;在700m以下悬浮体含量增加,一直延续至4900m左右,构成下层雾状层,但悬浮体含量较上层雾状层内的要小,不超过0.06mg/dm3;在5000m以下悬浮体含量急剧增加,至近底最高为0.16mg/dm3左右,悬浮体含量明显高于其上覆水体的,构成近底雾状层.水体温度、盐度变化主要出现在上层120m内.水体温度变化比较单调,表层80m内为均匀混合层,温度基本稳定,在80～120m温度急剧降低,从28℃降到12℃左右,在120m以下温度持续降低,在120～2000m温度梯度较大,在2000m以下基本稳定.水体盐度变化较温度变化复杂,表层40m内为均匀混合层,盐度基本稳定,从40m至120m盐度先增后降再增加,分别在60m(34.7)、100m(34.4)和120m(34.7)出现极值.在120m以下盐度呈波动变化,但是盐度梯度较上层水体的小,分别在500m(34.6)、2000m(34.7)出现极值,在2000m以下基本稳定.在1500m以上水体中悬浮体含量与盐度变化呈相关性,在1500m以下悬浮体含量变化与之无关.WS0504站.该站位于东太平洋多金属结核开辟区的西区,水深5114m.可把悬浮体含量曲线明显分为三部分(见图4):在水深500m以上悬浮体含量呈波动变化,含量总体较下层水体的高,一般超过0.06mg/dm3,最高达0.28mg/dm3,构成上层雾状层;在500m以下悬浮体含量呈波动变化,在1500m左右达到最高值(为0.14mg/dm3左右),形成中层雾状层;在3000～5000m保持稳定,在5000m以下的近底部又出现变化,在5200m左右达到极值(0.20mg/dm3);在5200m之下又有降低,但仍大于中间水体的悬浮体含量,构成底部雾状层.水体温度、盐度变化主要出现在上层500m内.表层80m内为均匀混合层,温度、盐度基本稳定.在80m温度开始急剧降低,至200m降到10℃.在200m以下温度继续降低,但梯度减小,至2000m基本稳定,在2000m以下温度保持稳定.水体盐度在500m内呈波动变化,分别在100m(34.8)、150m(34.3)和200m(34.6)及500m(34.5)出现极值.在500m以下持续增加至底层,其中在500～2000m盐度梯度要明显高于2000m以下的水体.500m以上的水体中悬浮体含量变化与盐度变化有一定的相关性,在500m以下与之没有关系.水体中悬浮体含量在其他取样站位亦有类似变化特征.可以看出雾状层在大洋中分布广泛.3.2悬浮体含量变化原因海洋生物作用是影响雾状层的成因及垂向结构的重要影响因素之一.雾状层中悬浮颗粒物为浮游生物及微生物提供了丰富的营养物质和寄居的场所,这些生物反过来又影响颗粒物的聚集及分散,其本身和代谢产物等也是重要的悬浮物质和物源.在水体透光层内,生物作用是导致悬浮体含量增加而形成表层雾状层的主要因素.据以往的研究结果,透光层内温度和盐度的变化能够影响水体中的生物活动,进而影响水体中的悬浮体含量,因此透光层内悬浮体含量变化与温度、盐度变化有一定的关系(见图1～4).海底沉积物的再悬浮作用是水体下层悬浮体含量显著增加并形成底部雾状层的重要因素之一.海底沉积物再悬浮作用增加了底层颗粒物的浓度,可以构成或加强底部雾状层.再悬浮物质的扩散增大了下层雾状层的范围.以WS0504站为例探讨悬浮体含量变化的原因.在WS0504站(图4),表层80m内为海水均匀混合层,温度和盐度变化不大,该层内营养物质比较丰富,光照充足,生物繁盛,水体中悬浮体含量较高,一般超过0.10mg/dm3,最高达0.28mg/dm3.80m以下温度急剧降低,在80～120m为高盐度层,该层内生物活动较少,悬浮体含量降低,小于0.04mg/dm3.在120～200m左右盐度逐渐增加至背景值,悬浮体含量逐渐增加,温度继续降低,但温度梯度小于80～120m水层的.在200～500m温度和盐度小幅变化,悬浮体含量略有降低.水体表层构成了厚度100m的表层雾状层,层内悬浮体颗粒物含量直接受生物作用的影响.通过扫描电镜和能谱分析发现表层悬浮体中有大量的以硅藻和生物有机物为主的生物颗粒,中下层中生物颗粒明显减少,主要是一些生物残体和有机包膜等.有关悬浮体组分的研究将另文系统报道.在4900m以下悬浮体含量又急剧增加,由0.10mg/dm3左右增加至5100m左右的0.20mg/dm3.在5100m以下又减少,但含量仍高于中间水层的,构成近底雾状层.在大洋中钡和钙的含量是水体生源组分的良好示踪剂,铝的含量是陆源(岩源)组分的示踪剂,对比水体悬浮体与底质沉积物中钡与铅之比值可以看出水体中悬浮体与底质沉积物之间的交换和运移.WS0504站近底雾状层内钡与铝的含量比值及钙与铝的含量比值明显不同于其上层水体(见图4b),也显示了底部雾状层的存在.与底质比较可以看出,钡与铝的含量比值及钙与铝的含量比值在近底层一直降低,直至底质沉积物中达到最低,钡与铝的含量比值降低显示底质沉积物再悬浮对生源物质的稀释作用;近底部处于碳酸盐补偿深度(CCD界面以下4900m左右),随着碳酸盐的溶解作用,钙与铝的含量比值相应逐渐降低,同时也有底质沉积物再悬浮引起的稀释作用.由此可见,底质沉积物与底部雾状层内悬浮体中物质组成具有一定的相关性,底质沉积物的再悬浮是近底雾状层形成的因素之一.这种现象在研究区其他站位也有类似显示.引起再悬浮的水动力条件比较复杂,潮流、风暴和内波起着重要作用,在本文中不予讨论.3.3表层悬浮体含量在海山区的海山顶、底部水体中悬浮体含量特征具有明显的差异,显示的雾状层结构不同(见图1,2).C1站水体中悬浮体含量上下差异明显,表层明显高于中、底层,近底层又增加,在垂向上显示出表层雾状层和近底雾状层的存在.在C2站悬浮体含量垂向上变化不大,特别在近底层悬浮体含量增加没有显示近底雾状层的存在.在C1站表层悬浮体含量高于C2站的,中下水层差别不大,但在近底层C2站没有出现类似C1站近底层悬浮体含量明显增加而高于上覆水体的现象.出现这种差异的原因可能是由于海山的存在,上覆水体流速增加,表层生物含量减少导致表层悬浮体含量降低;海山为基岩覆盖,缺少底质沉积物,近底部不存在沉积物的再悬浮作用,无法增加近底部悬浮体含量.开辟区东西两区水体中悬浮体含量也有明显差异(见图3,4).位于西区的WS0504站水体中悬浮体含量总体上明显高于东