黄海和东海沉积物中生物标志化合物GDGT的来源及其衍生指标的环境意义

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东海是一个位于西太平洋边缘的开放型边缘海,具有广阔的大陆架。西侧有长江、钱塘江、闽江等河流输入,陆海相互作用强烈。东侧为广阔的太平洋。黄海与东海相邻,二者以中国长江口北岸启东嘴与济州岛西南角连线为界,主要输入黄海的河流有鸭绿江、大同江、汉江、灌河还有淮河等。作为西太平洋重要的两个边缘海,近年来,东海-黄海环境变化一直是研究人员关注的热点。工业革命以来,由于矿石燃料的大量使用,排放大量CO2,使大气CO2浓度上升,形成所谓“温室效应”,影响了全球气候变化。pH值的响应(酸化)将对海洋生态系统产生巨大的影响,以及“温室效应”引起的海水温度变化影响,越来越成为海洋学研究的热点问题。生物标志化合物近些年在海洋中的应用受到研究者的广泛关注,如长链不饱和烯酮、甘油二烷基甘油四醚类脂物等,为研究过去海洋环境变迁提供了重要证据。  本文通过黄海和东海不同区域的8个站位沉积柱状样的生物标志化合物GDGT的研究,在空间上和时间上讨论了近百余年黄东海GDGT来源,及其指标的古环境意义;此外,通过不同来源的指标的对比,研究各指标之间的差异,以及差异的原因。  相关研究及主要结论如下:  1.结合中国陆地表层土壤brGDGTs分布特征,对比分析岩芯沉积物中brGDGTs的分布特征,发现四甲基-五甲基-六甲基分布三角图中,黄东海岩芯中的brGDGTs与土壤brGDGTs分布不重叠;距离陆地近的东海DH21和DH51岩芯的#Ringstetra指标小于0.7,其他岩芯数值均大于0.7。结果表明,黄东海区域沉积物中有水生brGDGTs的贡献,重点讨论了黄海及东海北部的4个钻孔brGDGTs来源比例,也发现海洋水生占绝大部分。因此用MBT/CBT重建温度、pH时需要评估水生brGDGTs的贡献率。  2.结合已有的研究结果分析,沉积物岩芯中iGDGTs主要来源于水生奇古菌门。空间上,随着纬度增加,温度逐渐减小,TEX86数值逐渐减小,TEX86和纬度的相关性很高,表明TEX86指标可以用来指示海水温度变化。对比近百年TEX86均值与近些年的海洋表层水温度,发现TEX86与年均表层海水温度、冬季表层海水温度相关性很差,其他几个季节TEX86和SST的相关性都强于年均温与TEX86的相关性。然而近百年的TEX86趋势都不一致,再结合已发表的颗粒物结果,表明TEX86指标可能受到其他的因素影响。可能深度是影响TEX86趋势不一致的重要原因,主要原理是较浅的岩芯钻孔冬季容易被冬季风扰动而使得沉积物再次悬浮和海水混合。东海不同季节颗粒物iGDGTs结果可以说明这点,这也是为什么在浅水区域TEX86与年均温和冬季温度相关性很差的原因。  3.从全部8个钻孔百年CBT均值发现,距离海岸较近的DH21,DH51钻孔,CBT均值高,而开放海域CBT均值低。根据已有的研究,CBT主要受控于周围环境的pH值,CBT越高,pH值越低,而海洋作为一个相对均匀的环境,根据CBT-pH关系计算的pH值差别很大,这表明CBT并不是单单受到周围环境的pH控制。在岩芯序列中,CBT值均随着靠近现代而逐渐下降,按照已有的CBT与pH关系,近百年海水pH逐渐偏向碱性,这与近些年大气二氧化碳浓度升高,海水酸化相悖。进一步分析表明,计算CBT指标的brGDGTs来源于水生与陆生二个来源,CBT可能不是指示海水的pH变化历史,而是水生brGDGTs比重不断上升的历史,即偏向中性到弱酸性的陆地土壤brGDGTs输入与偏向碱性的海洋水体生存的brGDGTs输入比重变化历史。靠近海岸的岩芯容易接受陆源物质而相对偏向酸性到中性,开放海域环境则相对偏向碱性。结果CBT指标应用的brGDGTs分子来源于陆源土壤和水生环境,CBT就不能简单看做单一环境pH值的变化,而是相对来源比例的变化。#Ringtetra可以作为边缘海区域用来区分和识别水生brGDGTs的指标,即偏向碱性的海洋环境产生的更多带有五元环的brGDGTs,从而使得#Ringtetra数值增大。空间上,#Ringtetra指标数值在近海岸的DH21,DH51位置数值低,在开放海域的岩芯#Ringtetra指标数值偏高,表明#Ringtetra指示的是沉积物中水生brGDGTs与陆生brGDGTs比例变化,而CBT与#Ringtetra的相关性也表明CBT指示的是沉积物中水生brGDGTs与陆生brGDGTs比例变化,而并非直接的海洋水体的pH变化。  4.黄东海区域的岩芯brGDGTs主要来源于水生,MBT/CBT计算得到的温度值随着纬度增加而较小,表明MBT/CBT具有指示沉积物沉积环境的温度变化潜力,也说明了brGDGTs主要来源于区域水生。由于缺乏海域环境的MBT/CBT-T的经验公式,我们使用最初Weijers的土壤经验公式,发现计算得到的温度值与海水年均温相关性最高(除去HH11),其他的季节差异不大。这表明MBT/CBT可能可以在研究区域重建海水的温度变化。而近百年的时间序列发现MBT/CBT重建的温度在6个岩芯中显示温度逐渐升高,可能与工业革命以来的二氧化碳大量排放引起海洋海水温度上升有关。  5.结合指示陆地与海洋不同来源物质的指标,发现指标间有很大差异。BIT指标在距离东海长江口近的岩芯数值高,东海开放海域BIT数值低;在黄海区域发现BIT随着距离黄河口加大而BIT数值逐渐降低,表明BIT可能指示了陆源物质输入比例的变化。而近百年大部分岩芯BIT指标数值逐渐下降,与岩芯TOC并无显著的关系,表明黄东海区域,BIT在短尺度上不能指示岩芯沉积物陆源有机质输入比例的变化。进一步研究发现,Ri/b随着年代靠近现代,逐渐增加,且iGDGTs与brGDGTs相关性很高。BIT随着年代靠近现代,数值逐渐下降,BIT可能指示的是brGDGTs与iGDGTs的降解速率不同的变化结果,即iGDGTs相对brGDGTs在越老的样品降解程度高,导致BIT高值,Ri/b低值,靠近现代韵样品brGDGTs与iGDGTs处于降解低的程度,所以BIT数值低,而Ri/b相对高值;分析TOC,δ13C,TN,δ15N,C/N比值发现,TOC,δ13C空间上表现为距离海岸的岩芯处,δ13C低值,TOC高值,可能代表陆源有机质输入的多寡,而岩芯序列8个岩芯表现各不相同,可能如GDGTs研究结果,与洋流的重新扰动使得有机质再次悬浮和再次沉积有关;TN,δ15N表现出与有机质不一样的变化,这可能是样品中黏粒较多,可能受到一些其他原因如无机的NH4+的影响,使得C/N比值降低,使得δ15N信号失真;因此,TN与δ15N不能指示陆源有机质的输入影响,C/N的使用也受到阻碍。
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