基于放射性核素的沉积物源识别技术探索与优化——以红树林-海草床-珊瑚礁系统为例

物质来源是沉积学研究的关键问题。沉积地球化学是沉积学的重要研究手段,放射性核素在沉积地球化学中的应用探索仍较为匮乏。本研究利用高纯锗γ谱仪同时测量红树林、海草床、珊瑚礁三大典型生态系统的沉积物中天然放射性核素(^(238)U、^(226)Ra、^(228)Ra、^(40)K),分析3种生态系统的沉积物中放射性核素分布特征,探索基于放射性核素的一维视角下活度特征、二维视角下核素对与活度比值、三维视角下三角图解的指纹表征技术,识别沉积物中不同物质的来源,并尝试推广至中国不同海域。本研究强调三维指纹表征技术—基于核素活度的^(238)U-^(232)Th(^(228)Ra)-^(40)K/10三角图解可以综合展示3种放射性核素的活度大小、组成比例、空间分布等信息,指出^(238)U-^(232)Th(^(228)Ra)-^(40)K/10三角图解可能是沉积物中物源识别的一种优化方法,可为沉积地球化学研究中的现有代用指标工具库提供有益补充。

不同结构类型珊瑚礁灰岩弹性波特性研究

基于岩石弹性波特性的地震方法是目前地球物理勘探中最主要的方法,岩石中弹性波传播速度是联系岩石物理力学特性与地质学的有效桥梁。对于海相生物成因的珊瑚礁灰岩而言,其弹性波特性研究是了解珊瑚礁体内部整体性质的有效途径。研究表明,珊瑚礁灰岩的弹性纵波速度与干密度、回弹值呈线性正相关关系,与孔隙度呈线性负相关关系。不同结构类型珊瑚礁灰岩弹性波特性表现出显著的差异性,珊瑚骨架灰岩和珊瑚砾块灰岩均匀性较好,珊瑚砾屑灰岩和珊瑚砂屑灰岩离散性较大。基于珊瑚礁灰岩纵波速度与干密度、孔隙度以及回弹值之间的关系,结合某珊瑚礁体钻孔岩芯沿深度变化的回弹值信息以及岩芯薄片光学检测结果,提出一个基于纵波速度的珊瑚礁灰岩质量等级的划分标准,具有一定的可靠度和适用性。运用岩石二相体模型基本原理,建立了修正的时间平均公式,而不同结构类型珊瑚礁灰岩弹性波特性均符合雷莫亨特-加德纳方程。

珊瑚礁灰岩工程地质特性研究新进展

随着“一带一路”的实施和“海上丝绸之路”的部署,珊瑚礁灰岩工程地质特性研究具有实际的战略意义和迫切需要。通过纵横观对比分析南海、红海、加勒比海、东南亚、印度洋以及亚丁湾地区珊瑚礁灰岩基本物理力学特性,定量地展现了海相生物成因的珊瑚礁灰岩的特殊性。与石灰岩、白云岩等碳酸盐岩相比,珊瑚礁灰岩离散性较大,特别是孔隙率有所偏大,强度有所偏小,这与珊瑚等原生生物结构复杂、疏松多孔以及非均质性的固有特征相吻合,进而提出珊瑚礁灰岩物理力学特性具有“结构效应”。珊瑚礁体内部表现出软硬互层交替的垂直分带现象,究其原因是珊瑚礁灰岩孔隙发育程度不均匀、强度软硬不一以及结构构造无序性的整体宏观体现,从某珊瑚礁体地层划分的角度定量地揭示了珊瑚礁岩体的“成岩作用类型交替演化效应”。

南海北部涠洲岛海域Merulinidae珊瑚文石骨骼和海水间微量元素分配系数:来自珊瑚种属和瑞利分馏的影响

微量元素在珊瑚文石骨骼和海水间的分配过程是控制海水中微量元素进入珊瑚骨骼的关键环节,表征该分配过程的分配系数(KD)常用于时间序列上的海水微量元素含量重建。由于缺乏珊瑚和海水的原位研究,我们对珊瑚文石骨骼与海水之间微量元素的分配行为的了解非常有限,这严重阻碍了我们对于准确的海水化学定量数据的获取。本研究中,我们选取了南海北部涠洲岛海域的两种典型的造礁石珊瑚种(网状菊花珊瑚(Goniastrea retiformis)和八重山扁脑珊瑚(Platygyra yaeyamaensis))和周围原位表层海水中的5种微量元素(Cu、Zn、Pb、Cd和Cr)进行研究,估算了这些微量元素在珊瑚文石骨骼和海水之间的分配系数。研究结果表明:各个微量元素在网状菊花珊瑚和八重山扁脑珊瑚文石骨骼和海水间的分配系数分别为3.65和3.49(Cu);0.57和0.97(Zn);1.06和1.42(Pb);0.88和1.01(Cd);0.66和0.60(Cr)。结合前人报道的各个种属珊瑚的分配系数,我们发现不同珊瑚种属Cu、Zn、Pb和Cd的KD值存在显著差异,而Cr的KD值差异则相对较小。此外,微量元素KD值还在一定程度上受到瑞利分馏的影响,该影响与KD值的大小有关。本研究为珊瑚文石骨骼和海水间分配系数提供了较为准确的KD值,为未来的珊瑚研究提供了重要的基础数据,并扩展了我们对海洋生物成因矿物晶格的化学特征的认识。

基于钦州湾验潮站2008-2020年潮位序列的潮汐特征研究

潮汐是钦州湾的主要海洋动力,对物质输运、海洋工程、海洋生态环境等都有重要影响。本研究基于钦州湾验潮站2008-2020年共13年的水位观测资料,利用潮汐调和分析、偏度计算和线性回归等方法,分析钦州湾长时间的潮汐变化、潮不对称性特征及海平面变化趋势。结果表明,钦州湾验潮站潮汐以O_(1)、K_(1)分潮占优,属于规则全日潮。主要分潮振幅有显著的年际变化,2008年为最小值,O_(1)为95.82 cm,K_(1)为88.18 cm,M_(2)为39.53 cm;2016年达到最大值,O_(1)为104.27 cm,K_(1)为95.15 cm,M_(2)为46.16 cm,这一变化与月赤纬角的变化有关。钦州湾潮不对称现象显著,涨潮历时比落潮历时多2-3 h,造成该现象的主要原因是受到半日分潮和全日分潮之间相互作用的影响,其中主要贡献来源于O_(1)、K_(1)、M_(2)之间的相互作用,占总潮汐偏度的80.97%-83.51%。钦州湾海平面有逐年上升的趋势,平均上升速率约为0.96 cm/a,高于同期南海沿海海平面的平均上升速率。研究成果可为钦州湾防灾减灾和港口工程建设提供科学依据。

海滩岩在南海北部中晚全新世海平面重建中的应用和不确定性分析

过去海平面变化特征对认识现代海平面变化过程和预估未来情景具有重要科学和现实意义。海滩岩作为热带和亚热带地区海岸潮间带特有的沉积岩,是海岸变迁和古海平面高程的重要标志物。然而,由于存在海滩岩形成后动力条件发生变化、采用的测年方法不同以及海平面高程估算和分析误差等问题,基于海滩岩的过去海平面重建结果依然存在较大争议和不确定性。我们分析和总结了南海北部中晚全新世海滩岩重建海平面的进展,以及在海平面研究中存在的问题和潜在机遇,从海滩岩的形成年代与海滩岩形成后高程产生变化等方面进一步量化研究海滩岩重建海平面变化的不确定性。同时,通过对南海北部海南岛东部沿岸的3块原生珊瑚礁(1块大型块状滨珊瑚和2块滨珊瑚微环礁)进行高精度高程测量和铀系测年,共获得6个海平面数据,结合冰川均衡调整模型(Glacial Isostatic Adjustment,GIA)和ICE-5G模型结果,对基于海滩岩重建的南海北部中晚全新世海平面的可靠性进行比较和评估。以上不确定性分析和研究结果表明,通过年代与高程校正后,海平面重建结果准确性进一步提高。研究结果可为以其他海平面标志物重建的过去海平面的不确定性分析和可靠性分析提供参考和借鉴。

珊瑚脂质是其共生虫黄藻密度降低时的重要能量来源

近年来珊瑚白化现象日益严峻。白化意味着珊瑚共生虫黄藻密度的降低,然而目前关于珊瑚体内的脂质在虫黄藻密度降低时对维持能量供给稳定的意义尚不清楚。本研究以2020年3月和6月在西沙群岛采集的帛琉蜂巢珊瑚(Favia palauensis)和澄黄滨珊瑚(Porites lutea)样品为材料,通过生理参数(虫黄藻密度、脂质含量)与地球化学指标(虫黄藻的稳定氮同位素δ^(15)N_(z)值)相结合的方法,探讨了珊瑚脂质对虫黄藻密度及其光合作用强度变化的响应。结果显示,夏季两种珊瑚的虫黄藻密度和δ^(15)N_(z)值均显著下降,意味着夏季虫黄藻密度降低导致了其光合作用强度的降低。与此同时,两种珊瑚的脂质含量也显著下降,并且脂质含量与虫黄藻密度、δ^(15)N_(z)值之间均呈正相关关系,这说明珊瑚脂质含量与虫黄藻光合作用强度的变化之间存在耦合关系。当光合作用强度降低时,珊瑚可以通过消耗其自身储存的脂质更好地维持能量供给的稳定,这对提高环境胁迫的适应能力以及抗白化能力具有重要意义。

近40年来大亚湾造礁石珊瑚群落结构的演变分析

本研究采用文献调研、现场调查和室内模拟试验等方法对大亚湾造礁石珊瑚的种群结构演变及其成因进行了探讨。2020年7月现场调查共发现造礁石珊瑚39种,块状的扁脑(Platygyra)、蜂巢(Favia)和角蜂巢(Favites)等是湾内优势珊瑚。1983/1984-2020年,大亚湾珊瑚群落演变的主要特征是曾经优势的鹿角珊瑚(Acropora)和蔷薇珊瑚(Montipora)从湾内基本消失。综合全球珊瑚礁退化大背景和大亚湾独特的水环境分析发现:大亚湾珊瑚群落退化是多方面因素共同作用的结果,其中珊瑚本身的脆弱性和环境中持续的夏季异常高温与低溶解氧含量的共同作用可能是湾内霜鹿角珊瑚(A.pruinosa)退化的主要原因。从湾内珊瑚群落恢复的种源考量,建议加强对刷洲东岛珊瑚群落的保护。

海洋遥感本科生导师制教学模式探索与实践

本科生导师制是近年来很多高校开展创新人才培养改革的一项重要举措,但我国本科生导师制教学的模式目前仍然没有相对固定的模式与方法。鉴于此,该文将在海洋科学专业背景下通过日常思政教育、启发式教学、科研项目申报与实施、学术论文发表和学术会议交流等的相互结合而开展关于海洋遥感本科生导师制教学模式的探索与实践。结果表明,本科生导师制在海洋遥感研究型人才培养方面具有可行性和有效性。总结与反思则进一步指出学生思政教育、师生互敬、因私因人因地而异准则、理论知识扩充和经费支持等对海洋遥感本科生导师制实施的必要性。该探索与实践成果能为国内本科生导师制的教学实践提供重要参考。

珊瑚岛礁地下水水化学特征及其形成机制

我国热带海洋地区珊瑚岛礁星罗棋布,岛礁地下水对海洋环境和植物生态格局具有重要意义。为了揭示岛礁地下水的演化机制,基于西沙某珊瑚岛礁水文地质勘察和野外水样品采集分析,开展岛礁地下水主要水化学离子现场和室内测试,分析珊瑚岛礁地下水水化学总体分布特征和主要离子组分之间的关系,探讨了研究区地下水演化过程。研究表明岛礁地下水水化学类型为Cl-Na型和Cl-Na·Mg型,在岛礁地下水潜水面处更易发生活跃的碳酸盐矿物的溶解作用,在海水掺混、蒸发浓缩和含水层矿物溶解及沉淀作用等综合影响下造成岛礁地下水不同离子组分的增加或减少。

珊瑚记录的全新世ENSO变化及其机制研究进展

厄尔尼诺-南方涛动(ElNiño-SouthernOscillation,ENSO)是地球气候系统中最强烈的年际振荡,对全球天气及气候有重要影响。全新世作为与人类关系最为密切的地质时段,重建该时段ENSO的活动历史、探索ENSO的变化规律,将有助于提高对未来ENSO预测的准确性。本文基于珊瑚这一热带海洋的高分辨率气候记录载体,首先介绍从珊瑚骨骼指标中提取ENSO信号、衡量ENSO变率的方法;再梳理珊瑚记录的ENSO变率在早、中、晚全新世的变化历史;最后总结基于珊瑚记录得出的全新世不同时间尺度的ENSO变化机制。结果显示:珊瑚记录的ENSO信号可直接从其环境代用指标的极值变化中识别;或通过谱分析、滤波等方法提取环境代用指标在时间序列中的ENSO周期,再使用阈值分析、滑动窗口等方法定量分析ENSO的频率和振幅变化。珊瑚记录显示,全新世ENSO呈波动变化的特征,总体呈现自早全新世至中全新世ENSO变率不断减弱,而晚全新世ENSO变率持续增强的趋势。基于珊瑚记录得出,岁差变化引起的地表太阳辐射分布变化是全新世百年-千年尺度ENSO变化的主要因子,而气候系统内部驱动可能是全新世年际-年代际尺度ENSO波动的主要原因。与全新世一万多年的时间跨度相比,珊瑚记录的时间窗口累计仅数百年,远未达到揭示EN-SO活动规律和变化机制的程度,因此未来需要进一步延长珊瑚记录的时间序列长度、扩大珊瑚记录的空间区域来源,以揭示ENSO变化的规律和机制。

人工放射性核素在珊瑚岛礁系统中的富集与评估

珊瑚礁生态系统拥有较高的生物多样性,为人类提供了丰富的生物资源及生态服务功能与价值。我国多处滨海核电站周边存在造礁珊瑚,而南海珊瑚岛礁也是未来海上漂浮核电站重要的潜在应用场景。基于在珊瑚礁中^(14)C、^(90)Sr和^(137)Cs的已有研究,分析了珊瑚礁中关键人工放射性核素的研究动态,提出了基于核素在珊瑚骨骼与海水分配系数的分类原则,探索了低度(^(137)Cs)、中度(^(129)I)和高度(^(14)C>^(239+240)Pu>^(90)Sr,^(236)U)富集的三大类核素在珊瑚骨骼中的富集规律,利用欧盟的ERICA模型开展上述人工放射性核素和天然放射性核素^(210)Po对珊瑚虫的辐射剂量评估,定量计算不同核素对珊瑚虫的剂量率排序依次为^(14)C>^(90)Sr>^(137)Cs>^(239+240)Pu>^(236)U>^(129)I,发现珊瑚虫中人工放射性核素造成的总剂量率(4.73×10^(-4)μGy/h)显著低于天然放射性核素^(210)Po产生的剂量率(6.60μGy/h)和无影响的筛选基准水平(10μGy/h),说明人工放射性核素不会对珊瑚虫种群产生显著的电离辐射危害。系统探讨了人工放射性核素在海水和珊瑚骨骼中的活度水平、分配系数和剂量率,定量揭示了珊瑚岛礁系统中人工放射性核素的富集特征,可为滨海核电对周边造礁珊瑚的影响评估和未来海上漂浮型核电站在南海珊瑚岛礁应用场景下的珊瑚礁生态安全和岛礁居民辐射环境安全评估提供一定的技术支撑。

贵州西部晚全新世植被演替、气候变化与火灾历史

贵州西部位于北亚热带云贵高原山地湿润-半湿润气候区,西南季风是该区域水汽来源的主要气候系统。贵州六盘水娘娘山有连片分布的垫状泥炭沼泽沉积,较完整记录了过去的植被和气候历史,是研究气候-植被-火灾-人类活动变化的理想场所。本研究以六盘水娘娘山1999 m海拔的一处泥炭湿地钻孔上部52 cm岩芯为研究材料,通过AMS^(14)C测年获得年代框架,采用孢粉和炭屑分析,重建了该地区晚全新世气候变化和人类活动叠加影响下的植被演替及火灾活动历史。结果表明:3500~3100 cal.a B.P.期间,当地亚热带常绿阔叶林繁盛,火灾活动为气候控制为主的森林火灾,但火灾活动并未改变阔叶林的总体面貌;3100~600 cal.a B.P.期间,气候呈变干趋势,阔叶类木本植物显著减少,当地植被从亚热带常绿阔叶林转变为疏林草地和针叶类疏林,极可能是趋于冷干的气候环境的结果;大约600 cal.a B.P.之后,当地植被演变为开阔林,同时,出现大颗粒炭屑(>125μm)以及伴人花粉的明显增加,表明人类农业活动高强度的刀耕火种已经扩张到较高海拔山区。区域对比显示,西南地区在3500 cal.a B.P.以来,主要以区域性火灾为主,而3100 cal.a B.P.以后的火灾活动受到气候变干和人类活动的双重影响,特别是600 cal.a B.P.以来,人类活动(刀耕火种)成为局地火灾和植被更替的主要因素。

日本福岛核废水排海情景下海洋生态环境影响与应对

2011年3月11日,太平洋海底9级大地震产生的海啸引发日本福岛核事故[1].福岛核事故后,大量的放射性核素泄漏进入环境,并通过大气环流和海洋环流对全球许多地区造成一定的影响[2~6].福岛核事故后,日本制定了福岛核电站中长期退役计划(30~40年),开展受损反应堆退役与周边环境修复措施,其中核废水处理、核燃料移除、其他废物处理是中长期退役计划的三大关键环节[7].

基于LOICZ收支模型的涠洲岛近海营养盐浓度及结构变化的关键影响因素研究

本文根据2018-2019年广西涠洲岛近海营养盐的时空变化数据,采用海岸带海陆相互作用(LOICZ)营养盐收支模型对涠洲岛南湾营养盐进行收支估算,研究了影响营养盐浓度及结构变化的关键因素。此外,本研究利用流动式反应器(FTR)模拟实验,探究了在不同的有机碳含量条件下,沉积物-水界面营养盐交换对海水营养盐浓度及结构的影响。研究结果表明:(1)受南湾湾外营养盐输入的影响,溶解无机氮(DIN)和溶解无机磷(DIP)的浓度均呈现湾外高、湾内低的趋势;(2)南湾DIN和DIP净收支分别为-9.45×10^(5)mol/a和0.95×10^(5)mol/a,地下水输入和沉积物-水界面营养盐交换分别是湾内DIN和DIP的主要来源,沉积物-水界面营养盐交换是湾内DIN的主要输出途径,而贝类收获移除了湾内96.6%的DIP;(3)在有机碳含量(0.05%~0.23%)梯度变化的FTR实验中,海水流经沉积物后,DIN浓度降低,DIP浓度升高,沉积物-水界面营养盐的交换可以有效降低海水的氮磷比(N/P)。该研究结果可为科学评估营养盐对涠洲岛周围海域珊瑚礁的潜在影响以及近海环境生态管理提供科学依据。