第一卷 第九期 - 2007年十月十九日
利用Sr同位素靈敏示蹤河海交界處陸源沖淡水之動力分佈
黃國芳、游鎮烽*

成功大學地球科學系、成功大學地球動力系統研究中心
Email:cfy20@mail.ncku.edu.tw
地球物理通訊34, doi:10.1029/2006GL028253
精確度Sr同位素測量已廣泛被應用於探討河水、地下水、懸浮顆粒及河海交界處之地球化學交互作用,以進一步瞭解地球系統中地質作用發生的相對速率及其與物理、化學風化作用的可能關聯性,譬如:大陸侵蝕作用、洋脊區海底熱液循環過程及碳酸鹽溶解效應等研究。雖然相關研究已如雨後春筍般地被報導,然而對於Sr與Sr同位素在地球水圈體系中的許多基礎化學或物理性質過去研究中仍少有著墨,主要乃受限於Sr同位素質譜分析精度(±15-20 ppm, 2σ)之不足,而無法系統性探討自然界小於50ppm的變化,例如海水87Sr/86Sr垂直剖面變化(<50 ppm)等。

在熱帶地區河口環境之中的陸源沖淡水主要來自地表與地底逕流,以及颱風所攜帶的淡水,陸源沖淡水的注入往往影響了邊緣海地區海洋物理、化學以及生物作用,並導致生地化循環的急遽改變。另一方面,海底地下水的注入也可能在元素循環及營養鹽供應與利用上扮演極為重要的角色。然而,截至今日,進一步的量化及追蹤此陸緣沖淡水仍需仰賴更多強而有力的地化示蹤劑,以彌補過去利用溫度、鹽度或海水氧及釹同位素在精確度上的不足及化學純化上的複雜。海洋沈積物87Sr/86Sr比值一直以來被視為重要的同位素地層與全球氣候變遷研究的代用指標,其中最重要的一項假設是Sr在海水中的化學([Sr]=87μM)及同位素組成(87Sr/86Sr ~ 0.7092)是保守且穩定不隨時間變化,主要原因是Sr在海水中的長駐留期(2-5 Ma,相較於海水的平均置換時間約為103年)。然而在近期幾項重要研究中卻發現區域性Sr通量或Sr同位素組成的改變可在短於其駐留期的時間尺度內發生,例如邊緣海地區在冰期時因海水面下降,造成陸棚出露受侵蝕作用而增加Sr通量,為解釋上述之冰期-間冰期變化,河水或地下水Sr或Sr同位素進入海洋的通量必須有大幅變化(>1010 mol/yr),也使得Sr在海水的駐留時間改變。因此,河水與近岸地下水的輸入在海洋中Sr進出質量平衡估算上扮演著極為重要的角色。

另一方面,在河口研究中也發現Sr在河海交界處之地化行為並非是絕對保守的混合關係,而可能受到其他動力學機制所影響,如鐵錳氫氧化物或碳酸鹽懸浮微粒吸附、沈積後移棲作用或顆粒態溶解作用等,並造成Sr同位素在顆粒相(陸源懸浮微粒,高87Sr/86Sr比值)與溶解相間分佈有所改變。除探討水圈中各種水體移棲、混合、侵蝕風化及水-岩-沈積物反應外,Sr和Sr同位素也是研究古海洋及古氣候變遷的一項重要指標。在過去40Ma以來,海水87Sr/86Sr呈現逐漸變重的趨勢,一般相信可能與喜馬拉雅造山及青康藏高原隆升造山運動和大規模構造運動或大陸地殼風化程度增強有關。近期研究進一步發現造成風化侵蝕能力增加的原因,除地殼抬升效應外,另一影響原因與區域季風的增強及低緯降雨等全球性氣候變遷有關,這些風化侵蝕作用與地球系統變遷有著密不可分關係,因此海水Sr同位素比值在長時間(構造尺度)與短時間(軌道尺度)時間尺度上應與全球氣候變遷呈現可預期相關聯性,例如冰期-間冰期時間尺度上的週期性變化趨勢,然而由於過去87Sr/86Sr質譜分析技術之精度不足,此重要爭議問題仍未完全充分討論與解釋。

圖一、高屏河口表層海水採樣點位置與Sr同位素比值分佈
本研究選擇高屏溪(海研3號720航次,ORIII-720,2001/8)河口附近表層海水樣品(分析所需樣品為0.1 ml,圖一),配合成功大學地球科學系甫發展完成之高精度(3 ppm, 2σ)Sr同位素熱游離質譜分析術,探討邊緣海地區河海交界處海水Sr及其同位素之分佈情形,結合海水溫度、鹽度及Ba與Mn濃度資料(圖二),可系統性討論颱風過後河海交界處表層水體(河川陸源沖淡水和表層海水)混合過程及影響Δ87Sr分佈的可能機制。初步結果顯示在高屏溪河口明顯受到高屏溪所攜帶陸源訊號(高87Sr/86Sr)影響。由於高屏溪河口附近的表水循環受季節性水團流向及區域性海底地形的影響,其水團來源及河海混合關係十分複雜,本研究首次發現於桃芝颱風過後一星期,此區域表水Sr同位素比值分佈極為不均勻,變化範圍為12.7-64.9 ppm,由於沙塵所帶的Sr在濕季的貢獻量相對於河水是可忽略的,因此推測應與颱風所夾帶大量沖淡水與陸源沈積物有關。此陸源沖淡水也造成此區表水鹽度的大幅降低(1-2 ‰)。而Sr同位素最重的區域發生於距河口約30公里處,並形成一漩渦狀的系統分佈。由於Sr同位素並不受任何化學過程或生物作用影響而分化,因此僅有物理過程可能影響海水Sr同位素的比值:(一)颱風事件過後夾帶大量懸浮顆粒所引起較強的海水與沈積物交互作用;(二)大規模環境擾動所造成的侵蝕區顆粒沈積物組成上的改變;(三)颱風期間風化來源區出入大量Sr同位素較重的組成。結合海水溫度、鹽度及海水微量元素(Ba和Mn)的證據,可系統性區分出三個控制高屏外海海水Sr同位素的三個主要來源及其水文特徵:(1)端源1:具有最重的Sr同位素比值及相對較低的鹽度,為颱風事件過後河口陸源沈積物濃度增加導致較強的水-沈積物間交互反應;(2)端源2:相對於海水有較重的Sr同位素及最低的鹽度,主要受颱風過後較為還原的近岸河口環境所造成的懸浮顆粒脫附作用所影響;(3)端源3:接近於海水的Sr同位素比值與鹽度,為當地的海水。藉由此次的研究發現,我們首次證實了海水Sr同位素組成在海洋水團示蹤上的潛力應用,未來將進一步量化陸源沖淡水各個來源的相對貢獻,而對海洋中元素的循環過程與進出將提供極為重要的參考資料。

圖二、桃芝颱風後高屏河口表層海水Sr同位素與(a)鹽度;(b)溶解態Ba;(c)溶解態Mn作圖。圖中並指示此區海水與陸源沖淡水等三個端源混合關係。
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