子計畫二:東亞構造與環境變遷

Link between tectonic uplift and environmental changes

摘要:本子計畫為瞭解東南亞大地構造運動自青藏高原與喜馬拉雅山的隆起以來,板塊運動對東南亞 地區的環境氣候所造成的演變及衝擊。

目前以進行部分野外工作標本採集,包括黃土高原之黃土、越南北部石灰岩洞之石筍、台灣及越南中部和湄公河外之現生微孔珊瑚等。黃土標本已經取得,並進行全岩分析及鍶銣同位素比值量測。石筍及珊瑚標本已藉由台大地質系鈾釷分析技術加以定年,碳氧同位素分析正在進行;同時我們已分析採自南沖繩海槽及西太平洋岩芯中,有孔蟲殼體的微量元素及同位素。我們將繼續在東南亞地區進行野外標本採集工作,在台大地質系標本前處理,分析及論文撰寫和發表。
 

 

一、中亞塔吉克( Tajikistan )黃土之地球化學特性及鍶銣同位素分析:

 過去我們對中國黃土高原之黃土 - 古土壤( loess-paleosol )已進行約十年的地球化學研究; 此計畫 第一階段 將利用中亞地區的中亞塔吉克黃土標本進行分析,測試地球化學特徵及同位素變化是否能忠實地成為氣候環境如:降雨、風化等指標,及黃土成因受構造運動及氣候變化的影響。

黃土標本採自於中亞塔吉克的 Chashmanigar loess section ( 38°23′32 〞 N,69°49′57 〞 E )(圖一)。此剖面約 200 公尺厚,基底約為 1.77Ma ,此剖面過去已有詳細的地層序列及地磁特性研究;我們已取得所有標本,將分析主要與微量元素成分及鍶銣同位素組成。我們將分析全岩之主要及微量元素,有機物及碳酸鹽類含量。全岩鍶與銣化學及同位素比值量測,將在台大地球化學實驗室完成。預期我們將回答黃土成因問題及測試一些假說如下:

( 1 )塔吉克黃土的可能來源為何?這些不同來源受構造運動及氣候變化的機制為何?

( 2 )何種地化特性最適合當作黃土來源的示蹤劑,並可反應風化歷史。 

( 3 )在中國黃土研究中所使用的氣候指標( climatic proxies )是否可應用在中亞地區。

 

 
 
 

黃土標本採自於中亞塔吉克的 Chashmanigar loess section (A 點 )
   

二、海洋有孔蟲群聚及地化記錄與環境變遷:

第一階段我們重建南沖澠海槽全新世古海洋事件以及西太平洋暖池歷史並與東亞季風消長紀錄進行研究。

(一)   南沖澠海槽全新世古海洋:

( 1 )普林蟲銳減事件:

過去對於黑潮全新世古海洋學的探討,岩芯材料多半局限於沖繩海槽內,且研究方法上倚賴傳統的浮游有孔蟲轉換函數與氧碳同位素,使得過去對於全新世相關古生態與古海洋紀錄的解釋有所爭議,難有定論。本研究分析、比較黑潮上游區(菲律賓海至台灣東部外海)與南沖繩海槽的海洋岩芯紀錄,並同時利用傳統(浮游有孔蟲群聚、多種類浮游有孔蟲氧碳同位素)與新近(鎂鈣比)的古海洋指標,釐清沖繩海槽內古海洋訊號的意義,從而探索黑潮的歷史。首先透過對全新世中期「普林蟲銳減事件」的研究,了解浮游有孔蟲群集在黑潮上游區的變化。結果顯示「普林蟲銳減事件」的地理範圍並不限於邊緣海,而是遍及西北太平洋地區;但是各項古海洋指標均顯示,在此一大範圍古生態事件發生的同時,並無對應的古水文變化 。

   
 
 


普林蟲( P. obliquiloculata )和杜氏新方球蟲( N. dutertrei )在岩心( a ) MD403 、( b ) OR715 和( c ) MD88 在全新世的相對豐度變化圖。普林蟲銳減事件( PME )發生的時間為圖中陰影部份。箭頭指示普林蟲銳減事件前後的碳十四定年資料點。

   
   
( 2 )古海洋特徵:

本研究推測該事件發源於赤道太平洋地區,並對該事件提出族群生態學的可能解釋。此外,浮游有孔蟲群集組合深受沖繩海槽內複雜的水文作用影響,不適合作為黑潮的指標。我們進一步利用化學指標,分析古海表溫與古海表鹽度的變化,結果顯示南沖繩海槽全新世時期海表溫並無顯著變化,但海表鹽度逐漸降低。此一變淡的趨勢與中國大陸洞穴石灰岩養同位素記錄所解釋出的東亞季風的消長趨勢不符,卻與西赤道太平洋的表水鹽度變化一致。因此,本研究推測北赤道洋流 - 黑潮系統的表水鹽度在全新世以來逐漸變淡。總結前文,全新世時期南沖繩海槽內的古海洋變化與赤道太平洋有著海洋遙相關,而陸上洞穴石灰岩的解釋也有再檢討的必要。

(二)西太平洋暖池擴張歷史及東亞季風:

( 1 )研究及水文背景:

我們重建了西太平洋暖池邊緣地區自海洋氧同位素地層 16 期 ( 大約七十二萬年前 ) 以來之古海水表面溫度以及穩定同位素紀錄。西太平洋暖池地區終年海水表溫高於 28 ℃ , 造成強烈的大氣垂直對流,並且為中高緯度地區最重要的水氣與潛熱來源。對現今氣候的研究顯示,暖水團在年間尺度的移動所造成的聖嬰 / 南方震盪現象可以改變全球水氣的分布,也使低緯度赤道太平洋地區的海水表面溫度與全球氣候的改變有了密不可分的關係。 ODP1115B 站位位於所羅門海,鈣質微體化石保存良好,有很好的古地磁地層控制,可以得到第四紀以來古海水表面溫度以及穩定同位素值變化。將 ODP1115B 的資料與暖池中心地區以及東太平洋地相比較,我們發現在中布容期事件前後,暖池的分布範圍有所改變,並且碳同位素曲線表示有與南海地區岩芯類似的碳同位素最大值事件出現,可以確定低緯度地區對於晚第四紀以來主要氣候變遷事件的影響力。

西太平洋暖池終年海水溫高於 28 ℃ ,為全球主要水氣的來源,暖池在年際尺度之間的改變已成為全球主要降雨以及氣候改變的重要因素之一。但對於暖池在更長時間尺度上的改變由於缺法保存良好的岩芯及樣本。所以一直以來都沒有清楚的認識,過去根據浮游有孔蟲群集推測的古海水溫度認為在上次冰期鼎盛期時,暖池的降溫不明顯。但近年來利用浮游有孔蟲鎂鈣比對於暖池中心的研究發現,在冰期 - 間冰期的尺度上,暖池有 3 -4 ℃ 度的改變。暖池區也是黑潮的上游,其範圍的增減或性質的改變也會影響黑潮的性質與強度。

藉由東西赤道之間所得到之溫度改變紀錄可以推測暖池在冰期 - 間冰期之間的改變,但直到目前,類似的研究只侷限於暖池中心及東太平洋地區,沒有暖池邊緣地區的紀錄, ODP1115B 岩芯提供了一個絕佳的監測站位,對於暖池的範圍或穩定度可以提供更詳細的紀錄與了解。另方面,位於南沖繩海槽及台灣、菲律賓東方海域的岩芯則提共了黑潮的歷史紀錄。
 

( 2 )方法及樣本:

ODP1115B 岩芯位於所羅門海, 水深 1149m ,遠高於太平洋平均之碳酸鈣補償深度之上 ,具有連續且保存良好之沈積物樣本,碳酸鈣重量比例高。我們挑選浮游有孔蟲 G. sacculifer ( 300-355 μm ),同時分析氧碳同位素以及鎂鈣比,氧碳同位素分析利用位於台灣師範大學之 Micromass Isoprime isotope mass spectrometer ,其精準度對氧同位素可達 0.2? 、而對碳同位素可達 0.12? ,鎂鈣比利用位於台灣大學之四極桿式質譜儀 Q-ICPMS ,利用有孔蟲配置之標準樣本監測下精準度可達 0.84? 。我們利用現代長時間沈積物捕獲器所得知鎂鈣比 - 溫度公式,以期在不同氣候以及環境改變下得到一個較為普遍的回推溫度值。此外,南沖繩海槽的MD 0121403 岩芯,呂宋島東方的MD 982188 岩芯,以及綠島東方的OR 715-21 岩芯提供了黑潮的全新世的記錄。

 

(三)結果討論:

( 1 )成果:

有關黑潮區全新世古海洋的研究已經完成,寫成兩篇文稿,分別投稿了:

•  Holocene Pulleniatina Minimum Event revisited: New geochemical and faunal evidence from the Okinawa Trough and upper reach of the Kuroshio Current. Revised version submitted to Marine Micropaleontology.

•  Variability of surface temperature and salinity in the Okinawa Trough during the Holocene. Submitted to Geophysical Research Letter.

( 2 ) OPD115B 岩芯初步研究進度:

ODP1115B 目前分析進行到三十公尺深,年代到達 717ka ,即海洋氧同位素第 16 階。有孔蟲同位素在冰期間冰期的變化幅度大約為 2? ,而鎂 / 鈣比換算出的溫度改變呈 3-4 ℃ 。目前在某一特定段區間的鎂鈣值過高而導致推算出來之古海溫度過高,疑有污染或分析失誤,將重新分析,所以暫不討論該段。

根據現今海表溫研究, ODP806B 與 MD972140 終年處於暖池的中心,所以兩者的溫度差理論上應該為最小; ODP1115B 站位位於暖池南緣,與 ODP806B 之溫度差可以作為暖池在南北向移動或是本身擴張收縮的指標; ODP846 位於東赤道太平洋上,與 ODP806 的溫度差可以作為暖池在東西向擴張或收縮的指標,與 ODP1115B 的溫度差可以作為暖池南北向改變的直接證據。因此,利用 1. 暖池中心 ODP806B 與 MD972142 岩芯的紀錄 , 2. 東赤道太平洋 ODP846, 與 ODP1115B 的紀錄相比較,可以監測暖池在冰期 / 間冰期旋迴中的收縮或擴張。

根據計算的結果,發現暖池的狀態在晚期( 5-317ka )時,暖池中心的 ODP806B 與暖池邊緣的 ODP1115B 的溫度差較大,可能為暖池範圍縮小,而此時正好東太平洋的 ODP846 與 ODP1115B 之溫度差亦較小,都顯示像個超級 La Nina 狀態;在早期( 485-717ka )時 ODP806 與 ODP1115B 之溫度差較小,表示暖池範圍擴張,而 ODP1115B 與 846 之溫度差較大,而與此同時, ODP806B 與 846 的溫度差並無明顯改變,顯示東西太平洋在赤道上東西溫差並改變,改變遮史事一太平暖池在南北向的跨度,顯示在 485-717ka 期間暖池範圍向南擴張 ( 圖二 ) 。

根據汪品先 2003 年在南海的研究發現,在晚第四紀北半球重大冰帽擴張之前都會有碳同位素的極大值事件出現,這個最大值事件在 ODP1115B 岩芯也有發現。另外,本次發現的暖池範圍的縮小事件正好是在所謂的 「中布容期事件」前後,雖然不能確定「中布容期事件」事件是否由暖池範圍變化所驅動,兩者之間的因果關係,及暖池氣候與高緯度氣候變動的關係值得後續研究,南極地區新鑽取的長冰芯研究成果 (EPICA community members, 2004) 將是我們進一步比對的目標。

   
 
 


圖二之一 :海表溫差異圖,圖中包括 ODP806B 與 846 、 ODP806B 與 1115B 、 ODP1115B 與 846 以及 ODP806B 與 MD972140 。其中按照綠色、藍色、紅色以及橙色排列。

   
 
 


圖二之二: ODP806B, 846 與 1115B 之間溫度差異的示意圖,利用三者之間的溫度差作為三角形之邊長,我們將 ODP806B 與 1115B 和 ODP1115B 與 846 的溫度差異等比例放大兩倍。

   

三、從石筍微量元素及同位素記錄看東亞氣候環境變化:

 近年全球各地日益頻繁發生的氣候異常事件中,以聖嬰現象最為大家所關心,其所帶來的環境衝擊,不但直接影響太平洋東西兩岸的人類生活,亦可能透過海洋與大氣的循環進而影響整個地球系統,而基於以古鑑今,本計畫即設計在越南採集鐘乳石,以研究西太平洋之南中國海地區的古氣候演化,更由於東南亞地區同時受到亞洲季風的影響,因此,更是為研究季風與聖嬰現象交互影響的理想區域。以下為目前十個月的工作成果。

(一)  採樣地點:

此計畫在本年度中的執行以赴越南北部地區採集鐘乳石標本為主,越南東、南兩方面臨南海,其地處北回歸線以南,大致上屬熱帶季風氣候,越南北部之年平均氣溫為 24 ℃ ,年降雨量為 1500 -2000m m ,主要為季風降雨,而相較於越南南部十分明顯的雨旱兩季,北部山區則略為偏向溫帶氣候。本計畫中之執行人員於 2005 年 6 月,經越南國家自然科學與科技中心地質研究所 (Institute of Geology National Centre for Natural Science and Technology, Vietnam) 的 Dr. Doan Dinh Lam 之帶領,前往越南西北部之 Son La 省,共探訪 5 個鐘乳石洞穴,在其中 1 個條件最佳的洞穴共採集了 5 根鐘乳石,和先前於 Gia Hoa 省採集所得之數根鐘乳石帶回台灣做進一步定年與同位素標本的取樣工作。

   

採樣地點之位置圖與洞穴中鐘乳石
 
   
(二) 樣本分析:

( 1 )拋光:

首先將切開的標本剖面拋光,此步驟之主要目的有二: 1. 由於拋光後的標本面可以呈現更清晰的紋理,可方便我們更仔細的觀察標本表面狀態與細微構造; 2. 拋光後的標本面較為光滑,將可以大幅降低孔隙藏匿污染的可能性。

 
拋光後的洞穴岩掃描照片
   
( 2 )取樣技術改良:

過去礙於經費、人力與標本量三者皆不足的窘境,處裡標本只能倚賴氣動式的拋光機與小型切割鋸台,進行打磨和微標本取樣的工作,前者效率不彰,耗費時間,後者則僅能進行直線切割,無法完全且精準 得 順著洞穴岩之生長紋路取樣,為了提升效率與改善微標本取樣的細膩程度,我們即汰換氣動式的拋光機具,而改採電動式,並且引進 DREMEL 軟軸雕刻鑽頭來針對生長紋路靈活取樣,同時,亦改建了原本的微標本取樣室,增設無塵工作台降低微標本取樣的汙染可能性。

( 3 )微樣本製備:

本研究對洞穴岩的化學分析工作主要有( a )鈾系定年、( b )碳氧同位素與 (c) 微量元素分析,而從拋光過後的洞穴岩標本上,分別取得適合上述三種分析之微樣本的方法有二:其一是使用小型鋸台切取塊狀標本,塊狀標本的優點在於取得標本後,可以再進行表面酸溶處理,若要連續取樣,使用鋸台不僅可以加快作業速度,亦可避免前後標本之間的汙染問題,因此,採用此法來取得碳氧同位素以及微量元素分析的微樣本;其二是使用電動鑽頭取粉末標本,粉末標本的優點則在於鑽取量易於控制,且可以完全順著生長紋路取樣,避免因生長方向改變而造成的取樣誤差,而鈾系定年法的樣本因採不連續取樣,故選擇此法,再分別進行化學前處裡。
 

   

切片取樣圖

鑽粉取
   
 
 

Gia Hoa 洞中所採得鐘乳石之碳氧同位素結果圖,橫軸為樣本號碼
   
( 4 )同位素平衡測試:

在碳酸鈣沉澱的過程中,熱力學主導了固體和水溶液之間的同位素分異作用,因此,唯有在熱力學平衡的 條件 下,同位素交換反應才會確實 地 紀錄下當時的氣候 狀態,故 根據 Hendy test 的假設,當沿著同一層間取樣本作碳氧同位素分析時,理論上應該看到氧同位素數值保持一致,而碳同位素數值則由中心向兩側變重,如圖 。

   
 
 

對石筍標本,同一層碳酸鈣沉澱取樣,測試 Hendy Test
   
(三)  定年工作及未來規劃:

綜上言之,本計劃於 2005 年六月間前往越南北部 Son La 省,依照規劃探訪可能存有良好樣本的洞穴 ── 編號 S14 之洞穴。 S14 洞具有良好的客觀條件,出入口十分封閉 、 內室廣闊且存在許多分支 、 濕度極高 (~100%) ,且少土壤覆蓋污染,實為非常難能可貴之石灰岩洞穴,因此我們共取得數高品質之洞穴岩標本,初步定年結果已完成,其中 4 支為 全新世標本,如 S14-04 、 S14-R3 及 S14-BR ,定年精度可達 ±6-50 年 , 2 支涵蓋 2 萬至 4 萬年古氣候紀錄。部份標本已有碳氧同位素比值, 近期內可完成 S14 洞穴大 部份標本 之碳氧同位素分析。同時,我們的越南合作夥伴也在積極尋找其他適合的洞穴,並先行蒐集標本運送至本系分析測試,當經過篩選後,對於未來規劃野外行程實有莫大的助益,可以節省在當地探訪尋找洞穴的時間。

 

   

四、從珊瑚微量元素及同位素紀錄看南中國海氣候環境變化:

我們將利用南中國海域,包括 台灣、越南、菲律賓、及蘇門達臘 之珊瑚,重建晚更新世及近代之氣候環境變化。依據計劃,已自台灣南灣及越南中、南部採集現生珊瑚,今年春天及初夏將利用水下鑽孔機,鑽取珊瑚岩心。目前已完成之工作如下:

(一)台灣南灣:

台灣在氣候的分帶上屬於東南亞副熱帶季風區,然除主要的季風作用外 ( 夏季暖濕 - 冬季冷乾 ) ,近年來日趨頻繁的聖嬰現象,對西太平洋赤道的作用亦十分明顯,其或可透過南中國海區域的水氣及洋流循環,進而影響周圍地區與國家,加上黑潮乃源自於北赤道洋流 (NEC, North Equator Current) ,更是極有可能在夏季時藉由流經台灣西岸的黑潮分支,將在西太平洋赤道地區發生的聖嬰現象之效應,帶至台灣南部,因此,本研究即選取台灣南部恆春半島的南灣地區,進行現生與化石珊瑚骨骼的研究。

團塊狀的珊瑚骨骼 ( Porites sp. ) 具有生長時間長、解析度高及良好的年代控制等優點,並經由許多研究證實,可包含許多過去氣候變化造成的地球化學紀錄,因此是研究氣候變化的極重要材料。南灣地區大約處於東經 120?42 ¢ 、北緯 21?56 ¢ ,位在恆春半島鵝鸞鼻與貓鼻頭之中間,屬一半封閉性的海灣,然其與 SCS 的交互作用十分良好,相信仍可充分反映區域性的氣候事件,更由於其向內凹入且逐漸變淺的壺嘴形狀,恰可與當地之海流方向配合,形成一日兩次之地區性湧升現象,而湧升流之強弱則與季節性之海流方向 , 甚或風向有關。

 

 

台灣南灣之現生微孔珊瑚(上右)採自於核三廠入水口(上左)。
 
目前已於該地水深 4m 處採集了一顆約 20 年的微孔珊瑚,經鋸切和 X 光判定,期間並無停止生長之疑慮 ( 後亦可由 U-Th 定年確定之 ) ,復施以間距 0.8m m 之微標本取樣後,可得連續性之碳、氧同位素與 鍶鈣 比值結果,若再利用前人研究所得之 鍶鈣 -SST 與 δ 18 O-SST 關係式,其不僅可重建過去之海表溫度,在扣除溫度效應後,亦可重建古海水鹽度的變化曲線。以上即為目前台灣南部地區之工作進度,未來則將嘗試利用不同的儀器把 鍶鈣 比值分析的速率與準確度向上提升,以期獲取更多的古環境資訊。
   
微孔珊瑚骨骼 1992-2003 年δ18O 及δ13 C 紀錄。

 
 
   
利用 鍶鈣 比值及 δ 18 O 紀錄,計算殘餘 δ 18 O 與降雨關係( Shen et al., EPSL, 2005 )技術,重建受淡水效應多區域海域 δ 18 O 值的變化。

 
 
   
(二))越南中部 Son Tra Island

越南形狀為南北向狹長型,在夏季盛行西南風的吹拂下,在東岸常會有湧昇流的出現。此區湧昇流所造成的溫度落差可達攝氏 3~5 度,較美國加洲西岸以及大西洋中部海岸的攝氏 2 度高。而在前人( Kuo et al., 2004 ) 研究中也發現,當聖嬰現象發生時,湧昇流的中心會向南移動,且有增強的情形。因此我們在 2005 年 6 月赴越南中部的 Son Tra Island 作了標本的採集,共計四個水樣本以及二個珊瑚的標本,如下表一、表二所示。而在此次的野外並發現該區有達 2 、 3 米 高之微孔珊瑚,如圖一,因此將於 2006 年 4-5 月以鑽打岩心的方式至越南中部的 Son Tra Island 以及 Hon Tre Island 進行標本的採集,期能藉此具高解析度之材料了解過去百年來之季風以及聖嬰現現在南海地區造成之效應及其影響。

   
 
 

Son Tra Island
附近海域四處可見高達 3 米 之微孔珊瑚
   
Sample ID
Latitude
Longitude
Sample
046
16° 12' 39.3”
108° 12' 07.9”
Water
048
16° 12' 39.0”
108° 12' 08.4”
Water
049
16° 12' 59.4”
108° 11' 57.1”
Water and Corals
050
16° 13' 01.4”
108° 11' 58.6”
Water
 
表 越南中部
Son Tra Island 水樣本的詳細資料
   
Sample ID
Tissue Thickness
Diameter (cm)
Water Depth (m)
SC050614-01
0.5
34
4
SC050614-02
0.3
26
3
 
表 越南中部 Son Tra Island 珊瑚標本的詳細資料
   
(三)越南南部、湄公河流域及 Con Dao Island

越南南部之湄公河為東南亞中南半島最大河川之一,因此越南以及中南半島自二十世紀中期開始迅速發展的情形以及所造成之污染,應可在湄公河出海口 Con Dao Island 之珊瑚紀錄中發現。而藉由珊瑚之紀錄亦可使我們對於此區環境變遷之歷程等有更深入的了解。因此我們在 2005 年 12 月至越南南部在湄公河流域以及 Con Dao Island 進行了水樣本的採集,詳細的採樣地點如下圖二、三,而詳細的水樣資料如表三。 Con Dao Island 四周圍生長許多 2 、 3 米高之微孔珊瑚,有些甚至高達五米,因此,我們未來將以鑽打岩心的方式進行標本的採集,期能藉此了解過去百年來此區環境發展之變遷。

 

   
 









越南南部湄公河流域水樣採集點

 
     
 
越南南部湄公河外海 Con Dao Island 之水樣採集點。

 
   
Sample ID
Collecting time
Latitude
Longitude
Error (m)
CD1
20051213 18:26
9° 31' 32.6”
106° 12' 3.8”
10
CD2
20051214 08:25
10° 03' 32.4”
105° 47' 50.7”
14
CD3
20051214 10:20
10° 16' 34.5”
105° 53' 59.8”
10
CD 4
20051214 12:05
10° 33' 5.1”
105° 29' 35.7”
14
CD5
20051214 17:45
10° 12' 51.7”
106° 41' 15.1”
8
CD6
20051216 09:45
   
   
 
CD7
20051218 10:45
8° 38' 24.4”
106° 33' 5.1”
10
CD8
20051219 10:23
8° 40' 45.0”
106° 37' 23.5”
8
 
表 越南南部湄公河流域以及 Con Dao Island 水樣本的詳細資料