南極普里茲灣及其鄰近海域表層水鐳同位素的分布及應用*

陳倩娜　任春燕　李　琦　李敬軒　賈仁明鄭敏芳　邱雨生,　陳　敏,①

(1. 廈門大學海洋與地球學院 廈門　361102; 2. 廈門大學近海海洋環境科學國家重點實驗室　廈門　361102)

天然存在的 4種鐳同位素都具有放射性, 其中223Ra (T1/2=11.4d)隸屬錒系,226Ra (T1/2=1600a)隸屬鈾系,224Ra (T1/2=3.6d)和228Ra (T1/2=5.75a)為釷系核素。海水中的鐳主要以溶解態形式存在, 它們在海水中的分布更多地受到水文學過程的影響, 可應用于水體渦動擴散速率(Chung, 1980; Kuet al, 1980)、停留時間(Nozakiet al, 1989; Chenet al, 2008)、層化作用(Yanget al, 2007)、深海環流(Kuet al, 1994)等不同時間尺度海洋學過程的研究。

開闊大洋表層水中226Ra的含量較為均勻, 且很多海域的226Ra與SiO32-之間往往具有良好的線性正相關關系(Chung, 1980; Kuet al, 1980)。Ku等(1970)對南大洋印度洋扇面表層水226Ra的研究表明, 表層水226Ra比活度自北向南逐漸升高(1.46— 2.92Bq/m3),而深層水226Ra比活度較表層高且基本恒定在3.65Bq/m3左右。Ku等(1976)測得南大洋2km以深水體的226Ra含量幾乎穩定在(3.58±0.17)Bq/m3, 而在南極輻合帶, 表層水226Ra含量由南向北從3Bq/m3遞減至1.33Bq/m3。Chung(1974)報道了南大洋太平洋扇面表層水226Ra的含量為 1.53—3.42Bq/m3。在 1973年進行的國際海洋學調查航次(IWSOE73)中, 獲得了威德爾海較高空間密度的226Ra數據, 表層水226Ra含量沿威德爾海渦流基本穩定在2.83Bq/m3左右(Chunget al, 1980)。

海水中228Ra的分布主要受渦動擴散和平流過程所控制, 因此是研究海水運動速率的理想示蹤核素。Kaufman等(1973)首次報道了南大洋228Ra的含量, 發現南大洋表層水中228Ra的比活度低于其它大洋, 其成因與低228Ra中深層水的上涌有關。Li等(1980)實測了南大洋大西洋扇面極鋒區南部海域(62°S)228Ra的比活度, 發現測值低于方法的檢出限(0.017Bq/m3)。Moore等(1986)研究了南大洋印度洋扇面228Ra的空間分布, 發現南極近岸水體228Ra的含量較高, 而開闊大洋228Ra含量較低。van der Loeff(1994)對南大洋大西洋扇面的研究發現了同樣的空間變化規律。Hanfland(2002)綜合6個航次的研究結果, 揭示了南大洋大西洋扇面南極繞極流區域、威德爾海環流影響區域和威德爾海陸架區域226Ra、228Ra的含量與分布特征。Van Beek等(2008)對南大洋克倫格爾群島附近海域10個站位的研究發現, 中深層海水的228Ra含量極低, 部分站位甚至低于檢測限。

普里茲灣位于南極大陸印度洋扇區, 處于極鋒帶以南, 最南端位于69°S、75°E。普里茲灣灣口東端為四女士淺灘(67.5°S, 77.5°E), 西端是福拉姆淺灘(68°S, 69°E)。蘭伯特大冰川自南極大陸深入灣內形成埃默里冰架, 構成了普里茲灣灣內的西南邊界。埃默里冰架前緣的陸架區, 水深約為 400—600m, 而陸坡(67°S附近)以北海域的水深則超過 3000m(董兆乾等,2004)。在普里茲灣及其鄰近海域, 北部深水洋區存在由西向東流動的南極繞極流, 近岸區域存在自東向西的沿岸流, 普里茲灣內存在一個順時針的氣旋式冷渦(Smithet al, 1984)。研究表明, 普里茲灣及其鄰近海域的海流特征主要表現為: 83°E以西存在逆時針環流, 在 83°—98°E, 63°S 的南、北區域各存在一個順時針環流; 98°E以東海域主要由南向流所控制, 但近岸存在一個順時針渦旋(陳明劍等, 1995)。普里茲灣及其鄰近海域主要存在三種水團, 即南極表層水、繞極深層水和南極底層水, 陸架區還存在陸架水和冰架水(Deacon, 1937)。有關普里茲灣及其鄰近海域鐳同位素的研究報道基本來自國內研究人員的工作。尹明端等(2004)測定了 1999年夏季普里茲灣及其鄰近海域15個站位表層水的226Ra。鄭敏芳等(2010)利用中國第22次南極科學考察在普里茲灣及其鄰近海域獲得的表層水226Ra含量, 揭示了南極普里茲灣表層水的來源與運移路徑。Chen等(2011)報道了中國第13次和第19次南極科學考察在普里茲灣及其鄰近海域獲得的226Ra比活度, 指出普里茲灣灣外海域226Ra的含量要高于灣內。何文濤(2012)利用中國第26次南極科學考察在普里茲灣及其鄰近海域獲得的226Ra和228Ra, 揭示了埃默里冰架前沿海域上層水體的運移路徑和遷移時間, 探討了普里茲灣附近海域南極底層水形成的可能性。

本研究利用中國第27次南極科學考察航次所采集的樣品, 開展了226Ra、228Ra的研究, 以揭示南極普里茲灣及其鄰近海域表層水中226Ra和228Ra的含量與分布特征; 借助鹽度和226Ra兩個保守要素的三組分質量平衡方程, 計算海水中冰融水、南極夏季表層水和普里茲灣中深層水的份額, 揭示冰融水、南極夏季表層水和普里茲灣中深層水的空間分布規律; 綜合水文要素、同位素等空間分布特征, 闡明普里茲灣及其鄰近海域表層水的運動路徑和交換速率。

1　樣品采集與分析

1.1　樣品采集

2010年12月至2011年1月的南半球夏季期間,于 63°—70°S、70°—76°E 之間的普里茲灣及其鄰近海域采集了26個站位的表層水樣。站位主要分布在4個斷面, 即埃默里冰架前沿的IS斷面、南北向貫穿灣內外的 P3斷面、普里茲灣外陸坡和深海區的 P2斷面和位于灣口的東西向 A1斷面, 此外, 在灣口海域還采集了B1-03站、B1-02站和P4-08站的表層水(圖1)。采樣區域涵蓋普里茲灣灣頂區(68.5°—69.5°S,70°—76°E)、灣口區(66°—67.5°S, 72°—74°E)和灣外南極繞極流影響區(64°—66°S, 70°—74°E)。

每份水樣(約 180L)由“雪龍船”表層采水系統采集后, 裝于塑料桶中。用虹吸方式將海水流經裝有5g白纖維和 12g MnO2纖維的 PVC管, 流速控制在250mL/min以內。海水全部流過纖維后, 將錳纖維取出, 裝入塑料袋中, 帶回實驗室進行鐳同位素的分析。該方法是十分成熟的方法, 已經過多次實驗證明,研究中所采用的錳纖維量在所述流速下可將該體積海水中的Ra吸附完全(謝永臻等, 1994)。

1.2　分析方法

1.2.1溫度、鹽度溫鹽數據由中國第27次南極科學考察隊所攜帶的海鳥911 plus CTD在各站位現場測得, 其中電導率的測定精度為±0.0002mS/cm, 溫度的測定精度為±0.002°C。測得的電導率按照UNESCO(1988)的方法轉換為實用鹽度。

圖1　普里茲灣及其鄰近海域鐳同位素的采樣站位Fig.1　Sampling locations in the Prydz Bay and its adjacent areas

1.2.2226Ra226Ra通過間接測量222Rn子體的方法來確定其放射性活度。將富集了Ra同位素的錳纖維裝入特制擴散管中, 經 4—10min的抽真空后, 密封5—7d, 此時222Rn將不斷由226Ra生長產生。之后,將222Rn送入處于真空狀態的 ZnS(Ag)閃爍室, 放置3h, 以確保222Rn的子體得以充分生長, 最后用氡釷分析儀(FD-125型, 北京核儀器廠)測量閃爍室中的放射性強度(謝永臻等, 1994)。

226Ra比活度的計算公式如下:

式中,A226為226Ra比活度(Bq/m3); k226為226Ra測量的裝置系數(Bq/cpm);Ns、Nb分別為樣品和本底的放射性計數(counts); α為222Rn的積累系數;V為水樣的體積(m3);η為測量過程中222Rn自錳纖維釋放的射氣效率;t為樣品及本底的測量時間(min)。

1.2.3228Ra228Ra通過分析228Ra-228Ac平衡體系中的228Ac (t1/2=6.13h)獲得。226Ra測量完成后, 將錳纖維上的鐳同位素用鹽酸瀝取, 借助Ba(Pb)SO4共沉淀將Ra進一步富集。經DTPA溶液溶解沉淀后, 放置48h以上, 此時子體228Ac與母體228Ra的放射性活度達到平衡。借助BaSO4沉淀除去溶液中的Ra后, 用一氯乙酸溶液將其中的228Ac萃取出來, 經稀 HNO3反萃取純化后, 形成Ce2(C2O4)3沉淀, 并將含有228Ac的沉淀轉移至特制的、由定量濾紙制作的測量環中,送入低本底 α/β計數儀(BH1217型, 北京核儀器廠)測定其中的β射線強度(謝永臻等, 1994)。228Ra的比活度由下式計算獲得:

式中,A228為測定時刻的228Ra比活度(Bq/m3);Ns、Nb分別為相同測量時間下樣品和本底的放射性計數; λ 為228Ac 的衰變常數(1.885×10–3min-1); ?t是分析流程中228Ac的衰變時間(即228Ac分離至測量的時間間隔, min);V為水樣的體積(m3);t為樣品及本底的測量時間(min);η是所采用分析流程228Ra的全程回收率, 該全程回收率由232Th-228Ra平衡標準溶液確定。

226Ra、228Ra比活度的分析誤差以±1σ計數統計誤差表示, 其中已對本底計數、樣品計數和回收率的統計計數誤差進行了誤差傳遞計算。

2　結果

2.1　溫度、鹽度

普里茲灣及其鄰近海域表層水的溫度和鹽度分別為?1.75—0.36°C和32.99—33.99(表1)。整體上看,溫度呈現由灣頂向灣外先減小而后增加的趨勢, 鹽度則呈現由灣頂向灣外先增加后減小的趨勢(圖2)。表層水溫的分布違反了常規的緯度分布特征, 從灣頂向灣口呈現由南向北降低的特征, 這可能與風場作用下海冰覆蓋區域的變化或者與埃默里冰架水體的輸出有關。在南半球的春季, 當研究海域北部及深海洋區仍被海冰覆蓋時, 在強大的南極下降風作用下,灣頂區往往已出現了開闊的冰間水域。這些水體吸收太陽輻射的時間更長, 水溫得以升高, 進而形成普里茲灣夏季表層水的水溫由灣頂向灣口降低的分布特征(董兆乾等, 2004; 蒲書箴等, 2007)。另一方面, 低溫水體由埃默里冰架向灣口的輸運也會導致灣頂東側海域高于西側及灣中部海域的情況出現(Shiet al,2011; 高郭平等, 2013)。就鹽度分布而言, 灣頂因受海冰/冰川融化水的影響, 鹽度較低, 從而形成鹽度自灣頂向外增加的趨勢。

溫鹽的分布同時表明, 66.5°—67.5°S、73°E附近同時出現溫度的極小值和鹽度的極大值, 從P3斷面位密的分布可以看出, 該區域(P3-13站附近海域)存在較為明顯的上升流, 其影響可達表層(圖3)。上升流將低溫、高鹽的次表層水輸送至表層, 造成該區域溫度、鹽度的異常分布。

2.2　226Ra

普里茲灣及其鄰近海域表層水226Ra比活度的變化范圍為 1.47—2.43Bq/m3, 平均值為 2.13Bq/m3(表1)。在此前的研究中, Ku等(1970)實測了南大洋印度洋扇面3個測站226Ra的垂直分布, 表層水226Ra比活度介于1.46—2.92Bq/m3之間, 且自北向南逐漸增高。Broecker等(1976)報道南極輻合帶表層水226Ra含量從南部海域的3Bq/m3降低至北部海域的1.33Bq/m3。58°—70°S、30°W—0°E 之間威德爾海的226Ra含量基本穩定在2.83Bq/m3左右(Chunget al, 1980)。Hanfland(2002)給出南大洋大西洋扇面(40°—75°S,75°W— 20°E)226Ra的比活度介于 0.91—3.01Bq/m3之間。Chen等(2011)依托中國第13、19次南極科學考察獲得的普里茲灣及其鄰近海域226Ra的比活度平均為2.26Bq/m3。鄭敏芳等(2010)依托中國第22次南極科學考察測得的普里茲灣及其鄰近海域表層水226Ra含量介于0.92-2.09 Bq/m3之間。何文濤(2012)根據中國第 26次南極科學考察的研究結果, 給出普里茲灣及其鄰近海域表層水226Ra比活度的變化范圍為1.51—2.28Bq/m3。由此可見, 南大洋表層水226Ra比活度的報道值落在 0.91—3.01Bq/m3之間。本研究測得的普里茲灣及其鄰近海域表層水226Ra比活度(1.47—2.43Bq/m3)落在上述范圍之內, 與Ku等(1970)、Chen等(2011)、鄭敏芳等(2010)、何文濤(2012)的報道值比較接近。

普里茲灣及其鄰近海域表層水的226Ra含量由灣頂向外海逐漸增加, 且東部海域表層水的226Ra低于西部海域(圖4a), 與中國第26次南極科學考察航次觀察到的情況類似(何文濤, 2012)。需要指出的是,226Ra除了在66oS以北的灣外開闊海域出現高值外, 在灣口(66.5°—67.5°S, 72°—74°E)和灣頂中部海域也存在226Ra的高值(圖4a), 其中灣口226Ra的高值區恰好對應于低溫、高鹽出現的位置(圖2), 反映出上涌水體對表層226Ra含量的影響。

2.3　228Ra

普里茲灣及其鄰近海域表層水228Ra的比活度為0.17—0.45Bq/m3, 平均值為 0.29Bq/m3, 低于威德爾海近岸水體中228Ra的比活度((0.39±0.09)Bq/m3)(van der Loeff, 1994), 但高于南大洋深海區表層水的報道值(＜0.02—0.26Bq/m3) (Kaufmanet al, 1973; Mooreet al, 1986; van der Loeff, 1994; Hanfland, 2002)。與何文濤(2012)于中國第 26次南極科學考察航次獲得的普里茲灣及其鄰近海域表層水228Ra含量(0.11—0.49Bq/m3,平均值為0.26Bq/m3)十分接近。

圖2　普里茲灣及其鄰近海域表層水體溫度(°C, a)和鹽度(b)的分布Fig.2　Distributions of surface temperature (°C, a) and salinity (b) in the Prydz Bay and its adjacent areas

圖3　普里茲灣及其鄰近海域P3斷面位密(kg/m3)的分布Fig.3　Distribution of potential density (kg/m3) at section P3 in the Prydz Bay and its adjacent areas

研究海域表層水228Ra比活度呈現由灣頂向外海逐漸遞減的態勢, 灣外開闊洋區的228Ra含量最低(圖4a), 反映出南極繞極流影響區域低228Ra的特征。在灣內, 灣頂中部海域228Ra含量較低, 而灣頂東側海域228Ra比活度高于灣頂西側海域(圖4b)。值得注意的是, 在226Ra含量出現高值的灣口區(66.5°—67.5°S,72°—74°E),228Ra 含量也較高(圖4b)。

2.4　228Ra/226Ra)A.R.

普里茲灣及其鄰近海域表層水228Ra/226Ra)A.R.(228Ra與226Ra的活度比)介于 0.08—0.20之間, 平均值為0.14±0.03, 與中國第 26次南極科學考察航次的測值(0.06—0.32, 平均值為0.16, 何文濤, 2012)十分接近。研究海域228Ra/226Ra)A.R.呈現由灣頂向外海逐漸遞減的態勢, 南極繞極流影響區228Ra/226Ra)A.R.較低, 灣內水體相對較高(圖4c)。在灣內, 灣頂東側海域出現最高值, 西側海域出現次高值, 灣口中部海域(66.5°—67.5°S, 72°—74°E)也相對較高(圖4c)。

3　討論

3.1　水團來源構成分析

在普里茲灣及其鄰近海域, 所有226Ra比活度與鹽度的測值均落在由冰融水(包括海冰融化水和冰川融化水)、南極夏季表層水(夏季南極繞極流海域100m以淺水體)和普里茲灣中深層水(普里茲灣 100m以深水體)等三種端元水體所圍繞的三角形區域內(圖5),說明研究海域表層水226Ra含量受控于這三種水體相互混合的比例(鄭敏芳等, 2010; 何文濤, 2012;Zhanget al, 2014)。由鹽度、226Ra的質量平衡可建立如下關系:

圖4　普里茲灣及其鄰近海域表層226Ra(Bq/m3, a)、228Ra (Bq/m3, b)和228Ra/226Ra)A.R.(c)的分布Fig.4　Distributions of surface 226Ra (Bq/m3, a), 228Ra (Bq/m3, b) and 228Ra/226Ra)A.R. (c) in the Prydz Bay and its adjacent areas

其中,fi、fa和fp分別代表冰融水、南極夏季表層水和普里茲灣中深層水在水體中所占的比例;Si、Sa和Sp分別為三種端元水體的鹽度特征值,S為樣品鹽度;226Ra)i、226Ra)a和226Ra)p分別為三種端元水體的226Ra比活度特征值,A226為實測樣品中226Ra的比活度。根據上述質量平衡方程, 即可獲得表層水中冰融水、南極夏季表層水和普里茲灣中深層水的份額。關于冰融水、南極夏季表層水和普里茲灣中深層水鹽度、226Ra特征值的確定, 根據何文濤(2012)的研究, 冰融水鹽度和226Ra的特征值分別為6.3和0.17Bq/m3, 南極夏季表層水的鹽度和226Ra特征值分別為34.56和2.92Bq/m3,普里茲灣中深層水的鹽度和226Ra特征值分別為34.72和0.73Bq/m3, 本研究即采用這些特征值用于計算。本研究所采用的南極夏季表層水226Ra端元值2.92Bq/m3(何文濤, 2012)略高于鄭敏芳等(2010)的相應值(2.57Bq/m3), 產生差異的原因在于鄭敏芳等(2010)是以南大洋印度洋扇面整個繞極流海域表層水的226Ra含量為依據, 而本研究以南大洋印度洋扇面繞極流海域南側區域表層水的226Ra含量為依據。從空間分布看, 后者更接近研究海域。

圖5　普里茲灣及其鄰近海域表層水中226Ra比活度與鹽度的關系Fig.5　Relationship between surface 226Ra and salinity in the Prydz Bay and its adjacent areas

在研究海域表層水的來源構成中, 冰融水份額(fi)為 2.19%—5.77%, 南極夏季表層水份額(fa)為 53.03%—78.50%, 普里茲灣中深層水份額(fp)為 18.10%—41.19%(表1)。平均而言, 普里茲灣及其鄰近海域表層水大體由3.82%的冰融水、66.54%的南極夏季表層水和29.64%的普里茲灣中深層水混合而成, 主要來源是南極夏季表層水和普里茲灣中深層水。本研究計算出的南極夏季表層水比例(66.54%)、冰融化水比例(3.82%)高于中國第22次南極科考(南極夏季表層水和冰融水比例分別為50.11%和3.14%, 鄭敏芳等,2010)、中國第26次南極科考(南極夏季表層水和冰融水比例分別為50.09%和2.27%, 何文濤, 2012)的報道值, 而普里茲灣中深層水的比例(29.64%)低于中國第22次南極科考(46.15%, 鄭敏芳等, 2010)、第26次南極科考(47.64%, 何文濤, 2012)的相應值, 反映出水團來源構成受到站位空間分布、采樣時間變化等的影響。從各來源水體的空間分布看, 冰融水份額由灣內向灣外呈現先減少而后增加的趨勢, 且在普里茲灣灣頂東側海域出現最大值(圖6a)。灣外開闊海域表層水中較高的冰融水組分可能與風場作用下海冰和早期冰融水的水平輸運有關。在南極離岸風的作用下, 海冰往往被輸運到普里茲灣外側海域融化(董兆乾等, 2004; 蒲書箴等, 2007), 與此同時, 灣內早期海冰或冰川融化產生的冰融水也會在表層水的攜帶下往灣外運動, 由此可導致灣外開闊海域存在較豐富的冰融水組分。值得注意的是, 灣頂東側海域存在較高的冰融水組分(圖6a), 恰好對應于溫度的高值區(圖2a), 而灣頂西部海域和灣口區存在較低的冰融水組分(圖6a), 與溫度的低值區(圖2a)、226Ra和228Ra次高值區, 以及228Ra/226Ra)A.R.的高值區(圖4)相對應。這些空間分布特征與灣頂埃默里冰架前沿海流東進西出的運動路徑(Smithet al, 1984; 陳紅霞等,2005; 鄭敏芳等, 2010)和冰架下發生的融冰/結冰過程有關。

南極夏季表層水的份額呈現由灣外向灣內遞減的趨勢, 其中70.5°E斷面南極夏季表層水的影響要強于其對73°E斷面的影響(圖6b), 反映出灣外南極表層水對灣內的影響在西部海域更為明顯。普里茲灣中深層水的份額由灣內向灣外呈降低趨勢, 且在灣內東側海域出現高值(圖6c)。整體上看, 研究海域南極夏季表層水與普里茲灣中深層水的空間分布呈鏡像對稱關系, 反映出兩種水體的相互補充作用。

圖6　冰融水(a)、南極夏季表層水(b)和普里茲灣中深層水份額(c)的空間分布(單位: %)Fig.6　Distributions of fractions of the ice-melted water (%, a), Antarctic surface water (%, b) and Prydz deep water (%, c) in the Prydz Bay and its adjacent areas

3.2　埃默里冰架前沿海流的運動路徑與速率

綜合分析埃默里冰架前沿海域表層水中溫度、鹽度、226Ra、228Ra、228Ra/226Ra)A.R.、冰融水份額的分布可以看出, 與埃默里冰架前沿東側海域相比, 西側海域具有低溫、高鹽、高226Ra、低228Ra、低228Ra/226Ra)A.R.、低冰融水份額的特征。東西側海域水文要素、核素含量的上述差異反映出埃默里冰架前沿海流東進西出的運動路徑, 佐證了此前研究者提出的論點(Smithet al, 1984; 陳紅霞等, 2005; 鄭敏芳等,2010)。當具有高溫的南極沿岸流水體靠近埃默里冰架前沿東側海域時, 與埃默里冰架的相互作用導致海冰/冰川融化加劇, 因而在冰架前沿東部海域表層水中觀察到冰融水組分較高的特征。之后水體進入埃默里冰架下方運動, 與冰架的不斷相互作用, 導致溫度逐漸下降, 至冰點之下時, 發生海水結冰現象, 其伴隨的鹽析現象導致殘留水體的鹽度和226Ra含量增加。當這些水體在西側海域由埃默里冰架輸出時, 即可在西側海域觀察到相對于東側海域低溫、高鹽、高226Ra、低冰融水組分的特點。228Ra、228Ra/226Ra)A.R.的情況與226Ra恰好相反的原因在于,228Ra和228Ra/226Ra)A.R.的變化不僅受控于海水結冰過程的影響, 還受到228Ra自身衰變的影響。228Ra半衰期僅為5.75a, 比226Ra (t1/2=1600a)短得多。當水體在埃默里冰架下方由東向西運動的過程中, 伴隨著時間的推移, 海水中的228Ra因放射性衰變其含量逐漸降低, 而226Ra變化極小。盡管海水結冰過程會導致殘留水體中228Ra含量的增加, 但如果228Ra放射性衰變導致的損失量大于鹽析作用所致的增加量時, 即可在冰架流出水體中觀察到228Ra和228Ra/226Ra)A.R.低于流入冰架水體的現象,這就是埃默里冰架前沿西側海域比東側海域具有低228Ra、低228Ra/226Ra)A.R.特征的原因。另外, 埃默里冰架前沿東側海域表層水具有較高的228Ra和228Ra/226Ra)A.R.也與Moore等(1986)、van der Loeff(1994)、Hanfland(2002)報道的南極沿岸流水體具有較高的228Ra比活度相符合。

埃默里冰架前沿東、西側海域228Ra的差異反映了228Ra放射性衰變和結冰/融冰過程的綜合影響, 但228Ra/226Ra)A.R.的變化則僅受控于228Ra的放射性衰變,因此, 根據埃默里冰架前沿東、西側海域228Ra/226Ra)A.R.的差異可估算出表層水體在埃默里冰架下方運動所經歷的時間。以IS03站和IS24站分別作為東、西側海域的代表, 根據放射性衰變規律可建立如下方程:

3.3　普里茲灣灣口上升流水體的來源

在位于66.5°—67.5°S、72°—74°E的灣口中部海域, 表層水呈現低溫、高鹽的特征(圖2)。由P3斷面位密的分布可以看出, 以P3-13站為核心的灣口區域存在次表層水的上涌通風作用(圖3)。這些上升的水體到底是來自灣外繞極深層水沿陸坡的爬升, 或是來自灣內水體的上升輸送是關系到普里茲灣是否有南極底層水形成的一個關鍵科學問題(樂肯堂等, 1996)。威德爾海和羅斯海是目前已知的南極底層水形成的兩個源地, 已有研究表明, 南極底層水是由寒冷的陸架水和高鹽的南極繞極深層水混合, 產生密度較大的水體沿陸坡下沉, 然后進入海盆深層而形成, 因而繞極深層水的涌升是南極底層水形成的重要條件之一。此外, 近年來的研究表明, 冰架低溫、高鹽水體的輸出也可能成為南極底層水形成的機制之一(Ohshimaet al, 2013; 高郭平等, 2013)。

盡管此前物理海洋學的研究表明, 繞極深層水可能在普里茲灣灣外73°E附近海域涌升(董兆乾等,2004), 但本研究獲得的228Ra和228Ra/226Ra)A.R.分布表明, 灣口中部海域(66.5°—67.5°S, 72°—74°E)對應于低溫、高鹽水體的228Ra和228Ra/226Ra)A.R.相對較高(圖4b, 4c), 其中P3-13站表層水的228Ra和228Ra/226Ra)A.R.分別為0.36±0.05和0.16±0.02(表1), 均明顯高于受南極繞極流影響海域表層水的報道值(228Ra和228Ra/226Ra)A.R.分別為＜0.02—0.26Bq/m3和＜0.10, Kaufmanet al, 1973;Liet al, 1980; Mooreet al, 1986; van der Loeff, 1994;Hanfland, 2002)。南極繞極深層水由于具有較長的停留時間, 其228Ra含量通常很低。顯然, 灣口中部海域(66.5°—67.5°S, 72°—74°E)表層水中較高的228Ra和228Ra/226Ra)A.R.排除了這些上升水體來自繞極深層水的可能。仔細對比普里茲灣灣內表層水溫度和228Ra、228Ra/226Ra)A.R.的分布可發現, 埃默里冰架前沿西側海域和灣口中部海域的低溫水體, 恰好與較高的228Ra和228Ra/226Ra)A.R.相對應(圖2a, 4b, 4c), 因此, 普里茲灣灣口中部海域的上升流水體最有可能是來自埃默里冰架下方輸出的水體。前已述及, 沿岸水體由埃默里冰架東側海域進入冰架下方, 并由西側海域離開冰架。在冰架下方, 海水溫度降低, 鹽度增加,導致埃默里冰架西側海域輸出的水體具有較高的密度, 其輸出后沿東北方向運動(嚴金輝等, 2012), 期間水體溫度逐步升高而鹽度降低, 到達灣口中部海域時, 密度較低的水體上涌至表層, 發生通風作用。上述解釋也更為符合水體密度分布所展示的灣內水體等密線上凸的狀況(圖3)。

4　結論

2010年12月30日至2011年1月16日南半球夏季期間, 普里茲灣及其鄰近海域226Ra含量受控于冰融水、南極夏季表層水和普里茲灣中深層水等三組分的混合比例, 根據鹽度和226Ra的質量平衡方程,普里灣及其鄰近海域冰融水的份額介于 2.19%—5.77%之間, 平均為3.82%。水文學要素和鐳同位素的空間分布顯示, 在埃默里冰架前沿海域, 西側海域較東側海域表層水呈現低溫、高鹽、高226Ra、低228Ra、低228Ra/226Ra)A.R.、低冰融水份額的特征, 證實埃默里冰架水體東進西出的運動規律。在表層水體東進西出的運動過程, 海水結冰的鹽析作用導致了鹽度和226Ra的增加, 以及冰融水份額的降低, 而228Ra的放射性衰變則導致了228Ra和228Ra/226Ra)A.R.的降低。根據埃默里冰架前沿東、西側海域228Ra/226Ra)A.R.的變化, 計算出埃默里冰架下表層水體東進西出所經歷的時間為1.85a。此外, 在普里茲灣灣口中部海域, 觀察到次表層水上涌的通風現象, 其較高的228Ra和228Ra/226Ra)A.R.指示出這些表層水體并非來自灣外南極繞極深層水,而可能是來自灣內埃默里冰架輸出的水體。

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