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你见过化石做的温度计吗?

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温度计是我们常见的测温仪器,如测量体温的水银温度计、鱼缸常用的液晶温度计、工业生产中的温差电偶温度计等等。

那么,你见过化石温度计吗?它测量的会是什么神秘温度呢?

01 化石的妙用

自然博物馆收藏、展示着各种各样的生物化石,大到恐龙骨架,小到肉眼难辨的单细胞微小生物遗骸。


地质年代与地层©上海自然博物馆

位于上海自然博物馆1F生命长河展区

通过研究这些化石,古生物学家可以为地球的漫长历史编制年代表,可以复原史前地表环境,还可以揭示生物进化的过程和机制,探知地球演化奥秘。

在地球上的不同环境中,生活着特定种类和形态的生物。例如长颈鹿生活在非洲的热带稀树草原,鲸鱼则在大洋中遨游。

这些生物活着的时候,就会从周围环境吸收营养物质,所以,它们体内某些物质元素的多寡也与其生存的环境有关。如果把生物与环境的对应关系应用于化石研究,就可以推断史前的地球环境和气候变迁


原图图源:Flickr

在对化石做一些特别的分析后,科学家甚至可以定量推算出远古时期生物所处的环境情况,如算出气温、水温、海拔高度、海水深度,等等。

这些特别的分析手段大致有以下2种。

古生物学方法:就是利用化石的标志性种类或者化石群落的种类构成来推定古时的环境。

地球化学方法:则是通过分析化石中特定的成分或者元素来计算古环境参数。

这里我会重点给大家聊聊地球化学的方法之一,即用化石壳体中镁/钙元素的比例,来推算古时海水的温度

02 镁/钙比值竟能测温?

在海洋中,许多生物都会吸收海水中的碳酸钙来形成坚硬的壳体。早在上世纪20年代,人们就发现这些海洋生物的壳体中除了碳酸钙,还存在着微量的碳酸镁。并且,镁元素的含量还与海水的温度存在着一定关联性

后来科学家们通过大量的实验工作,在上世纪90年代确立了有孔虫壳体中镁/钙比值与温度的函数方程。


有孔虫|http://news.softpedia.com/news/4-Things-About-Foraminifera-83804.shtml

有孔虫是海洋中大量存在的一类单细胞动物,身体包裹在碳酸钙壳体中,大小通常不超过1毫米。它们中有的在海水中漂浮一生,被称为“浮游有孔虫”;有的则把身体固定在海底沉积物上,称为“底栖有孔虫”。


图源:《自然界的艺术形态》 (1904), 图版2

当然,不论是浮游类还是底栖类,遗骸的去处都是海底,最终成为了海洋沉积物的一部分。如果把来自大洋底的沙子放到显微镜下,你或许会发现“沙粒”几乎都是有孔虫,密密麻麻,简直会让人患上密集恐惧症。

在过去十几年里,有孔虫壳体的镁/钙比值被学界各路大咖用来推算古海水温度,让人类对千百万年以来地球冷暖交替的变化历史有了具体的感受

03 化石温度计的原理是?

那么,为什么有孔虫壳体中的镁/钙比值可以反映古水温呢?

生物在生长过程中,会从海水中吸收镁/钙等元素形成碳酸盐壳体,而海水中镁/钙比值几乎是恒定不变的。实验结果表明,生活在大海里的有孔虫,它们壳体中的镁/钙比值会随着海水温度升高而增高

而镁置换碳酸盐中的钙是一个吸热过程,所以温度升高会导致有孔虫壳体中镁含量的增加。死亡后的有孔虫被埋藏保存在海底沉积物中以后,其壳体的镁/钙比值一般不发生变化,可以记录它们活着时的周围海水温度信息。如此,人们就可以用有孔虫壳体镁/钙比值来反推海水温度的变化了


经测定发现,海水温度每升高1摄氏度,浮游有孔虫壳体镁/钙比值会增加8%~10%。这个增加速率比底栖有孔虫和无机碳酸钙中镁/钙比的增加速率都高,说明浮游有孔虫对水温的变化更加灵敏

镁/钙比值与水温之间的关系,可以用如下的曲线图来表示:


一些种类的有孔虫壳体镁/钙比值与水温的回归曲线(引自K. Kimoto, 2009)

上世纪90年代到本世纪初始,欧美的几位科学家收集了许多海域的材料,通过测试分析三种浮游有孔虫(袋拟抱球虫、泡抱球虫、普通圆球虫)的壳体元素,终于建立了浮游有孔虫镁/钙比值与水温关系的经验公式:


这个公式看上去跟爱因斯坦的质能方程一样简洁优美。


Mg/Ca是有孔虫的镁/钙比值,e是自然常数(e≈2.718),b是上图中曲线在纵轴的截距,m是曲线的倾斜度,T代表水温。

变换一下,则水温为:


这里,ln是自然对数。

与质能方程中恒定不变的光速常量不同,这个公式中的m和b值随海域而改变,因此用它计算古水温时,需要先根据所对应海域的现代有孔虫分布来算出m和b值。

另外,不同种类有孔虫的m和b值也明显不同,因此还需要选用同一种有孔虫进行测试

04 洗洗才精确

测试有孔虫壳体的镁/钙比值时,普遍使用的仪器是质谱仪。而有孔虫个头很小,壳体中镁元素含量本来就低,轻微的污染也会对测试结果产生不小的影响,所以能否彻底清洗有孔虫壳体就成为了获得准确测试值的关键

为了减少污染,人们需要在显微镜下挑选尽可能完整、无充填物的干净有孔虫壳体,然后放入超声波清洗机中用去离子水清洗。


超声波清洗机|wiki

接下来,还要用一些化学物质混合液来除去氧化物和有机杂质。

尽管影响有孔虫壳体镁/钙比值的因素复杂,壳体在沉积和埋藏甚至采集样品的过程中都会受到污染,但是镁/钙比值与水温之间的确存在着特定的变化关系,科学家也想出了各种方法对测试结果进行校正。

05 大显身手的小小化石

镁/钙化石温度计自从诞生以来,为人类了解地球气候的冷暖变迁做出了不小贡献,我们先来看看下面这几个例子。

上世纪90年代到本世纪初始,欧美的几位科学家根据浮游有孔虫化石镁/钙分析结果,得出了以下的结论:赤道太平洋海域的表层海水温度在2万年前的末次冰期最盛期时比现在低2~3.5摄氏度。

2万年前的冰期中,伴随着气温下降,海平面也下降了120米左右,中国渤海、黄海和东海大陆架的海水都退去,当时的人们可以徒步从上海走到韩国、日本


赤道太平洋海域的表层水温在2万年前比现在低2~3.5摄氏度(引自S. Barker等,2005)

2000年,美国加利福尼亚大学的古海洋学家大卫・李博士(David Lea)用镁/钙化石温度计发现了另一个有趣的事实:在过去50万年时间里,赤道太平洋东部的表层海水温度一直比西部低大约3摄氏度,这说明今天存在于太平洋的巨大“冷舌状水体”已经在那里盘踞很长时间了

镁/钙化石温度计在我国沿海古环境研究中也得到了应用,例如在2012年,中国科学院南京地质古生物研究所的李保华教授团队用这种方法复原了过去45万年以来南海的表层水温变化,发现冰期和间冰期的平均温差达到4.8摄氏度。


现代海洋表层水温度图|中国科学院南京地质古生物研究所

镁/钙化石温度计,还可以用来推算更古老时期的水温!

2003年,加利福尼亚大学的地球化学家詹姆斯・扎科斯(James Zachos)分析浮游有孔虫两个属的镁/钙比值,发现5500万年前(新生代最暖时期)西太平洋的表层水温度在短时期里升高了5摄氏度,这与当时大气中二氧化碳浓度增加3~4倍的记录相对应,说明当时海水升温是由于大气中温室气体增加而造成的


詹姆斯・扎科斯于2001年发表的经典新生代气候变化曲线,被誉为“地学图片之王”(引自J. Zachos等,2001)

2004年,美国南佛罗里达大学的阿梅利娅・谢夫内尔博士(Amelia Shevenell)根据泡抱球虫壳体镁/钙比值,发现在大约1400万年前太平洋西南部的表层海水温度下降了7摄氏度,并且指出温度的变化受地球轨道偏心率周期的控制

除了浮游有孔虫之外,底栖有孔虫的镁/钙比值也被用作古水温计,用来计算海底附近的水温变化

2002年,美国芝加哥大学的科学家发表了过去33万年以来赤道东大西洋和东太平洋的底栖有孔虫镁/钙比值变化,证明了底层水温度变化同样与气候变化相关联

2000年,英国卡地夫大学的卡洛琳・里尔(Caroline Lear)等科学家将底栖有孔虫的镁/钙比值用于新生代气候演化研究,算出的水温变化得到了其他研究的佐证。


随着研究的深入,近年科学家证明海洋介形虫壳体镁/钙比值也是非常有用的古温度计。介形虫是虾、蟹的近亲,但体长一般不到1毫米。介形虫广泛栖息于海底表面,它们的碳酸钙壳体同样含有少量的镁元素

2012年,美国联邦地质调查局的托马斯・克罗宁博士(Thomas Cronin)与其他几位科学家一起,用底栖介形虫壳体的镁/钙比值复原了过去5万年以来北冰洋底层海水的温度变化。他们选用的种类是北冰洋深海中常见的克里特介,这种介形虫壳体比较厚大,容易测试。


北冰洋克里特介电子显微镜照片|周保春 摄

用介形虫壳体镁/钙比值作为温度计尚属新生事物,所以哪种介形虫更适合作为分析材料,也存在着争议

香港大学的地球化学家诺特博士(Christelle Not)团队对上海自然博物馆收藏的北冰洋介形虫化石进行研究,发现与克里特介相比,镁元素在另一种介形虫——多肢介壳体中的分布更加均匀,说明多肢介可能更适合作为古温度计的研究材料。


北冰洋多肢介电子显微镜照片|周保春 摄

上海自然博物馆的北冰洋介形虫化石收藏数量仍在不断增加。我们的科研人员计划在近期利用这些化石材料,通过镁/钙化石温度计来复原北冰洋在过去几十万年中的古水温变化,以便深入了解极地环境与全球气候变化之间的关系。

后记:

撰写此文之际,网上报道了南京大学地球化学研究团队对于有孔虫壳体中碳酸镁形成机理的研究进展。科研人员利用X射线衍射、电子显微镜、等离子发射光谱等多种手段,成功地解释了镁/钙比值为什么在有孔虫壳体中这么低以及壳体镁/钙比值随温度变化为什么这么敏感这两个方面的化学原理。这一发现使得有孔虫镁/钙化石温度计由经验模型向定量模型迈出了重要一步。看来,镁/钙化石温度计今后将会变得更加可靠好用。


科学审核:杨守业 同济大学海洋与地球科学学院教授,海洋地质国家重点实验室主任

责编:一星期

本文经授权转载自上海自然博物馆(ID:snhm01),如需二次转载请联系原作者。

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