2018, Vol.38
2 青岛海洋地质研究所, 山东 青岛 266071)
近年来，海岸带的环境变化日益影响到人类的生存与发展，其研究可以为预测未来环境变化提供科学依据，因而极为重要。高分辨率的古环境研究需要高精度的测年数据。
14C测年是全新世及晚更新世最常用、也是最可信的方法。海洋沉积物中富含碳酸钙的各种软体动物的贝壳、珊瑚、钙结核及海滩岩中的胶结碳酸盐等样品均可用于14C测年。对于浅海陆架区钻孔岩芯，最常见、最易于取得的14C样品是各种贝类软体动物的外壳。但由于钻孔岩芯直径有限，很难能取得完整的贝壳个体，多为来自不同个体、甚至不同属种的贝壳碎片，因而测年结果可能会受到不同属种壳体生命效应的影响，以及来自老地层的再沉积壳体碎片的影响。此外，贝壳的主要成分文石，可能会在埋藏时发生重结晶而影响测年的准确性[1]。
底栖有孔虫也是浅海陆架区钻孔岩芯14C测年的良好材料。由于其个体微小，相比软体动物的贝壳，更容易取得完整个体，且钙质底栖有孔虫壳体的成分主要是方解石[2]，能够避免重结晶作用造成的污染。因此，相比贝壳碎片，底栖有孔虫测得的14C年龄数据应当更为可靠。由于浅海陆架区底栖有孔虫大多个体细小，一个测年样品要挑取几百甚至上千个底栖有孔虫个体，不仅需要相对专业的人员来操作，而且费时费力，所以在以前的14C测年采样中，大部分情况下优先选择易于取得的贝壳碎片，即使是挑取底栖有孔虫壳体，也常常是不分属种，不分大小[3~8]。如果不考虑底栖有孔虫属种壳体结构、生态特征和生命效应的影响，以及不同样品由于底栖有孔虫组合的差异而导致不同属种所占的比例不同等因素，在同一个钻孔不同层位所测年龄出现倒转时，无法判断有孔虫属种差异可能产生的影响。随着深入理解海岸带环境变化的急迫需求以及古环境研究工作的快速发展，晚更新世以来千年级甚至百年级的高分辨率古环境研究对测年精度提出了更高的要求，有必要澄清底栖有孔虫不同属种是否对测年精度产生影响，以及影响的程度和可能的原因。
本次研究利用东海陆架浙闽沿岸泥质区的钻孔岩芯样品，挑选相同层位中不同属种的底栖有孔虫壳体化石样品进行AMS 14C测年，探讨不同属种底栖有孔虫对14C测年的影响，以期为今后更加精确地建立海岸带高分辨率沉积序列的年代标尺提供有价值的参考。
1 材料与方法研究的材料来自东海陆架浙闽沿岸泥质区的两个钻孔岩芯D03与D05，由青岛海洋地质研究所2015年12月采取。D03钻孔(27°53′42″N，121°47′56″E)，水深42 m，孔深41.2 m；D05钻孔(27°20′53″N，121°36′22″E)，水深57 m，孔深40.4 m。由于本研究需要对相同层位的沉积物样品中不同的底栖有孔虫属种进行14C测年对比分析，故要求样品中的底栖有孔虫含量丰富、分异度较高、保存好、没有明显溶蚀和再沉积现象。据此，我们在D03孔的31.05~31.11 m处与D05孔12.80~12.87 m处分别采取了2个沉积物样品D03-31-F1和D05-7-F9，样品均为深灰色软泥。
沉积物样品在室温下自然干燥后，称取20g左右置于烧杯中，倒入自来水浸泡2~3 d，待样品松散后用孔径0.063 mm的标准不锈钢筛在自来水下冲洗。之后将筛洗获得的残渣经滤纸过滤后室温下晾干，收入样品管中待用。
将两个样品残渣均匀地撒入挑样盘中，在体式显微镜下观察样品的保存状况和组合特征，选择干净完整、含量最为丰富的属种，挑取用以14C测年的底栖有孔虫壳体样品。D03-31-F1样品分别挑取了Ammonia comperessiuscula(样品号ZM13-2)、Quinqueloculina spp.(样品号ZM13-3)、Elphidium spp.(样品号ZM13-4)和主要为上述3个类别的多个底栖有孔虫属种的混合(样品号ZM13-1)共4个测年样品(图 1)；D05-7-F9样品分别挑取了Ammonia comperessiuscula(样品号ZM30)、Quinqueloculina spp.(样品号ZM30-1)和Bolivina cochei(样品号ZM30-2)共3个测年样品(图 1)。
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图 1 测年样品的体式显微镜照片(图中比例尺为5 mm) 1. ZM30-2，Bolivina cochei；2. ZM30-1，Quinqueloculina spp.；3. ZM13-4，Elphidium spp.；4. ZM13-1，底栖有孔虫种混合样品(Mixed shell sample of benthic foraminifera)；5. ZM13-2，Ammonia comperessiuscula；6. ZM13-3，Quinqueloculina spp. Fig. 1 Microscope photo of radiocarbon dating samples(The measuring scale in figure is 5 mm) |
挑出的样品送美国Beta实验室进行AMS 14C测年，同时由同位素质谱测试δ13C值(标准误差为± 0.3‰)，14C测定值以5568 a半衰期计年，所有样品的测试结果均按照其δ13C值进行分馏效应校正成为惯用年龄。
2 结果理论上同一钻孔相同的层位应该只有一个地质年龄，但D03-31-F1和D05-7-F9两个钻孔沉积物样品的测年结果显示，同一个钻孔相同层位中不同的底栖有孔虫属种测得的14C年龄值存在差异(表 1)。
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表 1 沉积物样品D03-31-F1和D05-7-F9的测年数据 Table 1 Dating results for sediment samples D03-31-F1 & D05-7-F9 |
D03-31-F1的4个样品14C测年结果(表 1)显示，Quinqueloculina spp.壳体(ZM13-3，图 1-6)的14C年龄为11150±40 a B.P.，相较其他样品，其δ13C值明显偏负，为-3.8‰；多个底栖有孔虫种壳体混合样品(ZM13-1，图 1-4)的年龄为10420±30 a B.P.，δ13C值为-0.6‰；A. comperessiuscula壳体(ZM13-2，图 1-5)和Elphidium spp.壳体(ZM13-4，图 1-3)两个样品年龄差别不大，分别为9940±30 a B.P.和9730±30 a B.P.，δ13C值分别为-0.9‰和-1.0‰。很显然，Quinqueloculina spp.壳体样品较其他壳体样品14C年龄要老，差别最小730 a，最大1420 a；混合壳体样品14C年龄也较老，如图 1-4所示，可能与其中含有一定量的Quinqueloculina spp.和较多的A. comperessiuscula有关。
D05-7-F9的3个样品14C测年结果(表 1)显示，Quinqueloculina spp.壳体(ZM30-1，图 1-2)的14C年龄为2610±30 a B.P.，其δ13C值为-1.3‰；A. comperessiuscula壳体(ZM30)的年龄为2170±30 a B.P.，δ13C值为-0.1‰；Bolivina cochei壳体(ZM30-2，图 1-1)的14C年龄为1750±30 a B.P.，δ13C值为-0.7‰。与D03-31-F1很类似，D05-7-F9的Quinqueloculina spp.壳体样品较其他壳体样品14C年龄要老，差别最小440 a，最大860 a。
3 讨论本研究两个Quinqueloculina spp.壳体样品ZM13-3和ZM30-1的14C年龄，均老于同层位的其他壳体样品。我们尝试从底栖有孔虫的生态习性和壳体的结构特征等方面来分析D03和D05这2个孔的同沉积物样品中不同底栖有孔虫属种测得14C年龄结果存在差异的可能原因。
3.1 底栖有孔虫微生境对14C测年的可能影响底栖有孔虫并不完全生活在沉积物和水的界面上，也可以生活在海底沉积物之中，常见于沉积物界面之下至10 cm处[9]。在底栖有孔虫生活的深度范围内，生态环境变化迅速，不同的微生境中透光性、氧含量、营养物质含量等差别非常大[9]，从而决定了不同深度生存的底栖有孔虫属种丰度不同。Corliss[10]首次分析了深海沉积物上部15 cm中活体底栖有孔虫的垂直分布状况，发现它们在沉积物中的分布随深度变化，将生活在沉积物上部若干厘米的种属称为表生的(epifaunal)，其余的称为内生的(infaunal)。底栖有孔虫的生态习性决定了它们的壳体生长发育时与之发生同位素交换的水体环境。表生种生活在海底沉积物表面或近表面，与底层海水进行同位素交换，其测年所得应为底层海水的年龄；而内生种生活在海底沉积物内部，与沉积物中的孔隙水进行同位素交换，其测年所得应代表沉积物内部的孔隙水年龄。
本研究两个Quinqueloculina spp.壳体样品ZM13-3和ZM30-1的δ13C值较同层位其他壳体样品更偏负(见表 1)。底栖有孔虫壳体的δ13C值，受其生活的深度或微生境周围孔隙水的影响[11]。McCorkle等[12]发现，在沉积物深处居住的类别比在浅处居住的类别δ13C值更轻，由于有机质的分解，沉积物中孔隙水的δ13C值梯度可能达到每深1 cm减小1‰；Martin等[13]对海底底层水和沉积物孔隙水中ΣCO2的Δ 14C分析发现，海底底层至沉积物上部12 cm，ΣCO2的14C年龄随深度略有变老。据此，我们首先分析，Quinqueloculina spp.壳体样品较其他属种样品的δ13C值偏负，是否指示该种的生命历程中有过内生的阶段，致使壳体生长时与沉积物内部孔隙水存在过同位素交换，因而造成14C年龄偏老？
已有的研究指出[9~10]，底栖有孔虫壳体的形态与其微生境密切相关，表生种常表现为圆盘状，平凸形或双凸形的螺旋壳，缺失大的壳壁孔或仅一面有，或者是厚壁、似瓷质壳的小粟虫类；内生种常表现为圆形的平旋壳、锥形壳或圆柱状的列式壳，具有壳壁上遍布大壁孔的特点(图 2)。似瓷质壳的Quinqueloculina spp.是典型的指示高氧含量的表生种[14~15]。在美国路易斯安那州内陆架区，该属的丰度随环境中氧含量的下降迅速减少[16]，也指示其表生的属性。虽然现有研究定义的底栖有孔虫不同类别在海底的垂直分布并不完全符合现实[9]，但我们没有证据显示Quinqueloculina spp.有过内生阶段。列式壳、壳壁薄、壁孔多而大的Bolivina属的多数种是典型的内生种[14~15, 17]，Bolivina cochei壳体样品(ZM30-2)的14C年龄，相较同层位的其他壳体样品却是最年轻的，而它的δ13C值却介于同层位的A. comperessiuscula壳体样品(ZM30)和Quinqueloculina spp.壳体样品(ZM30-1)之间，却不是最低的。Elphidium的多数种为浅内生种[16~17]，壳壁薄、壁孔多且具有管系，相较同层位的其他壳体样品，Elphidium spp.壳体样品(ZM13-4)的δ13C值虽然也偏负，仅次于Quinqueloculina spp.壳体样品(ZM13-3)，但其14C年龄却是D03钻孔岩芯同层位的4个样品中最小的。
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图 2 本研究所用底栖有孔虫属种扫描电镜照片 1，2，3. Ammonia comperessiuscula(Brady)压扁卷转虫，样品号D03-31-F1；4，5. Elphidum advenum(Cushman)异地希望虫，样品号D03-31-F1；6，7. Bolivina cochei Cushman et Adams科契箭头虫，样品号D05-7-F9；8，9. Quinqueloculina lamakeriana d ′Orbigny拉马克五玦虫，样品号D05-7-F9 Fig. 2 Scanning electron micrographs of benthic foraminifera species. 1, 2, 3. Ammonia comperessiuscula, sample No. D03-31-F1; 4, 5. Elphidum advenum(Cushman), sample No. D03-31-F1; 6, 7. Bolivina cochei Cushman et Adams, sample No. D05-7-F9; 8, 9. Quinqueloculina lamakeriana d'Orbigny, sample No. D05-7-F9 |
上述分析显示，虽然内生种生活时和孔隙水进行同位素交换，孔隙水14C年龄更老，但同层位底栖有孔虫内生种却测得比表生种壳体更年轻的14C年龄。所以，底栖有孔虫不同属种壳体化石14C年龄的差异，不能简单地用它们生活时壳体和所处的微生境水体同位素交换来解释。
现有的数据暂时还不能解释Quinqueloculina spp.较其他壳体样品的δ13C值偏负原因，可能与不同生物体的生命效应有关，也可能与死后壳体与埋藏环境中的介质交流有关。还有待于进一步的研究。
3.2 底栖有孔虫的壳壁构造对14C测年的可能影响同一沉积物样品中底栖有孔虫不同属种14C年龄值存在差异的另一种原因可能与壳壁构造有关。D03-31-F1和D05-7-F9两个沉积物样品的14C年龄值最老的都是Quinqueloculina spp.壳体样品，其次是A. comperessiuscula壳体样品，最年轻的分别为Elphidium spp.壳体样品和Bolivina cochei壳体样品。因D03-31-F1中挑不出足够量的Bolivina cochei进行14C测年，所以对于这两个沉积物样品中14C年龄值最小的壳体样品，我们同时对Elphidium spp.和Bolivina cochei进行讨论。
Quinqueloculina spp.(图 2)为似瓷质壳，壳面光滑、壳壁厚、无孔。壳壁剖面的扫描电镜照片(图 2)显示该类别的壳壁结构致密，内部不易与外部介质发生交流。A. comperessiuscula(图 2)个体大，壳壁厚，壳壁孔细小但较多而密。从壳壁剖面看，结构疏松，壳壁孔穿透壳壁(图 2)，明显易与外部介质发生交流。Elphidium spp.和Bolivina cochei(图 2)个体都小，外壁薄而透明，壳壁孔大而多，后者尤甚，且Elphidium具有管系，二者都更易与外部介质发生交流。钙质底栖有孔虫的溶解实验显示[18]，凡壳体表面孔大、壁薄、壳壁结构疏松者均易于溶解，而壳面光滑、壁孔细小、壳壁结构致密且厚者均抗溶；同一属种的小个体的壳体，由于其暴露于介质中的比表面积大，也易于溶解。因此，我们推测Quinqueloculina spp.在埋藏环境中与周围介质接触范围较小，而A. comperessiuscula、Elphidium spp.和Bolivina cochei由于具有壳壁孔、壳壁结构疏松，在埋藏环境中可能更易与周围介质发生接触与交流，从而引起不同程度的污染，致使14C年龄变年轻，特别是壳体小、壳壁薄、外壁孔大的Bolivina cochei壳体样品。
当然，还有另外一种可能性，就是底栖有孔虫本身的生命效应，使得壳壁构造不同的种类，在与外界环境进行同位素交换时，壳体吸收的14C量不同，造成的14C年龄值差异。
底栖有孔虫不同属种14C测年的差异及其可能的原因，是个极其复杂的问题。本研究旨在报告东海陆架浙闽沿岸泥质区发现不同属种底栖有孔虫年龄存在差异的事实和观察到的规律，并根据它们的生态和壳体结构构造对其产生的可能原因做了一些最初步的探讨。鉴于精确定年在海岸带晚第四纪高分辨率古环境研究中的重要性，希望本研究能起到抛砖引玉的作用，引起相关海洋科学家和测年专家的关注，对这个问题进行更为系统的研究。
4 结论本研究通过东海陆架浙闽沿岸泥质区的两个钻孔沉积物样品D03-31-F1和D05-7-F9中不同的底栖有孔虫属种：Quinqueloculina spp.、A. comperessiuscula、Elphidium spp.、Bolivina cochei以及多个属种混合的壳体样品进行14C测年，结果显示同一沉积物样品中不同的底栖有孔虫属种14C年龄值存在差异，以Quinqueloculina spp.壳体14C年龄最老，其次是A. comperessiuscula壳体，最年轻的分别为Elphidium spp.壳体和Bolivina cochei壳体。Quinqueloculina spp.为表生种，而Bolivina cochei为内生种，和底层水交换的表生种14C年龄大于和孔隙水交换的内生种，而孔隙水年龄应略大于底层水，故同一层位不同属种底栖有孔虫壳体年龄差异不能简单地用它们生活时壳体和所处的微生境水体同位素交换来解释。Quinqueloculina spp.为无孔似瓷质壳，14C年龄最老，其次为A. comperessiuscula，该种个体大、壳壁厚、壁孔小，14C年龄最小的Elphidium spp.和Bolivina cochei都表现为个体小、壳壁薄、壁孔大，尤其是后者，推测本研究发现的壳体化石14C年龄差异可能与不同属种的壳壁构造不同有关。
不同底栖有孔虫属种对14C测年的影响及其可能的机制，是个非常复杂的科学问题。本研究仅涉及东海陆架浙闽沿岸泥质区很少的几个常见属种，结果表明，同一个钻孔多个沉积物样品分别挑取底栖有孔虫AMS 14C测年样品时，应当尽量选择相同的属种，如果同一属种不能获得足够的数量，也应尽量选择微生境相同、个体大小相近、壳壁厚度和壁孔大小密度近一致的类别，以降低属种不同对测年结果产生的影响。
致谢: 感谢中国地质调查局青岛海洋地质研究所提供研究材料；感谢北京大学周力平教授、审稿专家和编辑部杨美芳老师建设性的修改意见。
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2 Qingdao Institute of Marine Geology, Qingdao 266071, Shandong)
Abstract
Benthic foraminiferas from sediment cores are ideal materials for 14C dating in the shallow continental shelf areas. Usually, mixed benthic foraminiferal shells of different species and sizes from the sediment are picked out to obtain sufficient weight for 14C dating. In this study, two holes D03(121°47'56″E, 27°53'42″N; water depth 42 m, long 41.2 m) and D05(121°36'22″E, 27°20'53″N; water depth 57 m, long 40.4 m) were drilled on the muddy coast of Zhejiang and Fujian in the East China Sea shelf. Samples of different benthic foraminiferal species picked from two sedimentary samples at 31.05~31.11 m of Hole D03 and at 12.80~12.87 m of Hole D05 were analyzed for 14C dating. The results show that different benthic foraminiferal species from the same sediment units yielded different 14C ages. The 14C age of Quinqueloculina spp. was found to be the oldest, Ammonia comperessiuscula relatively yonger, and Elphidium spp. and Bolivina cochei were the youngest. The observed 14C age differences were interpreted with reference to the benthic foraminiferal microhabitats and the characteristics of shell structure. The water isotope exchange process between the shell and their microhabitat is thought to be less likely the main cause for the age difference. Instead, the characteristic shell structures of foraminiferal taxa used in the study may be responsible for the 14C age difference. In order to reduce the impact of the different foraminiferal species on 14C dating and provide the high precision chronological constraints for coastal zone paleoenvironmental study, it is recommended to use benthic foraminiferal shells from the same genus or species, or taxon that have similar microhabitats, size, wall thickness and pore pattern for AMS 14C analyses.