应用宇生放射性同位素硅-32示踪海洋过程的研究

周 鹏，李冬梅，刘广山，蔡伟叙，黄楚光，方宏达，纪丽红

(1.国家海洋局南海环境监测中心, 广东 广州 510300；2.厦门大学 环境与生态学院, 福建 厦门 361005；3.临沂大学，山东 临沂 276000)

应用宇生放射性同位素硅-32示踪海洋过程的研究

周 鹏1，李冬梅1，刘广山2，蔡伟叙1，黄楚光1，方宏达1，纪丽红3

(1.国家海洋局南海环境监测中心, 广东 广州 510300；2.厦门大学 环境与生态学院, 福建 厦门 361005；3.临沂大学，山东 临沂 276000)

32Si是一种宇生放射性核素，半衰期约150年。由于其来源单一、生产速率相对恒定，并具有与稳定硅相同的化学和生物特性，一直被视为研究50～1 000年尺度海洋过程的一个理想的计时钟和示踪剂。本文介绍了32Si在海洋学的应用，主要包括示踪近岸和大洋水体的混合，河口和大洋中硅的地球化学行为和循环，深海海底颗粒物的混合，及利用其计算沉积速率/混合速率，建立年代序列来反映环境变化的信息。

32Si；宇生放射性核素；示踪剂；海洋过程

地壳中硅含量丰富，仅次于氧，约占27.7%。硅有18种同位素，但广泛应用的只有5种，包括28Si、29Si、30Si、31Si和32Si，其中28Si、29Si和30Si为稳定同位素，丰度分别为92.27%、4.68% 和3.05%，而31Si和32Si为放射性同位素[1]。31Si 半衰期较短，仅为153 min，无法为自然界各种地球化学过程示踪[2-3]。天然32Si半衰期约150年，一直视为示踪50～1 000年时间尺度的理想示踪剂，在海洋学、冰川学、水文学等众多学科中具有广泛的应用。

1 32Si的性质及其海洋学研究的优势

1953年Lindner通过人工方法制备出一种新核素32Si[4]，此后在美国加利福尼亚(California)沿海硅质海绵中检测出天然32Si[5]。天然32Si是由宇宙射线与大气中Ar发生散裂反应生成，如40Ar(p,2αp)32Si,40Ar(n,4p5n)32Si。主要产生在平流层和上对流层，其在大气中的停留时间约为1年[4-8]。

表1给出了学者应用物理和地球化学等方法测算32Si的半衰期。随着加速器质谱和低本底液体闪烁技术的发展，32Si半衰期的测量结果日益接近。1980年Elmore 和Kutscher[17-18]等分别应用加速器质谱(AMS)测定出一致的结果；但Lal(2001)指出当时都忽视质谱分馏的影响，若考虑分馏影响时32Si的半衰期分别为133年和178年[26]。截至目前32Si半衰期的最新测量结果为(178±10)年，由Nijampurkar 等(1998)采用地球化学方法估算[25]。

表1 不同方法估算的32Si半衰期Table 1 Half-time of silicon-32 esimated using the differet methods in the literatures

注：1) Lal(2001)指出Elmore 等(1980)和Kutscher 等(1980)采用加速器质谱测定32Si半衰期时都忽视质谱分馏的影响，考虑分馏的影响结果分别是133年和178年

虽然不同学者对32Si半衰期的应用(或引用)都有自己的判断，但是其半衰期的不确定性也给学者的应用研究带来一定困难，如DeMaster和DeMaster 等采用276年和105年(101±18年和108±18年的平均值)来研究深海的混合速率[27-28]，并给出了两个不同的结果；Morgenstern等综合文献[21，23-24]测量结果采用平均半衰期(140±6)年来研究冰川年龄[29]。事实上，1980年代后32Si的测定结果已经存在某些一致性(参见表2，其平均值约156年)，目前以1980年代后测量结果的平均值(156年)为宜。

表2 不同环境样品中32Si含量水平分布Table 2 The contents of silicon-32 in some different environmental samples

注：1) 仅指Sweden北部的 Kasjon lake[25]和法国的Pavin lake[57]的沉积物 2) 仅指美国California海湾[16]和Bangladesh[29]的海洋沉积物 3) 仅指Antarctic[53-54]和South Atlantic/Antarctic[27]和 Equatorial Pacific[28]深海沉积物 4) LD表示在探测限以下

在210Pb(T1/2=22.3年)和14C(T1/2=5 730年)的半衰期之间，除放射性44Ti(T1/2=47年)和39Ar(T1/2=269年)之外只有宇生核素32Si的半衰期(～150年)介于其间。图1给出了几种海洋环境中常用的示踪剂的应用时间尺度范围。从图1看出，同其他示踪剂相比，32Si是非常适合示踪50～1 000年时间尺度海洋地球化学过程的一个核素。宇生核素14C测年方法一般能够准确测定年龄超过1 000年的样品，并且测年时还必须考虑宇生14C的生产速率(也称储库作用)不确定性的影响。事实上，近1 000年内包含着非常重要的3个历史时期[6，30-33]：(1) 中世纪暖期的最后阶段；(2) 小冰期；(3) 人类开发和工业化的时期(1850年至今)。因此32Si是弥补50～1 000年时间段的测年方法和示踪50～1 000 年时间段的海洋过程的理想核素。

图1 几种常用的海洋环境中示踪剂的应用时间尺度范围Fig.1 The time scales for some different tracers in marine environment

2 天然32Si含量水平

天然32Si的含量很低，不同环境样品中32Si含量水平分布列于表2。雨水中32Si比活度最高(约19.17 mBq·m-3)，其次为河水和深层大洋水，表层大洋水中最低。河流颗粒物中32Si比活度最高，沉积物中最低，而土壤中含量变化较大[35]。

2.1 降水中32Si含量变化

自上世纪60年代以来，印度Admedabad物理研究实验室，丹麦哥本哈根大学(University of Copenhagen)和德国弗赖贝格(Bergakademie Freiberg)等多家实验室对大气湿沉降(雨和雪)中的32Si进行了一系列的研究。影响大气湿沉降的32Si含量分布的因素可能主要有季节效应，核爆试验和纬度变化[8]。

32Si的沉降具有明显的季节效应，其中夏季明显高于冬季，如德国弗赖贝格(Frieberg)地区夏季的湿沉降中32Si浓度为冬季的2.4倍。这是因为夏季时平流层与对流层交换加剧，从而造成32Si沉降同其他长寿命宇生和核爆产生的同位素(如3H和14C核素等)一样具有明显的季节差异[3，8]。

核爆试验对32Si产生影响[3，8，35]。1963年大气沉降中32Si浓度略高于其他年份，核试验造成1963—1964年湿沉降中32Si浓度有所增高。Dansgaard等对代表1920—1930年和1962—1963年的格陵兰北部冰样所测得的32Si浓度分别为4.8×10-3Bq·m-3和1.0×10-2Bq·m-3，后者为前者的两倍。但与3H和14C核素相比较，32Si受到核爆试验的影响仍然很小；与季节性变化影响相比，32Si含量受到核爆试验的影响要也相对较小，甚至可以忽略。就海洋而言，核爆产生的32Si贡献也相对较小，仅占全球海洋中总量的1%[36]。

32Si也具有明显的纬度效应。Morgenstern 等(1996)指出北半球的雨和雪中32Si随纬度变化存在指数关系，雨32Si(mBq·m-3)=2.8eФ/59°；雪32Si(mBq·m-3)=0.22eФ/2.17°，Ф为地理纬度，这可能由季节变化，气象波动，以及大气清除效应事件增多等原因造成[8]。Craig 等(2000)认为对流层和平流层差异是造成32Si纬度效应的主要原因。对流层所产生的32Si量(FT)随纬度变化较小，平流层所产生的32Si量(FS)较大，且随纬度变化强烈；在中纬度地区，由于平流层与对流层交换强烈，容易发生平流层清除效应，因此沉降通量显现极大值；在低纬度地区，由于降雨量的增加导致其32Si浓度降低，且越靠近赤道越小[7]，宇生32Si沉降通量与纬度分布示于图2。

FT——对流层所产生的32Si量；FS——平流层所产生的32Si量；F—— 大气圈中对流层和平流层所产生的32Si量图2 宇生32Si沉降通量与纬度分布[7]Fig.2 The pattern of global fallout for cosmogenic silicon-32 with geographic latitude

2.2 32Si的生产速率

32Si主要由宇宙射线产出率变化本身所引起的，生产速率相对恒定。在过去几个世纪内，宇宙射线强度(或通量)虽然已经增加了百分之几，并造成14C和10Be的生产速率增加5%～10%，但大气圈中32Si的母体40Ar丰度低，裂变反应的靶横截面与14C存在差异，并且32Si不受太阳光调制(宇宙射线)的相对影响[2，22]，因此大气圈中32Si生产速率相对较小。即使在沉积物测年所对应的蒙德极小期时期，沉降进入沉积物中的32Si比活度也无明显变化[29]。

2.3 32Si的沉降通量

32Si的全球沉降速率见表3。Kharkar 等(1966)首次根据雨水数据计算出平均全球32Si沉降量为6.7×10-6Bq·cm-2a-1，由于结果忽略核爆的影响而至今很少被认同。Somayajulu等(1987)根据大西洋的GEOSECS数据估算出全球32Si的平均通量为2.02×10-4atoms cm-2·s-1；Somayajulu 等(1991)根据太平洋的GEOSECS数据估算出平均全球沉降通量为2.5×10-6Bq·cm-2a-1，这与全球海洋中32Si的沉降通量(4.3×10-4Bq·cm-2)基本吻合。但是Craig 等(2000)再次分析了三个大洋的GEOSECS数据，采用地理纬度代替地磁纬度重新计算的结果为0.72 atoms·m-2·s-1。目前有关32Si大气沉降通量仍然没有确切结果，不过引用最多是Somayajulu等的结果，而最新的Craig 等(2000)计算值的准确性还有待进一步探讨。

表3 文献给出的32Si的全球沉降通量Table 3 The global fallout for cosmogenic silicon-32 in some literatures

2.4 大洋中32Si总量和来源

在上世纪60～70年代，海洋断面地球化学研究(GEOSECS)调查获得大量海洋32Si数据后，许多学者就开始海洋中32Si与硅循环研究[7,40-42]。Fairbridge根据物理海洋学数据估算出三大洋中的32Si总量[41-42]，见表4。全球大洋海水中32Si总量为15.3×1014Bq，约占全球32Si总量的71.15%，其中大洋混合层约占全球的0.35%，大洋深层水中占全球的68.00%，而海底沉积物约占2.30%。太平洋、印度洋和大西洋的32Si总量分别为8.65×1014Bq， 2.71 ×1014Bq和3.91 ×1014Bq。太平洋的32Si南北分布比大西洋和印度洋要均匀。南半球海洋中32Si占全球海洋的65%。海洋中32Si的来源有两个：河流的输入和大气输入。河流输入对海洋中32Si的最大贡献为5.8×1010Bq/a，仅约占海洋总量的4×10-3%(可以忽略)，间隙水的贡献小于1.5%。海洋中32Si的停留时间约为173 年，远远小于生物硅的停留时间104年[41]。

表4 全球主要大洋中32Si总量分布[41-42]Table 4 The inventory of silicon-32 in the major world oceans

3 32Si在海洋学中的研究和应用

大气沉降中32Si进入湖泊和海洋表层水后，部分将会被硅藻、硅鞭藻等浮游植物，及放射虫等浮游动物吸收而进入硅质有机体内形成硅质介壳。有机体死亡后，少量32Si会随硅质介壳溶解而重新进入水体，绝大部分直接沉入海底，最后转化为生物硅(即生源蛋白石，或生源二氧化硅))。同样在水-沉积物界面上，部分32Si也会随生物蛋白石部分重新溶解而进入底层水体中，绝大部分生源蛋白石将变成沉积物的一部分。因此，非生源硅中并不存在32Si，只存在于海水、悬浮颗粒物和海底生源蛋白石中。因为海底生源蛋白石非常稳定，106～109年时间尺度内才能发生溶解，所以在50～1 000年时间内生物硅中32Si能够完好地保存，而不受外界非生源硅的干扰[44-46]。

从理论上讲，32Si不存在地下和现场来源[47]。来源单一，半衰期适中，生成速率相对恒定，具有稳定硅相同的化学和生物特性，同时还能够直接参与生物硅循环，具有不受外界非生源硅干扰等优点，因此32Si适用于研究50～1 000年时间尺度内海洋生物地球化学过程，近岸和大洋水体的混合、大洋环流、硅的生物地球化学循环，及海洋沉积速率或混合速率的测定等诸多海洋学问题。

3.1 32Si在海洋水体示踪中的应用

3.1.1 近岸和大洋水体混合的示踪

Lal 等[48]利用大洋沿海水中的硅质海绵中32Si示踪水体交换，计算沿海地区的硅收支，认为沿海水体中的硅实际上是一种大陆水体与不断地向沿海流动的开阔大洋表层和中层水体的混合物；不同类型水体的混合决定了沿海海体中32Si比活度。Lal and Somayaju 利用32Si作为示踪剂，通过简单的箱式模型讨论太平洋沿岸海区中不同水体所占的比例[49]：(1) 加利福尼亚沿岸海区的海水的主要来源是该海区的激烈上升流，而加利福尼亚海湾则主要以科罗拉多河的输入陆地水位主要来源；(2) 印度西海岸的海水的主要来源是阿拉伯海上升的深层水；(3) 中国东海海区主要是开阔大洋表层水位来源。

3.1.2 大洋环流的示踪

Somayajulu等[22]通过分析南太平洋水体中硅和32Si垂直剖面的数据，认为宇生32Si是一种很好的研究大洋水体循环的示踪剂。在GEOSECS调查中，Somayayjulu 等应用“Fe(OH)3合成纤维的现场富集技术”获得三大洋17 个溶解硅和32Si垂直剖面数据(大西洋5个、太平洋9个和印度洋3个)，并示踪研究三大洋间的水体交换[40-41]。在大西洋(4个调查站)海域，海水32Si比活度(32Si/SiO2比值)呈现出“表层最高(比底层约高2～4倍)、底层次之、中等最低”的分布特征[40]。研究发现，这种分布特征是由海水的垂直混合作用造成的。表层海水中由于外源性的大气32Si沉降输入，且Si浓度最低，因此32Si比活度(32Si/SiO2比值)最高；在中层水体中，含32Si的生物硅(如硅藻等)死亡后必然向海底沉降，在其未发生大量溶解之前，就会快速清除进入海底(海水-沉积物界面)，从而直接导致中层海水中32Si比活度最低；沉降到海底水-沉积物界面上生物硅和32Si会发生溶解，重新进入底层水体，从而造成底层水体中32Si比活度较高。有关南大洋(Southern Ocean)海域(大西洋1个调查站)海水中32Si过剩的原因[40]，作者认为这并不是由大气32Si直接沉降和南极洲(Antarctic)的冰雪融化等输入所造成的，而是由向南流动的深层海水中悬浮颗粒物中的32Si溶解所造成。太平洋和印度洋的35°N/S海域，海水中32Si比活度出现明确峰值[41]，这可能由于中纬度地区对流层“春季泄漏”增加或32Si半衰期较短造成。

然而Peng等(1993)认为GEOSECS调查32Si数据可能存在缺陷，不适合示踪大洋间水体的交换[50]。相反，Craig 等(2000)[7]通过重新分析GEOSECS调查数据提出了“原来富集的海水中SiO2实际上是生源颗粒SiO2和溶解SiO2所组成的两相混合物”观点，进一步确认GEOSECS调查中32Si数据准确性和利用32Si示踪研究大洋循环的可行性。

3.2 海洋中硅的生物地球化学循环的示踪

3.2.1 河口硅的地球化学行为的示踪

Nijampurkar 等[51]对法国Gironde河口的4个海水样品(每个水样体积为2 000 L)和1个河口悬浮物样品进行了32Si和硅分析，并尝试采用32Si示踪河口硅的地球化学行为。这是第一次采用32Si研究河口硅的地球化学行为，尤其对低叶绿素地区稳定硅过剩行为的尝试。

3.2.2 海洋中32Si与硅循环示踪研究

海洋中32Si与硅循环研究的观点主要有两个。(1) 1962年，Lal and Peters首先提出了深海中硅质骨架在沉达大洋海底之前重新溶解，且32Si全部溶解(进入沉积物的部分忽略不计)的观点[7]；Peng 等[50]分别采用一维垂直扩散-对流模型(a 1-D vertical diffusion-advection medol)、十箱“Pandora”箱式模型(a ten-box “Pandora” box medol)和汉堡包整体循环大洋模型(Hamburg general circulation ocean medol)等三种模型计算大洋深层水中32Si比活度；通过对比大洋中14C和溶解硅的数据认为在海洋内部，32Si输入通量与放射性衰变是完全平衡的，但是这与海洋地质证据存在矛盾。因此Peng 等认为GEOSECS的所有32Si数据可能存在缺陷。(2) Somayajulu 等[40]认为海水中绝大部分颗粒硅不发生溶解而直接沉到海底，只有极少的部分发生溶解并通过水-沉积物界面再次进入底层水体。由于海洋中Si的平均停留时间(104年) 远远大于32Si半衰期(大约50倍)，因此32Si主要存在大洋水体中，而进入沉积物中的32Si可以忽略不计(此时32Si停留时间等于平均寿命)。由于硅质介壳在水体中溶解速度较慢(在32Si的平均寿命的尺度内)，因此极少部分32Si仍然保留在水-沉积物界面上的短暂硅储库(transient silicon reservoir) 中。在大气输入32Si和放射性衰变稳态条件下，深层海水中32Si比活度可能比大气输入通量要低，这是由于沉积物中32Si放射性衰变造成的；在生物颗粒物溶解、或进入底层水体之前，硅质沉积物应该是32Si的暂时停留储库。基于上述理论，Craig(2000)[7]提出了单个大洋的中深层水体中32Si循环的简单模型。假设单个大洋中溶解硅的总量为NS，溶解硅中32Si输入通量为F*，令输入分数fS为快速到沉积物中、并在溶解之前经历了衰变的颗粒物的量与注入大洋底层水的生源颗粒物的量之间的比值，即

fs=进入大洋底层水体中的生源颗粒物/

快速沉降到沉积物中并在溶解前

经历了衰变的生源颗粒物

(1)

则进入沉积物中32Si的通量为fSF*，溶解进入深层水中32Si的通量为fSF*e-λτ，此处τ等于海底中硅的溶解进入底层水前的停留时间。因此，大洋中总溶解32Si的输入通量=F*(1+fSe-λτ)，而大洋深海中深层水中的32Si比活度AS：

AS=(F*/NS)[1-fS(1-e-λτ)]

(2)

综上知，将海洋中生源硅(生源二氧化硅)和32Si的循环加以总结，如图3所示。

3.3 32Si的放射性年代学研究

沉积物中生物硅非常稳定，并且生物硅中32Si记录海洋中硅循环的变化过程，载带千年尺度内生物对自然界气候变化的宝贵信息。由于32Si方法时空分辨率相对较高，因此在过去千年尺度的沉积物绝对年龄的测定方面具有很大潜力，这也将有助于鉴定人类对局部和全球环境变化过程的影响[29,52]。

图3 海洋中二氧化硅、生物硅和32Si的循环Fig.3 The cycle of silica, biogenic silica and Silicon-32 in the ocean

3.3.132Si测年可行性

32Si测年的必需具有两个前提条件：(1) 过去几个世纪中(1 800～1 400 AD)内32Si的大气输入通量恒定；(2) 在整个32Si从上覆水体中进入沉积物的过程中，含有32Si的生物硅累积都是连续性的过程。首先，由于海洋系统中水动力作用较为强烈，因此在海水中32Si被硅质有机体硅吸收之前，季节性变化输入到沉积物中32Si和生物硅的影响很大程度上就会消失；其次，由于沉积物岩芯中32Si含量较低，采样量较大，时间跨度大，因此，在32Si测年过程中“32Si季节效应”和“生物硅的生产季节性变化影响”完全可以忽略。另外，海洋是一个累积32Si的储库，深层海水继承了海洋中90%的32Si，在这个过程中深层海水的稳定硅充当32Si的载体相；因为深层海水的稳定硅也有一个大的储库，所以32Si和SiO2的两个大的储库能够缓冲/解海洋中这些Si同位素来源上的永久变化。因此，32Si从上覆水体到最终沉积的整个沉积过程内生物硅累积都是连续性的[15-16，29]。

自上世纪六十年代以来，许多学者都尝试利用32Si对年轻沉积物，特别是海洋和湖泊的沉积物测年。由于多种条件的限制，该方法仍然发展很慢。32Si在沉积物年代学中应用主要分为三个方面：(1) 有关深海沉积物年代学中应用；(2)32Si湖泊沉积物年代学中应用；(3)32Si近岸沉积物年代学中应用。

3.3.2 在深海沉积物年代学中应用

Goldberg 等曾经尝试用加利福尼亚海湾(California bay)的岩芯进行32Si测年，但没有成功；Kharkar 等采用32Si方法测定南极地区的硅质沉积物在过去1 000年内沉积速率为4.7×10-3mm/y(T1/2=500 a)[53-54]。同样在105年时间尺度内，该地区的沉积速率约为0.5×10-3mm/a (230Th方法，T1/2=75 200 a)，Kharkar 等认为或许最近几千年内的堆积速率异常快，或者在105a时间内随着时间流逝，最初沉积物约有97%因扬沙、滑坡或溶解等作用而移除，使得长时期堆积速率减小为快速堆积的1/80。DeMaster认为生物扰动严重影响可能是造成32Si测量结果偏高的原因，显然该测量结果的不确定性需进一步努力才能加以解决(赖利,1985)[55]。

DeMaster[27]和DeMaster等[28]采用210Pbex和32Si方法测量深海岩芯的颗粒混和速率：南极硅质沉积物的210Pbex混合系数(0.04～0.16 cm/a)同32Si混合系数(0.2或0.4 cm/a分别采用32Si半衰期276年或105年计算)相吻合，而赤道太平洋深海沉积物的210Pbex混合系数(0.22 cm/a)约为32Si(0.03或0.07 cm/a)的3～7倍。太平洋深海岩芯中210Pbex和32Si混合速率差异原因：(1) 非稳态混合、两种核素的特征时间和深度尺度存在的差异；(2) 含大量210Pb的细粒径的粘土颗粒物比含32Si的粗粒径的颗粒物(如大型的放射虫)更容易优先混合；(3) 或者海底锰结核底部的222Rn的供应从而造成深层海水中210Pb活度增加，从而使210Pbex混合系数增加。

3.3.332Si湖泊沉积物年代学中应用

Krishnaswamy等[56]采用210Pbex，55Fe和137C方法测定湖泊沉积物年代，同时成功检测出32Si的活度，预言32Si很有希望成为一种很有用的、2000年时间尺度内(当时采用半衰期为500 a)沉积物的测定年代方法。 Martin等[57]利用32Si和210Pbex方法测定了法国Pavin lake(Masif Central)的沉积物的沉积速率。Nijampurkar等[25]通过测定一个来自瑞典北部 Kasjon lake中的已知年龄的纹泥沉积物岩芯中32Si分布，成功推算出32Si 的半衰期为(178±10)年。

3.3.432Si近岸沉积物年代学中应用

DeMater[16]根据美国加利福尼亚海湾岩芯中生物硅中32Si比活度指数递减规律计算出32Si的半衰期为(276±32)年。Morgenstern 等[29]采用32Si与210Pbex结合进行千年尺度内沉积物测年，提出孟加拉湾大陆架的浅海沉积物的新32Si的年代。研究结果(图4)显示，最近100年内该海域的沉积物速率(210Pbex方法)远小于1900年以前的沉积速率(32Si方法)(两种方法相差4倍)，这是因为19世纪该地区开始大规模森林开伐，从而导致海岸侵蚀、水土流失加剧和近岸海域沉积物沉积。对于未来的千年尺度内的古气候研究，Geyh (2001)[58]认为应该包括32Si和210Pbex两种测年方法结果，并预言在AMS直接测量法成功替代液体闪烁计数间接法(间接测定32P)测量32Si之后，32Si测年方法将为古气候学，地球科学和考古学等研究开辟更为广阔的前景。

图4 孟加拉湾大陆架的浅海沉积物岩芯So93/105KL的32Si 和 210Pbex 测年结果[29]Fig.4 32Si and 210Pbex age-depth profiles in the sediment core So93/105KL from the Bangladesh continental shelf[29]

3.4 人工32Si在海洋学中的应用

近年来人工32Si在海洋学中的研究发展较快，主要海洋水体中生物硅生产率/力示踪研究，而反映沉积物中生物硅的生产率的历史和环境变化的信息还不多。上世纪90年代以前，全球有关直接测定海洋中生物硅的生产率数据很少，因为主要采用稳定的29Si和30Si同位素方法示踪，稳定同位素方法处理费时和冗长乏味[46，60-62]。目前普遍采用32Si代替稳定29Si和30Si来示踪测量水体中生产速率[62-70]，32Si方法不仅有助于改善实验条件，而且节省了人力物力。

除海洋学外，32Si在冰川学[15-16，8，71]， 水文学[3，73-81]，以及土壤动力学[81-82]等诸多学科中都有广范的应用。

4 32Si示踪应用中存在的问题

(1) 截止目前世界上还没有一个公认的32Si的半衰期值，这给32Si的应用带来一定的困难。

(2) 天然32Si比活度非常低而稳定硅含量非常高(即天然32Si/Si比值较小)，测量较为困难。虽然AMS具有准确度高,检测极限低, 所需样品量少等优点，但是截止目前大多数加速器质谱计测定32Si/Si 比值的精度为10-10～10-8，最低才能达到10-15，只有雨水和冰川雪和冰的32Si/Si高于AMS的10-15检测极限，还不能测定活度更低的土壤或沉积物样品[3，75]。

(3)32Si测年法的误差。Anderson 等[81]发现了硅藻细胞壁的降解/溶解在整个岩芯中的沉积物中可能存在微小的扩散，可能造成32Si法测年误差；鉴于上述原因以及过去几个世纪内的宇宙射线变化影响，DeMater[16]认为用32Si进行沉积物测年可能会存在5%～10% (即10～20 a)的误差。

(4) 由于天然样品中32Si含量非常低，Nijampurkar 等[25]认为在现在技术条件下32Si只能用来作为过去50～500 年间的一个地质计时钟；Morgenstern 等[29]也发现32Si检测年限(600 a)比预期的1 000 a稍微偏低。

(5) 从目前文献来看，32Si的深海沉积物、近岸沉积物、湖泊沉积物的测年结果与其他测年方法(如230Thex，210Pbex,14C和纹泥测年法)的结果仍然存在一定差异，且造成误差的原因还有待进一步探讨。因此，在应用32Si方法进行沉积物测年时，建议要尽可能与其他测年方法相结合应用，尽可能减少或避免32Si与其他方法结果误差，同时也有助于进一步验证32Si测年模型的可行性，尽可能确定沉积物的年龄，真实地揭示沉积环境演变的信息。

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Study on a Cosmic-ray-produced Silicon-32 as a Tracer for Ocean Processes

ZHOU Peng1, LI Dong-mei1, LIU Guang-shan2, CAI Wei-xu1, HUANG Chu-guang1, FANG Hong-da1, JI Li-hong3

(1.SouthChinaSeaenvironmentmonitoringcenter,StateOceanAdministrationPeople’sRepublicofChina(SOA),Guangzhou510300,China；2.CollegeoftheEnvironmentandEcology(CEE),XiamenUniversity,Fujian361005,China;3.LinyiUnivirsity,Linyi276000,China)

The isotope silicon-32, with a half-life of approximately 150 years, is a cosmic-ray-produced radioactive nuclide in the atmosphere. Due to its single source and the relatively constant production rate, silicon-32 with its chemical and biological characteristics like the other stable silicon isotopes always has been seen as an ideal clock and tracer which has the potential to fill the dating time-gap and to understand marine from 50 to 1 000 years geochemical-geophysical processes, e.g. the seawater mixing process in offshore and ocean, the geochemistry and cycle of silica in estuary and ocean, the particles mixing process in the deep sea bed, as well as the estimation of the sediment deposition rate and the establishment of the time-sequence to reflect the past marine environmental changes.

silicon-32; cosmic-ray-produced radioactive nuclide; tracer; ocean processes

10.7538/tws.2015.28.01.0007

2014-04-27;

2014-11-12

国家海洋公益性行业科研专项项目(201105003).

周 鹏(1976—)，男，河南开封人，工程师(硕士)，从事海洋环境放射性监测与评价、海洋核事故应急监测与评价、同位素海洋学研究等工作

TL99；P76

A

1000-7512(2015)01-0007-13