Палетермометр

Палеотермометр — это методология, позволяющая оценить температуру окружающей среды во время образования природного материала. Большинство палеотермометров основаны на эмпирически калиброванных косвенных соотношениях, таких как методы годичных колец или методы TEX ₈₆ . Изотопные методы, такие как δ ¹⁸O-метод или метод слипшихся изотопов способны обеспечить, по крайней мере теоретически, прямые измерения температуры.

Обычные палеотермометры

$д$ ¹⁸ТО

Изотопное соотношение ¹⁸Вот и все ¹⁶O, обычно в пробах или ледяных кернах. Высокие значения означают низкие температуры. Смущает объем льда: больше льда означает более высокое $δ.$ ¹⁸О значения.

Океанская вода в основном состоит из H ₂¹⁶О, с небольшим количеством HD ¹⁶О и Н ₂¹⁸O. В стандартной средней океанской воде (SMOW) соотношение D к H составляет 155,8 × 10. ⁻⁶ и ¹⁸Т/ ¹⁶О — 2005 × 10 ⁻⁶. Фракционирование происходит во время смены конденсированной и паровой фаз: давление пара более тяжелых изотопов ниже, поэтому пар содержит относительно больше более легких изотопов, а когда пар конденсируется, осадки преимущественно содержат более тяжелые изотопы. Отличие от SMOW выражается как

\delta {\ce {^{18}O}}=1000\times \left[{\ce {{\frac {^{18}O}{^{16}O}}}}{\Bigg /}\left({\ce {{\frac {^{18}O}{^{16}O}}}}\right)_{{\ce {SMOW}}}-1\right]

;

и аналогичная формула для δD . $δ$ ¹⁸Значения O для осадков всегда отрицательны. Основное влияние на $δ$ ¹⁸О — разница между температурами океана, где испарялась влага, и места, где выпали окончательные осадки; поскольку температура океана относительно стабильна, $δ$ ¹⁸Значение O в основном отражает температуру, при которой выпадают осадки. Учитывая, что осадки формируются над инверсионным слоем , остается линейная зависимость:

\delta {\ce {^{18}O}}=aT+b

который эмпирически калибруется по измерениям температуры и $δ$ ¹⁸O as a = 0,67‰/°C для Гренландии и 0,76‰/°C для Восточной Антарктиды . Первоначально калибровка проводилась на основе пространственных изменений температуры и предполагалось, что это соответствует временным изменениям (Jousel, Merlivat, 1984). Совсем недавно скважинная термометрия показала, что для ледниково-межледниковых изменений a = 0,33‰/°C (Cuffey et al., 1995), подразумевая, что изменения ледниково-межледниковой температуры были вдвое больше, чем считалось ранее.

Mg/Ca и Sr/Ca

Магний (Mg) входит в состав кальцитовых раковин (панцирей) планктонных и донных фораминифер в качестве микроэлемента. ^[1] Поскольку включение Mg в качестве примеси в кальцит является эндотермическим, при более высоких температурах в растущий кристалл попадает больше магния. ^[2] Следовательно, высокое соотношение Mg/Ca подразумевает высокую температуру, хотя экологические факторы могут искажать сигнал. Mg имеет длительное время пребывания в океане, поэтому можно в значительной степени игнорировать влияние изменений Mg/Ca в морской воде на сигнал. ^[3] Соотношение Mg/Ca иногда может занижать температуру морской воды из-за растворения раковин фораминифер, что снижает значения Mg/Ca. ^[4]

Стронций (Sr) входит в состав кораллового арагонита, ^[5]^[6] и точно установлено, что точное соотношение Sr/Ca в скелете коралла демонстрирует обратную корреляцию с температурой морской воды во время ее биоминерализации. ^[7]^[8]

Алкеноны

Распределение органических молекул в морских отложениях отражает температуру.

Физиогномика листа

Характерные размеры листьев, форма и распространенность таких особенностей, как кончики капель («физиономия листьев или листьев») различаются в тропических лесах (многие виды с большими листьями с гладкими краями и кончиками капель) и лиственными лесами умеренного пояса (распространены классы листьев меньшего размера, зубчатые края обычны), и часто он постоянно меняется в зависимости от климатических градиентов, например, от жаркого климата к холодному или от высокого к низкому количеству осадков. ^[9] Эти различия между участками по градиентам окружающей среды отражают адаптивные компромиссы присутствующих видов, чтобы сбалансировать потребность в улавливании световой энергии, управлении притоком и потерей тепла, одновременно максимизируя эффективность газообмена, транспирации и фотосинтеза . Количественный анализ физиогномики листьев современной растительности и климатических реакций вдоль экологических градиентов был в основном одномерным , но многомерные подходы интегрируют множество характеристик листьев и климатических параметров. Температура была оценена (с разной степенью точности) с использованием физиогномики листьев позднемеловых и кайнозойских листовых флор, в основном с использованием двух основных подходов: ^[10]

Анализ края листа

Одномерный . подход, основанный на наблюдении, что доля древесных видов двудольных с гладкими (т. е. беззубчатыми) краями листьев (0 ≤ P _края ≤ 1) в растительности изменяется пропорционально средней годовой температуре (MAT) ^[11]). ^[12] Требует разделения ископаемой флоры на морфотипы (т.е. «виды»), но не требует их идентификации. Исходное уравнение регрессии LMA было получено для лесов Восточной Азии: ^[13] и это:

MAT = 1,141 +(30,6 × P _запас ), стандартная ошибка ± 2,0 °C

( 1 )

Ошибка оценки LMA выражается как биномиальная ошибка выборки: ^[14]

\sigma \lbrack {\text{LMA}}\rbrack =c{\sqrt {\frac {P_{\text{margin}}(1-P_{\text{margin}})}{r}}}

( 2 )

где c — наклон уравнения регрессии LMA, P _{-предел} , используемый в ( 1 ), а r — количество видов, оцененных по типу края листа для отдельной флоры ископаемых листьев. Калибровки LMA были рассчитаны для основных регионов мира, включая Северную Америку, ^[15] Европа, ^[16] Южная Америка, ^[17] и Австралия. ^[18] В прибрежных зонах и водно-болотных угодьях уравнение регрессии немного отличается, поскольку здесь пропорционально меньше растений с гладкими краями. Это ^[19]

MAT = 2,223 +(36,3 × P _запас ), стандартная ошибка ± 2,0 °C

( 1′ )

CLAMP (многомерная программа климатического анализа листьев)

CLAMP — это многомерный подход, в основном основанный на наборе данных преимущественно о растительности западного полушария. ^[20] впоследствии к ним были добавлены наборы данных из дополнительной региональной растительности мира. ^[21]^[22] Канонический корреляционный анализ используется для объединения 31 признака листа, но тип края листа представляет собой важный компонент взаимосвязи между физиогномическим состоянием и температурой. Используя CLAMP, MAT оценивается с небольшими стандартными ошибками (например, CCA ± 0,7–1,0 °C). Дополнительные параметры температуры можно оценить с помощью CLAMP, такие как средняя температура самого холодного месяца (CMMT) и средняя температура самого теплого месяца (WMMT), которые дают оценки для средних зимних и летних условий соответственно.

Ближайшая относительная аналогия / анализ сосуществования

Некоторые растения предпочитают определенные температуры; если их пыльца будет найдена, можно определить приблизительную температуру.

¹³С- ¹⁸О-связи в карбонатах

Существует небольшая термодинамическая тенденция к образованию связей между тяжелыми изотопами, превышающая ту, которую можно было бы ожидать от стохастического или случайного распределения одной и той же концентрации изотопов. Избыток наибольший при низкой температуре (см. уравнение Ван 'т-Гоффа ), при этом изотопное распределение становится более хаотичным при более высокой температуре. Наряду с тесно связанным явлением равновесного фракционирования изотопов , этот эффект возникает из-за различий в нулевой энергии между изотопологами . Карбонатные минералы, такие как кальцит, содержат CO _3.²⁻ группы, которые можно превратить в газообразный CO ₂ при взаимодействии с концентрированной фосфорной кислотой. Газ CO ₂ анализируется с помощью масс-спектрометра для определения содержания изотопологов. Параметр Δ ₄₇ представляет собой измеренную разницу концентраций изотопологов с массой 47 ед . (по сравнению с 44) в образце и гипотетическом образце с тем же валовым изотопным составом, но стохастическим распределением тяжелых изотопов. Лабораторные эксперименты, квантово-механические расчеты и природные образцы (с известными температурами кристаллизации) показывают, что Δ ₄₇ коррелирует с обратным квадратом температуры . Таким образом, измерения Δ ₄₇ позволяют оценить температуру образования карбоната. ¹³С- ¹⁸O палеотермометрия не требует предварительного знания концентрации ¹⁸O в воде (которую δ ¹⁸О метод делает). Это позволяет ¹³С- ¹⁸O палеотермометр, который можно применять к некоторым образцам, включая пресноводные карбонаты и очень древние породы, с меньшей неоднозначностью, чем другие методы, основанные на изотопах. В настоящее время метод ограничен очень низкой концентрацией изотопологов с массой 47 или выше в CO ₂ , получаемом из природных карбонатов, а также нехваткой приборов с соответствующими детекторными матрицами и чувствительностью. Изучение этих типов реакций изотопного упорядочения в природе часто называют геохимией «слипшихся изотопов» . ^[23]^[24]

См. также

Ссылки

^ Брэнсон, Оскар; Редферн, Саймон А.Т.; Тылищак, Толек; Садеков, Алексей; Лангер, Джеральд; Кимото, Кацунори; Элдерфилд, Генри (1 декабря 2013 г.). «Координация магния в фораминиферовом кальците» . Письма о Земле и планетологии . 383 : 134–141. Бибкод : 2013E&PSL.383..134B . дои : 10.1016/j.epsl.2013.09.037 .
^ Кац, Амитай (июнь 1973 г.). «Взаимодействие магния с кальцитом при росте кристаллов при 25–90 ° C и одной атмосфере». Geochimica et Cosmochimica Acta . 37 (6): 1563–1586. Бибкод : 1973GeCoA..37.1563K . дои : 10.1016/0016-7037(73)90091-4 .
^ Лир, Швейцария ; Розенталь, Ю.; Слоуи, Н. (2002). «Бентосные фораминиферы Mg/Ca-палетермометрия: пересмотренная калибровка керна по кровле». Geochimica et Cosmochimica Acta . 66 (19): 3375–3387. Бибкод : 2002GeCoA..66.3375L . дои : 10.1016/S0016-7037(02)00941-9 .
^ Ловенштейн, Тим К.; Хёниш, Бербель (21 июля 2017 г.). «Использование Mg/Ca в качестве показателя температуры морской воды» . Документы Палеонтологического общества . 18 :85–100. дои : 10.1017/S1089332600002564 . Проверено 14 июля 2023 г.
^ Кейси, Вашингтон; Рок-ПА; Чунг Дж.Б.; Уоллинг Э.М.; Макбит МК (1996). "Энергии Гиббса образования твердых растворов карбонатов металлов - 2" . Являюсь. J. Sci . 296 (1): 1–22. Бибкод : 1996AmJS..296....1C . дои : 10.2475/ajs.296.1.1 .
^ Руис-Эрнандес, SE; Грау-Креспо, Р.; Руис-Сальвадор, Арканзас; Де Леу, Нью-Хэмпшир (2010). «Термохимия включения стронция в арагонит на основе атомистического моделирования». Geochimica et Cosmochimica Acta . 74 (4): 1320–1328. Бибкод : 2010GeCoA..74.1320R . дои : 10.1016/j.gca.2009.10.049 . hdl : 1834/4103 .
^ Вебер, Дж. Н. (1973). «Включение стронция в скелетный карбонат рифовых кораллов». Geochimica et Cosmochimica Acta . 37 (9): 2173–2190. Бибкод : 1973GeCoA..37.2173W . дои : 10.1016/0016-7037(73)90015-X .
^ Де Вильерс, С.; Шен, GT; Нельсон, Б.К. (1994). «Температурная зависимость Sr/Ca в кораллиновом арагоните - влияние изменчивости морской воды (Sr/Ca) и параметров роста скелета». Geochimica et Cosmochimica Acta . 58 (1): 197–208. Бибкод : 1994GeCoA..58..197D . дои : 10.1016/0016-7037(94)90457-X .
^ Бейли, И.В. и Синнотт, Э.В., 1916. Климатическое распространение некоторых видов листьев покрытосеменных. Американский журнал ботаники 3, 24–39.
^ Гринвуд, Д.Р. 2007. Североамериканские эоценовые листья и климат: от Вулфа и Дилчера до Бёрнема и Уилфа. В: Ярзен Д., Реталлак Г., Ярзен С. и Манчестер С. (ред.) Достижения в мезозойской и кайнозойской палеоботанике: исследования, посвященные Дэвиду Л. Дилчеру и Джеку А. Вулфу. Курьер Форшунгсинститута Зенкенберга 258: 95 – 108.
^ часто пишется как «среднегодовая температура»; среднее значение среднемесячных дневных температур воздуха для данного местоположения.
^ Вулф, Дж. А. 1979. Температурные параметры влажных и мезических лесов Восточной Азии и связь с лесами других регионов Северного полушария и Австралазии. Статья профессора Геологической службы США 1106, 1–37.
^ Уинг, С.Л. и Гринвуд, Д.Р. 1993. Ископаемые и ископаемый климат: аргументы в пользу ровных континентальных интерьеров эоцена. Философские труды Лондонского королевского общества B 341, 243–252.
^ Уилф, П. 1997. Когда листья являются хорошими термометрами? Новый кейс для анализа полей листьев. Палеобиология 23, 373–90.
^ Миллер, И.М., Брэндон, М.Т. и Хики, Л.Дж., 2006. Использование анализа краев листьев для оценки палеошироты среднего мела (альбского периода) блока Баха, Британская Колумбия. Письма о Земле и планетологии 245: 95–114.
^ Трейзер К., Клотц С., Уль Д. и Мосбругер В. 2005. Сигналы окружающей среды от листьев – физиогномический анализ европейской растительности. Новый фитолог 166: 465–484.
^ Ковальски, Е.А., 2002. Оценка среднегодовой температуры на основе морфологии листьев: тест из тропической Южной Америки. Палеогеография, Палеоклиматология, Палеоэкология 188: 141-165.
^ Гринвуд, Д.Р., Уилф, П., Винг, С.Л. и Кристофель, округ Колумбия, 2004. Оценка палеотемпературы с использованием анализа краев листьев: отличается ли Австралия? ПАЛЕОС 19 (2), 129–142.
^ САНДЕРЛИН, Д.; ЛООПЕ, Г.; ПАРКЕР, штат Невада; УИЛЬЯМС, CJ (01.06.2011). «Палеоклиматические и палеоэкологические последствия палеоцен-эоценового комплекса ископаемых листьев, формация Чикалун, Аляска». ПАЛЕОС . 26 (6): 335–345. Бибкод : 2011Палай..26..335S . дои : 10.2110/palo.2010.p10-077r . ISSN 0883-1351 . S2CID 54015435 .
^ Вулф, Дж. А. 1993. Метод получения климатических параметров по наборам листьев. Бюллетень геологической службы США , 2040 г., 73 стр.
^ Спайсер, РА, 2008. ЗАЖИМ. В: В. Горниц (редактор), Энциклопедия палеоклиматологии и древней среды . Спрингер, Дордрехт, стр. 156–158.
^ ЗАЖИМ онлайн. «ЗАЖИМ1.HTM» . Архивировано из оригинала 13 августа 2011 г. Проверено 18 мая 2011 г.
^ Эйлер Дж. М. (2007). « Геохимия «слипшихся изотопов» - изучение встречающихся в природе многократно замещенных изотопологов». Письма о Земле и планетологии . 262 (3–4): 309–327. Бибкод : 2007E&PSL.262..309E . дои : 10.1016/j.epsl.2007.08.020 .
^ Бернаскони, Стефано М.; Шмид, Томас В.; Грауэль, Анна-Лена; Муттерлозе, Йорг (июнь 2011 г.). «Геохимия слипшихся изотопов карбонатов: новый инструмент для реконструкции температуры и изотопного состава кислорода морской воды». Прикладная геохимия . 26 : С279-С280. Бибкод : 2011ApGC...26S.279B . doi : 10.1016/j.apgeochem.2011.03.080 .

[1] Брэнсон, Оскар; Редферн, Саймон А.Т.; Тылищак, Толек; Садеков, Алексей; Лангер, Джеральд; Кимото, Кацунори; Элдерфилд, Генри (1 декабря 2013 г.). «Координация магния в фораминиферовом кальците» . Письма о Земле и планетологии . 383 : 134–141. Бибкод : 2013E&PSL.383..134B . дои : 10.1016/j.epsl.2013.09.037 .

[2] Кац, Амитай (июнь 1973 г.). «Взаимодействие магния с кальцитом при росте кристаллов при 25–90 ° C и одной атмосфере». Geochimica et Cosmochimica Acta . 37 (6): 1563–1586. Бибкод : 1973GeCoA..37.1563K . дои : 10.1016/0016-7037(73)90091-4 .

[3] Лир, Швейцария ; Розенталь, Ю.; Слоуи, Н. (2002). «Бентосные фораминиферы Mg/Ca-палетермометрия: пересмотренная калибровка керна по кровле». Geochimica et Cosmochimica Acta . 66 (19): 3375–3387. Бибкод : 2002GeCoA..66.3375L . дои : 10.1016/S0016-7037(02)00941-9 .

[4] Ловенштейн, Тим К.; Хёниш, Бербель (21 июля 2017 г.). «Использование Mg/Ca в качестве показателя температуры морской воды» . Документы Палеонтологического общества . 18 :85–100. дои : 10.1017/S1089332600002564 . Проверено 14 июля 2023 г.

[5] Кейси, Вашингтон; Рок-ПА; Чунг Дж.Б.; Уоллинг Э.М.; Макбит МК (1996). "Энергии Гиббса образования твердых растворов карбонатов металлов - 2" . Являюсь. J. Sci . 296 (1): 1–22. Бибкод : 1996AmJS..296....1C . дои : 10.2475/ajs.296.1.1 .

[6] Руис-Эрнандес, SE; Грау-Креспо, Р.; Руис-Сальвадор, Арканзас; Де Леу, Нью-Хэмпшир (2010). «Термохимия включения стронция в арагонит на основе атомистического моделирования». Geochimica et Cosmochimica Acta . 74 (4): 1320–1328. Бибкод : 2010GeCoA..74.1320R . дои : 10.1016/j.gca.2009.10.049 . hdl : 1834/4103 .

[7] Вебер, Дж. Н. (1973). «Включение стронция в скелетный карбонат рифовых кораллов». Geochimica et Cosmochimica Acta . 37 (9): 2173–2190. Бибкод : 1973GeCoA..37.2173W . дои : 10.1016/0016-7037(73)90015-X .

[8] Де Вильерс, С.; Шен, GT; Нельсон, Б.К. (1994). «Температурная зависимость Sr/Ca в кораллиновом арагоните - влияние изменчивости морской воды (Sr/Ca) и параметров роста скелета». Geochimica et Cosmochimica Acta . 58 (1): 197–208. Бибкод : 1994GeCoA..58..197D . дои : 10.1016/0016-7037(94)90457-X .

[9] Бейли, И.В. и Синнотт, Э.В., 1916. Климатическое распространение некоторых видов листьев покрытосеменных. Американский журнал ботаники 3, 24–39.

[10] Гринвуд, Д.Р. 2007. Североамериканские эоценовые листья и климат: от Вулфа и Дилчера до Бёрнема и Уилфа. В: Ярзен Д., Реталлак Г., Ярзен С. и Манчестер С. (ред.) Достижения в мезозойской и кайнозойской палеоботанике: исследования, посвященные Дэвиду Л. Дилчеру и Джеку А. Вулфу. Курьер Форшунгсинститута Зенкенберга 258: 95 – 108.

[11] часто пишется как «среднегодовая температура»; среднее значение среднемесячных дневных температур воздуха для данного местоположения.

[12] Вулф, Дж. А. 1979. Температурные параметры влажных и мезических лесов Восточной Азии и связь с лесами других регионов Северного полушария и Австралазии. Статья профессора Геологической службы США 1106, 1–37.

[13] Уинг, С.Л. и Гринвуд, Д.Р. 1993. Ископаемые и ископаемый климат: аргументы в пользу ровных континентальных интерьеров эоцена. Философские труды Лондонского королевского общества B 341, 243–252.

[14] Уилф, П. 1997. Когда листья являются хорошими термометрами? Новый кейс для анализа полей листьев. Палеобиология 23, 373–90.

[15] Миллер, И.М., Брэндон, М.Т. и Хики, Л.Дж., 2006. Использование анализа краев листьев для оценки палеошироты среднего мела (альбского периода) блока Баха, Британская Колумбия. Письма о Земле и планетологии 245: 95–114.

[16] Трейзер К., Клотц С., Уль Д. и Мосбругер В. 2005. Сигналы окружающей среды от листьев – физиогномический анализ европейской растительности. Новый фитолог 166: 465–484.

[17] Ковальски, Е.А., 2002. Оценка среднегодовой температуры на основе морфологии листьев: тест из тропической Южной Америки. Палеогеография, Палеоклиматология, Палеоэкология 188: 141-165.

[18] Гринвуд, Д.Р., Уилф, П., Винг, С.Л. и Кристофель, округ Колумбия, 2004. Оценка палеотемпературы с использованием анализа краев листьев: отличается ли Австралия? ПАЛЕОС 19 (2), 129–142.

[19] САНДЕРЛИН, Д.; ЛООПЕ, Г.; ПАРКЕР, штат Невада; УИЛЬЯМС, CJ (01.06.2011). «Палеоклиматические и палеоэкологические последствия палеоцен-эоценового комплекса ископаемых листьев, формация Чикалун, Аляска». ПАЛЕОС . 26 (6): 335–345. Бибкод : 2011Палай..26..335S . дои : 10.2110/palo.2010.p10-077r . ISSN 0883-1351 . S2CID 54015435 .

[20] Вулф, Дж. А. 1993. Метод получения климатических параметров по наборам листьев. Бюллетень геологической службы США , 2040 г., 73 стр.

[21] Спайсер, РА, 2008. ЗАЖИМ. В: В. Горниц (редактор), Энциклопедия палеоклиматологии и древней среды . Спрингер, Дордрехт, стр. 156–158.

[22] ЗАЖИМ онлайн. «ЗАЖИМ1.HTM» . Архивировано из оригинала 13 августа 2011 г. Проверено 18 мая 2011 г.

[Eiler2007-23] Эйлер Дж. М. (2007). « Геохимия «слипшихся изотопов» - изучение встречающихся в природе многократно замещенных изотопологов». Письма о Земле и планетологии . 262 (3–4): 309–327. Бибкод : 2007E&PSL.262..309E . дои : 10.1016/j.epsl.2007.08.020 .

[24] Бернаскони, Стефано М.; Шмид, Томас В.; Грауэль, Анна-Лена; Муттерлозе, Йорг (июнь 2011 г.). «Геохимия слипшихся изотопов карбонатов: новый инструмент для реконструкции температуры и изотопного состава кислорода морской воды». Прикладная геохимия . 26 : С279-С280. Бибкод : 2011ApGC...26S.279B . doi : 10.1016/j.apgeochem.2011.03.080 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]

[18]

[19]

[20]

[21]

[22]

[23]

[24]