姜高磊，劉林敬，毛欣

1. 中國地質(zhì)科學院水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所，石家莊 050061

2. 中國地質(zhì)科學院第四紀年代學與水文環(huán)境演變重點實驗室，石家莊 050061

介形類是海洋、湖泊、河流等水域中廣泛存在的一種節(jié)肢類小型甲殼動物，以淺海和靜水湖泊中最為豐富[1-3]。湖泊中的介形類一般營底棲生活，棲息于沉積物表面、沉積物內(nèi)部（鉆掘深度通常＜1 cm）或者水草叢中，取食各種有機質(zhì)，包括藻類、原生動物、植物殘體等[1-2]。

大多數(shù)介形類的壽命短于一年，多數(shù)為幾周至幾個月。介形類以蛻殼的方式進行生長，由卵孵化成幼蟲稱為第一齡期，當身體生長對殼體來說已經(jīng)過大時，堅硬的雙殼脫落，隨之身體迅速增長和發(fā)育，同時形成新的殼并鈣化，其完整的生命周期要經(jīng)歷8 個這樣的齡期，蛻殼8 次，在沉積物中留下9 對鈣質(zhì)外殼[1,4]。

介形類殼體大小多數(shù)為0.5～2 mm，主要由低鎂方解石組成，且殼體的組成物質(zhì)幾乎全部來自于其生存的水體[5]。介形類每次蛻殼，新殼殼體的鈣化時間特別短，一般為幾個小時至幾天時間[6]，在鈣化過程中介形蟲吸收宿生水體中的離子進行殼體的鈣化，介形蟲除了吸收殼體主要組成物質(zhì)Ca 離子、碳酸根離子之外，還會吸收一些其他微量元素，如Mg、Sr、Ba 等（圖1），且這些元素的含量及其之間的比值受水溫、水化學參數(shù)等因素的影響[7-10]。由于不同物種具有特定的生存微環(huán)境，且對其宿生水體的水化學條件的變化極其敏感，而且低鎂方解石相對比較穩(wěn)定，可以在沉積物中長期保存，不易受后期成巖作用的影響，介形類殼體中的微量元素及其比值通常被作為重建古環(huán)境、古水文的重要指標[11-19]。

圖1 介形類殼體微量元素比值(中心介形類為意外湖花介左殼；據(jù)文獻[8]修改)Fig.1 Trace element ratio of an ostracod shell （a left valve of Limnocythere inopinata in the center; modified from reference[8]）

湖湘介形類殼體微量元素在重建古環(huán)境中的應(yīng)用始于20 世紀80 年代[20-23]，在應(yīng)用過程中出現(xiàn)了一些問題，方法也在不斷地完善和修正。本文在文獻研讀的基礎(chǔ)上，嘗試總結(jié)前人利用介形類殼體微量元素（主要指Mg 和Sr）定量重建古環(huán)境工作中的成果和遇到的問題，對未來研究工作進行展望。

1 研究歷史及應(yīng)用原理

在20 世紀80 年代，Chivas 等[20]提出非海相介形類殼體中的Mg、Sr 和Ba 微量元素與其宿生水體中對應(yīng)的微量元素成比例，殼體中的微量元素含量可以用來進行定量恢復(fù)其宿生水體的微量元素組成。之后，Chivas 等[21]利用澳大利亞東南部的Keilambete 湖泊中現(xiàn)生介形類Australocypris robusta殼體中Sr/Ca 比值和湖水中Sr/Ca 比值計算出其殼體的Sr 分配系數(shù)Kd為0.082。計算公式如下：

式中：Sr/Ca 比值為摩爾比。利用計算得出的分配系數(shù)和湖泊沉積物中的介形類殼體中的Sr/Ca 比值，定量恢復(fù)了Keilambete 湖一萬年以來湖水鹽度變化。但在之后一年，Chivas 等[22-23]在介形類培養(yǎng)試驗和野外調(diào)查研究過程中發(fā)現(xiàn)，介形類殼體中的Mg 的分配不僅與宿生水體的Mg/Ca 比值有關(guān)，而且受溫度和個體生長階段的影響，而Sr 的分配與宿生水體中的Sr/Ca 和鹽度有關(guān)[7,24]。之后越來越多的學者注意到其他地區(qū)介形類殼體中Mg 的含量也受宿生水體溫度的影響[25-27]，而且溫度對介形類殼體中Mg/Ca 比值的影響量很大，20 ℃的溫度變化可以引起Mg/Ca 比值50%的變化[28]。因此，學者們將介形類殼體中Mg 的分配系數(shù)計算公式表達如下：

式中：Mg/Ca 比值為摩爾比。當介形蟲宿生水體中的Mg/Ca 比值較為恒定時，殼體中的Mg/Ca 比值可以反映宿生水體的溫度變化，這也是利用海水介形類殼體中Mg/Ca 比值定量重建湖水[29]或海水[30-31]溫度的基本原理。

利用上述介形類殼體中微量元素與宿生水體中的微量元素的關(guān)系可以定性或者定量地進行古環(huán)境重建。定性重建古環(huán)境主要是利用介形類殼體中微量元素比值M/Ca 隨著湖泊沉積物的深度（時間）序列的變化趨勢，定性地描述湖泊演化過程中湖泊水化學的變化趨勢。如，Zhai 等[15]在呼倫湖利用介形類（意外湖花介Limnocythere inopinata）殼體中的Mg/Ca 和Sr/Ca 比值結(jié)合其他指標定性地重建了11 000 年以來湖泊水文演化歷史。定量重建古環(huán)境的基本流程如下：首先通過調(diào)查現(xiàn)生湖泊中介形類殼體中M/Ca（M 指Mg 和Sr）比值與湖水的M/Ca 比值確定現(xiàn)生介形類殼體的分配系數(shù)Kd[M]；與此同時需要調(diào)查研究現(xiàn)代湖水中的M/Ca 比值與古環(huán)境指標（多指古鹽度）的關(guān)系，建立定量關(guān)系式。然后利用沉積物中的介形類殼體化石中的M/Ca 比值和已經(jīng)獲得的分配系數(shù)Kd[M]，推算得出古湖水中的M/Ca 比值，代入M/Ca 比值與古環(huán)境指標的關(guān)系式進行定量重建[16]。依據(jù)以上原理，在之后的二三十年里，這種方法在很多地區(qū)廣泛使用進行古環(huán)境的定量重建，如牙買加的Wallywash Great Pond[32]、澳大利亞的中部Frome 湖泊[33]、意大利南部的西西里島湖泊[17]以及我國的內(nèi)蒙古岱海[11]、新疆博思騰湖[34]。

隨著研究的深入，在利用介形類殼體微量元素進行古環(huán)境重建的過程中，部分學者發(fā)現(xiàn)重建的結(jié)果與其他指標存在較大的偏差。如在云南鶴慶盆地古環(huán)境研究中發(fā)現(xiàn)，當沉積物中有自生碳酸鹽出現(xiàn)時，介形類殼體中的Sr/Ca 比值不能很好地響應(yīng)環(huán)境變化[35]。在蘇干湖的研究中發(fā)現(xiàn)，當介形類宿生水體中的Mg/Ca＞40 時，殼體中的Mg/Ca 比值較為復(fù)雜[36]。利用介形類殼體微量元素重建古環(huán)境的影響因素較為復(fù)雜，許多學者通過室內(nèi)培養(yǎng)和野外調(diào)查研究，具體影響因素見下文。

2 影響因素

根據(jù)介形類殼體微量元素重建古環(huán)境的原理，將其影響因素分為兩類：影響介形類宿生水體中Mg/Ca、Sr/Ca 比值的因素以及影響介形類殼體微量元素分配系數(shù)的因素。

2.1 宿生水體中M/Ca 比值變化的影響因素

從上述原理可以看出，利用介形類重建古環(huán)境主要是通過殼體的M/Ca 比值來推斷或計算湖泊水體的M/Ca 比值，進而推斷環(huán)境變化。但在實際過程中有些影響因素可以造成湖泊的一些水文條件的變化并不能通過水體的M/Ca 比值反映出來，或者介形類殼體的M/Ca 比值變化并不是環(huán)境變化導致的。主要有以下因素：

2.1.1 季節(jié)變化

通過逐月采集北美大平原上湖泊中介形蟲（Candona rawsoni）進行介殼種Mg、Sr 含量測定，結(jié)果發(fā)現(xiàn)一年內(nèi)的單個個體之間介殼Mg、Sr 元素含量的變化竟然可以達到35%，湖水中Mg、Sr 濃度隨著季節(jié)的變化直接導致了介殼中Mg/Ca、Sr/Ca 比值隨季節(jié)的變化[37]。在對地中海地區(qū)一處湖沼研究時發(fā)現(xiàn)，水體的堿度、Ca2+濃度、Sr/Ca 和Mg/Ca比值均具有季節(jié)變化，變化幅度約為10%，而且能體現(xiàn)在介形類殼體的微量元素組成信號上[38]。因此，在利用介殼中Mg/Ca、Sr/Ca 比值重建古環(huán)境時，同一層位上分散多采樣品，避免由于季節(jié)變化造成的差異[37]。近年來，由于技術(shù)的發(fā)展，在單殼上進行Mg/Ca、Sr/Ca 比值測試得以實現(xiàn)，這種方法能夠讓我們更精確地分析介形類殼體上微量元素的分布[39]，但在重建古環(huán)境時也需要注意季節(jié)變化對單個個體的影響[40]。

2.1.2 生存微環(huán)境差異

在進行云南鶴慶盆地的古環(huán)境恢復(fù)時，胡廣等[35]發(fā) 現(xiàn) 利 用Ilycypris microspinata 和Lineocypris jiangsuensis 兩個屬種的重建結(jié)果具有很好的協(xié)同性，但是二者之間存在穩(wěn)定的差值，分析認為二者生活水域的差異，水體微環(huán)境化學組成可能導致生活其間的殼體化學組成不同，以底棲方式生活的L. jiangsuensis 的殼體中的Mg/Ca、Sr/Ca 比值較I.microspinata 的值高。

2.1.3 湖泊演化過程（礦物沉淀）

在重建湖水古鹽度的過程中，會將恢復(fù)的水體的M/Ca 比值與鹽度聯(lián)系起來，但是在許多湖泊演化過程中湖水的離子濃度和比值與鹽度并不是簡單的線性關(guān)系[41]（圖2），只有在特殊的環(huán)境下，如鈣虧損的湖泊，水體中的M/Ca 與鹽度才具有正相關(guān)關(guān)系[42]。如對地中海地區(qū)的一處湖沼進行逐月采樣分析發(fā)現(xiàn)，介形蟲Herpetrocypris intermedia 殼體中的Sr/Ca 和Mg/Ca 比值隨著鹽度的增加而降低[38]。關(guān)于湖泊水體演化路徑可以查閱文獻[43]，湖泊演化過程對利用介形類重建古環(huán)境的影響在文獻[41]中做了詳細的論述。當湖水咸化沉積物中出現(xiàn)文石沉淀時，水體中的Sr/Ca 比值會急劇下降，導致介形類殼體中的Sr/Ca 比值不能真實地反映湖泊環(huán)境變化[35--36]。黏土礦物的沉淀，尤其是含Mg 的蛭石和蒙脫石會選擇性地吸收水體中的Mg，使得水體中的Mg 含量降低，也影響到重建結(jié)果[44]。

圖2 湖泊水體中離子濃度和比值與鹽度關(guān)系(據(jù)文獻[41]修改)Fig.2 Ion concentration and ratio change with salinity in lake water （modified from reference[41]）

2.2 影響分配系數(shù)的因素

從利用介形類殼體微量元素定量重建古環(huán)境的原理和過程可以看出，分配系數(shù)是十分重要的。多數(shù)學者在根據(jù)現(xiàn)代湖泊調(diào)查或者室內(nèi)培養(yǎng)實驗得出分配系數(shù)后將其應(yīng)用到古環(huán)境的定量重建[11,17]，但在研究過程中發(fā)現(xiàn)介形類的微量元素分配系數(shù)并不是恒定的，而是受其生存環(huán)境影響會發(fā)生變化，影響因素主要有以下幾種：

2.2.1 宿生水體中的M/Ca 比值

在一定的范圍內(nèi)，介形類殼體的M/Ca 比值會隨著宿生水體中的M/Ca 比值增大，這也是利用介形類重建古環(huán)境的基礎(chǔ)，但是當水體中的M/Ca 比值過大或者過小的時候，殼體的Kd[M] 會出現(xiàn)偏差。如隨著水體中的Mg/Ca 比值增加，介形類殼體中的Mg/Ca 比值增加的速度會減緩以至于不增加，也就是Kd[M]值會變?。▓D3a），認為介形類在高鎂水體中分泌形成低鎂方解石殼體時，殼體吸收的Mg（和Sr）的量是有閥值的，過多的Mg 會造成介形類生理上的排斥[26,37]。Zhang 等[36]在利用介形類重建蘇干湖古環(huán)境演化時，發(fā)現(xiàn)當水體Mg/Ca 比值＞45 時，Eucypris inflata 的Kd[Mg] 值為0.000 3，要比先前其他屬種的研究中Kd[Mg] 值低一個數(shù)量級。當水體中Mg/Ca 比值過低時（＜2），介形類殼體Kd[Mg]會隨著水體中Mg/Ca 比值的降低迅速增加（圖3b），Kd[Sr]十分分散（圖3c）。從晶體學和介形類殼體鈣化過程的角度來說，Mg2+和Ca2+的離子半徑相差較大，Mg 不能以完全類質(zhì)同像的方式進入方解石殼體，當水體中Mg/Ca 較高時，一般湖水的鹽度也較大，水體中的Ca2+離子充足，介形類在殼體生長過程中會更傾向于更易吸收的Ca2+，導致殼體中的Mg/Ca 比值偏低；當水體中Mg/Ca 比值較低時，湖水鹽度也較低，兩種離子的濃度均較低，介形類為了形成新的殼體，會將Mg 以類質(zhì)同像的方式吸收，導致殼體中的Mg/Ca 比值偏高[35]。而介形類殼體Kd[Mg]隨著水體中Mg/Ca 比值增加而降低是介形類自生在高Mg 環(huán)境中在生理上對Mg 的吸收能力和在低Mg 環(huán)境中吸收Mg 的熱動力學平衡之前的一個權(quán)衡，也就是說介形類會在盡量消耗低能量的情況下完成殼體的分泌、鈣化[45]。

2.2.2 溫度

一定的溫度、鹽度范圍內(nèi)，介形類殼體Kd[Mg]值 隨著溫度的升高而增加[7,23, 25-26,47]。早期研究[23]發(fā)現(xiàn)，在11～25 ℃時，溫度每升高1 ℃，Mytilocypris hericae 殼體的Mg/Ca 比值增加0.0015，導致殼體Mg的分配系數(shù)升高。Chivas 等[21,23]在1985 和1986 年的論文中均認為介形類殼體Kd[Sr]不受溫度變化的 影 響，但De Deckker 等[7]通 過 介 形 類Cyprideis australiensis 培養(yǎng)實驗，認為宿生水體的鹽度并不影響殼體對Mg、Sr 的吸收，而溫度不僅與殼體Kd[Mg]具有正相關(guān)，而且對Kd[Sr]有一定的影響。Dettman等[9]在總結(jié)前人資料的過程中，將Chivas 等[21,23]的數(shù)據(jù)進行了整理，發(fā)現(xiàn)在水化學條件相同的水體中，殼體中的Sr/Ca 比值是隨著溫度的升高而升高的，因此，他們認為溫度對介形類殼體Kd[Sr]雖然影響較小，但還是有一定的影響（圖4）。

2.2.3 堿度

Gouramanis 等[45]在對澳大利亞一系列的咸水、超咸水湖泊中現(xiàn)生介形類研究發(fā)現(xiàn)，高堿度（碳酸氫根離子活度）對介形類殼體的Kd[Sr]影響很大，較高的堿度會導致Kd[Sr]顯著下降。

以上幾種影響因素是通過直接影響介形類殼體的分配系數(shù)來影響古環(huán)境的重建，這些影響因素最終是影響了介形類殼體分泌、鈣化過程中的生命-化學過程，是利用介形類定量重建古環(huán)境的重要障礙，只有通過足夠多的現(xiàn)代過程研究，充分了解不同環(huán)境下介形類殼體的分泌、鈣華過程，才能保證古環(huán)境重建結(jié)果的可靠性。值得一提的是，以上有關(guān)影響因素和古環(huán)境重建過程中所用的介形類均是成體，不同發(fā)育階段的介形蟲殼體中的微量元素組成是不同的，一般發(fā)育早期的殼體中Mg 的含量偏高[22, 27, 48]，鈣化程度較弱的殼體中的Sr 含量偏低[49]。

圖3 介形類殼體Mg/Ca 比值、Kd [Mg]與湖水Mg/Ca 比值關(guān)系(a 據(jù)文獻[37]修改；b 和c 據(jù)文獻[46]修改)Fig.3 The relationship between Mg/Ca ratio, Kd[Mg] of shell and Mg/Ca ratio of lake water（a modified from reference[37]; b and c modified from reference[46]）

圖4 介形類殼體Sr/Ca 與溫度的關(guān)系(據(jù)文獻[9]修改)Fig.4 The relationship between Mg/Ca ratio and temperature （modified from reference[9]）

由于上述眾多影響因素，介形類殼體的微量元素分配系數(shù)變化很大，即使是同一屬種在不同的環(huán)境中也存在很大的差異。下面以我國西北和北方常見屬種意外湖花介（Limnocythere inopinata）為例進行討論，意外湖花介在我國西北和北方干旱、半干旱地區(qū)的現(xiàn)代湖泊和新生代地層中大量出現(xiàn)[50-54]，該種的生活習性研究也較多[4,55-56]。在利用意外湖花介殼體Sr/Ca 比值定量重建岱海古鹽度的研究中，根據(jù)現(xiàn)代殼體Sr/Ca 比值和湖水Sr/Ca 比值計算得出分配系數(shù)為1.064[11]，而日內(nèi)瓦湖內(nèi)的分配系數(shù)平均值為0.306[47]，澳大利亞湖泊中計算的現(xiàn)代湖花介屬Sr 的分配系數(shù)為0.35[22]。前人分別研究了日內(nèi)瓦湖泊[47]和蒙古國西部湖泊[42]的意外湖花介在內(nèi)的介形類殼體的地球化學與水體化學參數(shù)的關(guān)系，本文將涉及意外湖花介殼體微量元素組成與水體中M/Ca 比值的數(shù)據(jù)重新整理，得到分配系數(shù)與水體M/Ca 比值的關(guān)系如圖5。由圖5 可以看出，L.inopinata 殼體的Kd[M]隨著宿生水體的M/Ca 變化較大，尤其是在M/Ca 較低的水體中，還存在其他的影響因素，甚至這種影響因素占到了主導地位。介形蟲殼體中的Mg 和Sr 具體在殼體方解石中的哪個位置，對于殼體的形成有什么作用還不很清楚。在礦物方解石的形成過程中，Mg 十分重要，具有動力學和熱力學上的控制作用[57-58]。因此，介形類殼體中的Mg 和Sr 的含量可能存在生物學和/或礦物結(jié)晶學方面的控制因素，但目前還不是很清楚。

3 存在問題及展望

經(jīng)過幾十年的發(fā)展和完善，利用介形類殼體的微量元素進行古環(huán)境重建取得了很大的進展，但也存在著一些問題：

圖5 意外湖花介殼體Kd[M]與水體中M/Ca 比值關(guān)系(數(shù)據(jù)來源于文獻[11, 42, 47])Fig.5 The relationship between Kd [M] of Limnoctyhere inopinata shell and M/Ca ratio of lake water （data from reference [11, 42, 47]）

不同學者在對介形類殼體中微量元素的影響因素研究得到了一些相矛盾的結(jié)論，如一些學者認為溫度對介形類殼體中的Mg/Ca 比值影響很大[25,41]，而另一些學者認為溫度對殼體中Mg 的含量幾乎沒有任何影響[59]，這可能是由于不同屬種的介形蟲具有不同的生活習性，有些屬種屬于浮游類，有些屬種屬于底棲類，其殼體的元素組成代表了不同的水體微環(huán)境信息；有些生命周期幾周至幾個月，有些能夠存活一兩年，其殼體的元素組成代表了不同季節(jié)或者不同時間的水體信息[9]。

在定量重建過程中，多數(shù)學者在一套沉積物序列中使用一個固定的分配系數(shù)，如上文所述，介形類殼體的微量元素分配系數(shù)并不是恒定的，即使是同一屬種在不同的環(huán)境下變化也很大。一些研究中定量重建研究時間跨度上千年甚至上萬年，沉積環(huán)境復(fù)雜多變，利用同一個分配系數(shù)進行定量重建難免會增大誤差。介形類生存水域廣闊，屬種繁多，是重建古環(huán)境的良好材料，但生存環(huán)境和屬種的多樣也給重建工作帶來了復(fù)雜性，如上述兩個問題。建議在以后的研究工作中加強現(xiàn)代過程的研究，對于不同屬種的介形蟲應(yīng)在生活習性和殼體微量元素組成的影響因素兩個方面加強現(xiàn)代過程研究。

經(jīng)過30 余年的發(fā)展，湖相介形類殼體微量元素組成及比值已然成為了重建古環(huán)境的重要指標。隨著測試技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在已經(jīng)能夠?qū)んw的不同區(qū)域和同一位置不同厚度進行元素測試[39-40]，這對以后更加精細地重建古環(huán)境提供了基礎(chǔ)。另外，除了常用的Mg/Ca、Sr/Ca 比值，湖相介形類殼體Gd/Ca 和Mn/Ca[10]、Ba/Ca和U/Ca等[40]、Li/Ca和Mg/Li[60-61]、Na/Ca[62]也更多地在古環(huán)境研究中使用。隨著技術(shù)的提高和研究的深入，湖相介形類殼體微量元素組成會有更加廣泛的應(yīng)用。