碳酸鹽巖碳氧同位素與古氣候古環(huán)境

楊旅涵+廖容+程科

摘 要：在地球科學(xué)中碳氧同位素廣泛應(yīng)用于成巖成礦作用、古海洋、石油天然氣成因研究。而碳氧同位素在反映古氣候古環(huán)境中尚屬比較新穎的應(yīng)用，文章在閱讀相關(guān)文章基礎(chǔ)上，進(jìn)一步闡明了不同環(huán)境下碳酸鹽巖中的碳氧同位素反映古氣候古環(huán)境的機(jī)理。

關(guān)鍵詞：碳酸鹽巖；碳氧同位素；古氣候；古環(huán)境

引言

過去的幾十年里，碳酸鹽巖中的碳氧同位素相關(guān)研究日益增加，因?yàn)橥ㄟ^對湖相碳酸鹽巖中碳氧同位素的數(shù)據(jù)分析，在一定程度上重新構(gòu)建過去時期的古氣候和古環(huán)境方面的變化。文章以湖湘碳酸鹽巖，石筍中的碳酸鹽巖以及黃土中的碳酸鹽巖為例，較為具體說明了三種碳酸鹽巖中的碳氧同位素的含量變化對應(yīng)著怎樣的環(huán)境氣候（溫度，蒸發(fā)降水量，植物種類茂盛程度）變化。

1 湖相碳酸鹽巖中的碳氧同位素

（1）在湖泊沉積中，碳酸鹽巖中δ18OPDB與δ13CPDB間的相關(guān)性，反映著湖泊水文條件，若δ18OPDB和δ13CPDB之間是呈正相關(guān)關(guān)系，則反映為封閉性的湖泊，如果它們之間相關(guān)系數(shù)大于0.70，則湖泊的封閉性是比較好的。例如由于丹麥Bliden Lake沉積碳酸鹽巖中δ18O和δ13C之間相關(guān)系數(shù)為0.4，因此Olsen等認(rèn)為丹麥Bliden Lake是開放性的。

（2）湖泊中的碳酸鹽巖（或泥灰?guī)r）δ13C含量變化主要與氣候，蒸發(fā)，湖泊生產(chǎn)力有關(guān)。對于封閉性較好的湖泊，湖泊生物生產(chǎn)力以及蒸發(fā)作用（通過大氣中CO2與湖泊水體間的交換）影響著沉積碳酸鹽δ13C值。在開放性湖泊中沉積碳酸鹽的δ13C的影響因素較多且較復(fù)雜，主要與氣候，蒸發(fā)，湖泊生產(chǎn)力有關(guān)。例如青海湖，由于湖中水量遠(yuǎn)大于入湖水量，而且湖中DIC含量遠(yuǎn)大于入湖淡水中的DIC含量，故青海湖可以看做封閉性湖泊； 水生植物的光合作用和呼吸作用影響著δ13CDIC； 蒸發(fā)作用下，湖泊水體急劇減小，湖泊深層水與表層水將會加速混合而影響δ13CDIC； 由于水體中CO2和大氣CO2交換導(dǎo)致湖水δ13CDIC的變化，反映著當(dāng)時蒸發(fā)作用強(qiáng)弱（尤其當(dāng)湖水CO2分壓低于大氣CO2分壓時）。

（3）對于氧同位素組成的受控因素相關(guān)討論比較少。在湖泊泥灰?guī)r中，δ18O值的影響因素應(yīng)該是蒸發(fā)，氣候，氣溫，濕度等因素綜合作用。a. 降水蒸發(fā)：湖泊降雨量和蒸發(fā)量與δ18OPDB的值密切聯(lián)系，當(dāng)降水充足時，湖水會增加大量貧δ18O的水體，因此湖水δ18OPDB值就較低；相反，如果蒸發(fā)量大于降雨量，此時湖水的氧同位素會發(fā)生分餾，導(dǎo)致湖水δ18OPDB值增加。例如北京石花洞石筍相關(guān)研究表明，在分辨率<10a的時間尺度上，石筍中δ18O的記錄主要反映了降雨量的變化，降雨量增加，則δ18O值相應(yīng)偏低。b. 氣溫的影響：在較高的湖水溫度和較為溫暖的氣候階段，δ18Ocar較低，而湖水溫度較低的，天氣比較寒冷的階段，有高的δ18Ocar。

所以在封閉湖泊體系中湖泊中的沉積碳酸鹽δ18O值的大小主要受降水/蒸發(fā)控制。而在開放性湖泊中主要是蒸發(fā)，氣候，氣溫，濕度等因素綜合影響。

2 石筍的碳氧同位素記錄和古氣候重建

（1）由于石灰?guī)r其中的碳酸鈣與溶有二氧化碳的水反應(yīng)，會生成較容易溶解的碳酸氫鈣，而生成的碳酸氫鈣的水在溫度升高或當(dāng)壓強(qiáng)突然變小條件下，它就會分解，重新沉淀出碳酸鈣，同時放出二氧化碳。日積月累就會自下向上生長的是石筍，從上往下生長的是石鐘乳。所以石筍中的碳酸鹽巖碳氧同位素含量主要與溫度，水量以及石灰?guī)r中CO2有關(guān)聯(lián)。

（2）對于氧同位素，由于大氣降水的同位素組成同時受氣溫和降水量影響，而氣溫又與降水量有關(guān)，故石筍碳酸鹽氧同位素的主要影響因素可以認(rèn)為是受到降水量的影響。而對于碳同位素，由于石灰?guī)rCO2的主要來源是植物根系的呼吸和植物有機(jī)質(zhì)的分解，不同植物（C3植物和C4植物）有不同固碳方式，而不同氣候下又有不同植物繁盛為主。所以可以間接認(rèn)為碳酸鹽巖中碳同位素反映著古氣候。

（3）張美良將水南洞石筍碳氧同位素記錄與海洋海水表面溫度、深海海底生物的氧同位素記錄、格陵蘭冰芯的記錄以及我國鄰海、湖泊、黃土剖面以及北京周口店猿人洞堆積物等記錄進(jìn)行了對比，發(fā)現(xiàn)反映地古氣候變化趨勢基本一致。表現(xiàn)為冷濕或涼濕的氣候階段向表現(xiàn)為暖溫濕潤的氣候環(huán)境轉(zhuǎn)化，然后達(dá)到一個亞時段東亞夏季風(fēng)極為強(qiáng)盛，氣溫明顯升高的階段。

3 黃土沉積物中碳酸鹽的碳氧同位素組成特征與古氣候

（1）黃土成因多種，比如風(fēng)成說——反氣旋風(fēng)將荒漠或冰川區(qū)顆粒吹送到草原地帶形成黃土；水成說——水搬運(yùn)土物質(zhì)堆積形成黃土；風(fēng)化殘積說——當(dāng)?shù)馗鞣N巖石在干燥氣候條件下經(jīng)過風(fēng)化成土作用。其中風(fēng)成說貢獻(xiàn)最大，大量研究證實(shí)，黃土是風(fēng)積而成。

（2）黃土中的碳酸鹽有原生和次生之分。來源于源區(qū)的含有碳酸鹽的碎屑顆粒，這些黃土中的碳酸鹽即為原生碳酸鹽；而在黃土堆積過程中，由于后期生物作用以及降水的淋濾作用形成的碳酸鹽，叫做次生碳酸鹽巖。能用于碳酸鹽巖碳氧同位素指示古氣候古環(huán)境的主要是次生碳酸鹽巖。次生碳酸鹽的特征中包含了黃土形成時的氣候環(huán)境信息。

由于黃土中碳酸鹽的氧同位素組分與大氣降水的氧同位素組分有關(guān)。而大氣降水δ18O值又與年平均溫度正相關(guān)。所以，古土壤中碳酸鹽δ18O值反映著氣候溫度。較高的δ18O值反映碳酸鹽形成時期的氣候處于較溫和階段，較低δ18O值表明氣候處于較寒冷階段。而古土壤中次生碳酸鹽δ13C值主要受其形成時土壤溶液中δ13C的含量和溫度影響。而植物根系的呼吸和植物有機(jī)質(zhì)的分解又影響著土壤中CO2含量，同時不同植物（C3植物和C4植物）有不同固碳方式，而不同氣候下又有不同植物繁盛為主。所以可以間接認(rèn)為碳酸鹽巖中碳同位素反映著古氣候。

4 結(jié)束語

綜上所述，碳氧同位素在環(huán)境地球化學(xué)的應(yīng)用，尤其是在古環(huán)境古氣候中的應(yīng)用處于發(fā)展上升階段，所以值得進(jìn)一步推敲發(fā)展以及創(chuàng)新應(yīng)用，尤其是與其他同位素結(jié)合來用。相信將來碳氧同位素將不僅會應(yīng)用在海洋地球化學(xué)、環(huán)境地球化學(xué)中，還會在古地層學(xué)、古人類學(xué)等相關(guān)的研究中發(fā)揮越來越重要的作用。

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作者簡介：楊旅涵（1993-），男，四川大竹人，碩士研究生在讀，研究方向：環(huán)境地球化學(xué)。