沉積地球化學(xué)在古氣候研究中的應(yīng)用

汪陽(yáng)飛

(成都理工大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院 四川 成都 610059)

沉積地球化學(xué)在古氣候研究中的應(yīng)用

汪陽(yáng)飛

(成都理工大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院 四川 成都 610059)

沉積地球化學(xué)是以沉積物和沉積巖為對(duì)象、研究其在沉積-成巖過(guò)程中所含元素及同位素遷移、聚集與分布規(guī)律的一門(mén)科學(xué)。其中元素地球化學(xué)、同位素地球化學(xué)、有機(jī)地球化學(xué)是在研究古氣候時(shí)常運(yùn)用到沉積地球化學(xué)方法，研究古氣候可以以古鑒今，通過(guò)先前時(shí)代氣候的變化來(lái)預(yù)測(cè)未來(lái)氣候變化的趨勢(shì)，對(duì)環(huán)境氣候保護(hù)也有一定的指導(dǎo)意義。

古氣候；沉積地球化學(xué)；碳酸鹽礦物

地質(zhì)學(xué)上，古氣候指地質(zhì)時(shí)期氣候。古氣候的研究，對(duì)于地層劃分和對(duì)比，地殼演化研究以及礦產(chǎn)資源成因和探測(cè)都有指導(dǎo)意義，也對(duì)于了解氣候變遷、現(xiàn)代氣候的形成、自然地理環(huán)境的演變與保護(hù)有重要作用。隨著工業(yè)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人類(lèi)生存的環(huán)境也來(lái)越嚴(yán)峻，生態(tài)被破壞，氣候也越來(lái)越差，保護(hù)人類(lèi)賴(lài)以生存的氣候環(huán)境迫在眉睫，所以研究古氣候是必須實(shí)施下去的。在研究古氣候時(shí)，地球化學(xué)是目前最廣用的手段，其中沉積地球化學(xué)是最新也是相對(duì)于最準(zhǔn)確的研究方法。有機(jī)地球化學(xué)、同位素地球化學(xué)、元素地球化學(xué)則是沉積地球化學(xué)在研究古氣候中應(yīng)用最多的三種技術(shù)方法。

一、有機(jī)地球化學(xué)在古氣候研究中的應(yīng)用

有機(jī)地球化學(xué)是地球化學(xué)的一個(gè)分支。研究地質(zhì)體中有機(jī)質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)、起源和演化的學(xué)科。在有機(jī)地球化學(xué)研究過(guò)程中，基于沉積巖有機(jī)質(zhì)的豐度與演化不僅與埋藏史、地?zé)嵫莼酚嘘P(guān)，而且受對(duì)沉積環(huán)境認(rèn)知的制約。根據(jù)氣候、環(huán)境、水介質(zhì)條件與原始生油母質(zhì)的關(guān)系，可以探討不同沉積環(huán)境的有機(jī)質(zhì)特征并可以提供某些與原始沉積環(huán)境有關(guān)的有機(jī)地化指標(biāo)，而且由于某些化合物的埋藏演化中的相對(duì)穩(wěn)定性，還可以根據(jù)它們與現(xiàn)代生物有機(jī)組成的關(guān)于推斷有機(jī)質(zhì)原始堆積條件。

通過(guò)研究沉積物巖芯中有機(jī)碳分布與古氣候關(guān)系,可以得出有機(jī)碳含量的低值與較寒冷氣候相對(duì)應(yīng)。據(jù)柴達(dá)木盆地察爾汗鹽湖鉆孔巖芯沉積物有機(jī)碳含量變化,對(duì)73萬(wàn)年來(lái)的沉積巖芯劃分出21個(gè)有機(jī)碳沉積階段,其中有機(jī)碳含量奇數(shù)階段代表相對(duì)溫濕的氣候環(huán)境;偶數(shù)階代表相對(duì)干冷的氣候，如此就可以推斷出柴達(dá)木盆地大致的冷熱交替順序[1]。

二、同位素地球化學(xué)在古氣候研究中的應(yīng)用

同位素地球化學(xué)已成為地球化學(xué)中一門(mén)獨(dú)立的分支。在沉積學(xué)領(lǐng)域中，同位素地質(zhì)學(xué)已成為追索物源、探討沉積一成巖環(huán)境的重要方法。目前應(yīng)用較多的是利用氧、硫、鍶、碳的穩(wěn)定同位素的分餾特點(diǎn)研究沉積物來(lái)源、古水溫與古鹽度、氧化還原條件、沉積旋回性質(zhì)、確定海岸線位置和海平面升降，利用硫同位素分餾特點(diǎn)分析與沉積環(huán)境關(guān)系密切的開(kāi)放與封閉系統(tǒng)等。

圖1 δ18O含量變化與溫度異常大小的變化

肖恩·馬考特[2](Shaun Marcott)采取Dongge Cave(董哥洞)洞穴堆積物，對(duì)同位素δ18O含量進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)在10000aB.P一7000aB.P，δ18O含量整體處于上升階段，代表這段時(shí)間董哥洞所位于地區(qū)所受到的夏季季風(fēng)強(qiáng)度相對(duì)高，進(jìn)而說(shuō)明溫度異常大。從7000aB.P至工業(yè)革命左右，δ18O含量整體處于下降階段，代表這段時(shí)間所受到的夏季季風(fēng)強(qiáng)度相對(duì)低，進(jìn)而說(shuō)明溫度異常較小。從工業(yè)革命一直到現(xiàn)金δ18O整體含量相對(duì)的又有較大的上升，說(shuō)明這段時(shí)間夏季季風(fēng)強(qiáng)度相對(duì)提升較大，說(shuō)明近代溫度異常大。具體變化曲線見(jiàn)圖1。

三、元素地球化學(xué)在古氣候研究中的應(yīng)用

元素地球化學(xué)包括常量元素、微量元素、稀有元素和分散元素的地球化學(xué)。對(duì)沉積巖無(wú)機(jī)地球化學(xué)的研究主要集中在常亮元素和微量元素地球化學(xué)方面，利用巖石微量元素特征研究沉積巖形成的古地理環(huán)境和成巖作用環(huán)境，已成為沉積地球化學(xué)的一個(gè)重要方面。

鹽湖不同沉積階段中粘土的某些化學(xué)成分也存在差異,Mgo在成鹽階段含量明顯較多,而Sio2、Al2o3含量減少[3]。故Al2o3/Mgo值可作為環(huán)境變化的一種指標(biāo),其大值與碎屑沉積為主的沉積相對(duì)應(yīng),表明湖水相對(duì)淡化時(shí)期;其小值與蒸發(fā)鹽沉積為主的沉積層相對(duì)應(yīng),表明為相對(duì)咸化時(shí)期,

除去以上三種技術(shù)方法外，通過(guò)鑒定沉積物中的碳酸鹽礦物也是一個(gè)判斷古氣候的方法[4]。沉積物中以伊利石礦物占優(yōu)勢(shì)時(shí),認(rèn)為是干早氣候條件下的粘土礦物組合特征。厚層石鹽、含砂石鹽、光鹵石和鉀石鹽等為炎熱干旱氣候條件下的產(chǎn)物;而芒硝、瀉利鹽、蘇打、鎂硼鹽和軟鉀鎂礬等為干寒冷件下的產(chǎn)物。

四、結(jié)論

研究古氣候的方法眾多，但要精細(xì)到研究幾萬(wàn)年來(lái)氣候的變化，沉積地球化學(xué)方法無(wú)疑是最可靠的方法。尤其是如今在冰芯(一種記錄氣候的介質(zhì))研究的大熱下，沉積地球化學(xué)將作為最重要的研究的手段，以便為人類(lèi)對(duì)不同時(shí)期的大氣氣溶膠、沙漠演化、植被演替、生物活動(dòng)、大氣環(huán)流強(qiáng)度、火山活動(dòng)等展開(kāi)更為精確具體的研究。這將極大地豐富了氣候與環(huán)境變化的研究?jī)?nèi)容，更革新了人類(lèi)關(guān)于地球系統(tǒng)演化及其重要機(jī)制的一些觀點(diǎn)。

另一方面，目前全球氣候面臨著一個(gè)嚴(yán)峻的形勢(shì)。全球氣候變暖，臭氧層空洞，酸雨危害，生物多樣性銳減，荒漠化加劇等問(wèn)題引起了全世界的重視。為了預(yù)測(cè)未來(lái)的氣候變化，則需要對(duì)古氣候有一個(gè)清晰的認(rèn)識(shí)。我們?cè)谘芯抗艢夂虻臅r(shí)候應(yīng)該去找尋更精準(zhǔn)，更便捷的方法，再同時(shí)與沉積地球化學(xué)方法相結(jié)合，更準(zhǔn)確的研究古氣候問(wèn)題。

[1]黃麒,陳克造.七十三萬(wàn)年來(lái)柴達(dá)木盆地察爾汗鹽湖古氣候波動(dòng)的形式[J].第四紀(jì)研究,1990(3).

[2]陳濤,王歡等.粘土礦物對(duì)古氣候指示作用淺析[J].巖石礦物學(xué)雜志,2003,22(4).

[3]余素華,文啟忠.新疆地區(qū)第四紀(jì)沉積物中碳酸鹽的地球化學(xué)與古氣候關(guān)系[J].環(huán)境地球化學(xué)與健康,1990.

[4]Zhenyu Liu,Jiang Zhu,et al.The Holocene temperature conundrum[J].Proceedings of the National Academy of Sciences,2014.

汪陽(yáng)飛(1991.1-)，男，漢族，湖北，成都理工大學(xué)，碩士研究生，研究方向：構(gòu)造地質(zhì)和變質(zhì)巖。