沉積地球化學在古氣候研究中的應用

(成都理工大學　四川　成都　610059)

引言

現代新技術、新方法的不斷誕生與應用，使得古環境、古氣候的高分辨率重建領域的研究異常活躍，利用常量元素和有機質特征元素的含量及比值的升高或降低來指示沉積時期湖泊流域溫度、降水量等氣候變化并建立湖泊演變的氣候干濕波動曲線，也可以獲得沉積時期元素遷移變化的過程，特別是近十年來沉積有機質分子與穩定碳-氫同位素地球化學技術的引入，使研究對象從經典的宏觀-微觀化石(孢粉、藻類等)向分子化石發展。相對于海洋沉積記錄所揭示的大時間尺度、大區域背景古氣候、古環境演變而言，湖泊沉積則是地區性古環境、古氣候變遷的最佳載體，它完整地記錄了地質歷史時期區域氣候、植被以及人類活動的演化軌跡，對區域氣候變化的響應尤為敏感，是區域高分辨率古環境、古氣候重建的理想場所，也是當前全球變化研究的焦點所在。

一、湖泊沉積物中常量元素特征值的環境意義

沉積物的常量元素地球化學特征可以指示其形成環境，不同的地球化學特征是不同沉積環境的產物，可以指示沉積時期湖泊流域溫度、降水量等氣候變化并建立湖泊演變的氣候干濕波動曲線，也可以獲得沉積時期元素遷移變化的過程。目前在湖泊沉積的環境演變研究中具有特征指示意義的元素有：Si、Al、Fe、Ca、Na、K、Mg、Mn、Ti、Sr、Ba 等。

(一)CaO/(MgO+Al2O3)

目前普遍認為，浮游生物光和作用引起的二氧化碳同化作用是湖泊內生碳酸鈣沉淀的重要因素。隨著湖泊沉積環境的溫度升高，水體中的浮游生物光合作用逐漸增強,需要的CO2量逐漸增加，通過化學反方程式:

Ca2+++2HCO3-=CaCO3+H2O+CO2，CaCO3的含量增加。同時，隨著氣溫的升高，湖水的蒸發量也會升高，即有利于碳酸鈣的沉淀。因此，湖泊沉積物中自生碳酸鈣的高含量指示著當時沉積環境的高氣溫；反之，自生碳酸鈣的低含量指示著當時沉積環境的低氣溫。湖泊外源碳酸鹽主要來源于湖盆流域的母巖，不能反映湖泊現代沉積的環境信息。因此，只有自生碳酸鹽才真正具有氣候變化指示意義。對于湖泊沉積物中的碳酸鹽沉淀來說，包括流域侵蝕帶來的陸源碎屑成分和湖泊自生碳酸鹽成分，所以定量區分自生碳酸鈣和外源碳酸鈣比較困難。湖泊沉積物中碳酸鹽礦物主要包括方解石和白云石。在淡水湖泊中，白云石(CaMg[CO3]2)的主要來源是流域侵蝕帶來的陸源碎屑，一般不屬于自生沉淀；而方解石(CaCO3)不僅來源于流域風化帶來的外源組分，還來源于湖泊自身碳酸鈣的沉淀，特別是在水生植物茂盛或湖泊蒸發量很強的湖泊環境下，自生碳酸鈣沉淀占了相當比重。因此，沉積物中 MgO/CaO 的比值變化近似反映了白云石和方解石的比值變化，并可以近似地反映湖泊中自生碳酸鈣沉淀的相對多少，進而可以反映出當時環境氣溫的高低。

(二)Sr/Ba 和 Ca/Mg

Sr、Ba、Ca、Mg的化學性質相似，都屬于堿土金屬。根據 SrSO4與 BaSO4的溶解度差異，指示湖泊水體鹽度的差異，進而可以指示湖盆流域的干濕氣候。由于SrSO4的溶解度大于BaSO4，當湖泊水體鹽度較低時，硫酸根離子的濃度相對較低，所以硫酸根離子會先與Ba2+結合形成 BaSO4沉淀，Sr則以游離態離子存在于水體中。反之，當湖泊水體鹽度較高時，湖水中的 Sr2+才能與硫酸根離子形成 SrSO4沉淀并沉降至湖底。因此，沉積物 Sr/Ba 比值可以較好地反映湖泊水體鹽度的變化。Ca/Mg 有與 Sr/Ba 比值相同的環境指示意義，當比值較低時，指示水體鹽度較低，即指示氣候濕潤；反之，則指示氣候干旱。

二、湖相沉積物中有機質的來源

湖相沉積物中的有機質有2種來源，分別為外源的陸生植物和內源的水生生物(Meyers et al.，1999)。不同來源有機質的含量受控于沉積物形成時的古大氣溫度、濕度、CO2濃度和生物屬性等物源條件，河流、大氣流動、生物活動等搬運條件，以及沉積水體的鹽度、pH 值、Eh值等保存條件。

(一)外源有機質

湖相沉積物中的外源有機質主要是指陸生植物。按照光合作用固碳方式和初級產物的碳原子數不同可將其劃分為 C3、C4和 CAM 植物。C3植物光合作用的最初產物為三磷酸甘油酯;C4植物光合作用的最初產物為四碳二羥酸;CAM 植物屬于中間類型(Attendorn et al．，1988)。目前，有確鑿依據的 C4植物出現的最早記錄前推至晚中新世(Thomasson etal．，1986)，至于是否存在更早的 C4植物，仍是一個懸而未決的問題。不同類型植物的光合作用固碳方式有較大差異，所以其生理習性和同位素分餾效應也不相同。

(二)內源有機質

湖相沉積物中的內源有機質主要是指來源于湖泊中的動植物在死亡之后與陸源碎屑共同沉積埋藏在匯水盆地中的有機質。可根據在湖泊中的分布位置差異，將水生植物劃分為挺水植物、浮游植物和沉水植物三類。挺水植物的根或根莖生長在湖泊的底泥之中，莖、葉挺出水面。它一般直接利用大氣中的CO2進行光合作用，因此與陸生植物的碳同位素特征相近，特別是與陸生C3類植物的δ13C具有很好的可比性，通常為-30‰～-24‰(Aravena et al．，1992)。

浮游植物是指在水中以浮游方式生活的微小植物，通常就是指浮游藻類，包括藍藻門、綠藻門、硅藻門、金藻門、黃藻門、甲藻門、隱藻門和裸藻門8個門類的浮游種類。若浮游藻類利用與大氣保持平衡的湖水中溶解的CO2作為光合作用的碳源，則其δ13C值與陸生C3植物的δ13C值接近，最小可達-35. 5‰;若湖水中溶解的CO2嚴重虧損，浮游藻類將主要利用湖水中的作為碳源，則其 δ13C值顯著偏正(Meyers et al．，1993)，通常比利用湖水中溶解的CO2進行光合作用獲得的有機質δ13C值大約高7‰～8‰(Smith et al．，1971)，如某些藻類的δ13C值可達-24‰～-12‰(劉強等，2005a)。

三、湖泊沉積物中有機質特征元素的環境意義

地質體中有機質的豐度及組成與原始生物的種類及所處的氣候環境變化密切相關，其中包含了豐富的古生態、古氣候以及古環境信息。沉積物中的有機質與生物作用密切相關，且環境條件對生物活動有著直接的影響，所以有機地球化學元素的古氣候、古環境研究具有重要的研究意義。目前分析比較多的有機質元素有：C、S、N。

四、結語

生態環境與氣候是相互關聯的一個動態過程，這種動態過程將直接記錄在沉積有機質中，因此，可依據沉積有機分子記錄建立定性定量的模型，來描述生態系統與氣候環境的動態耦合過程，可以更深入地研究區域古氣候古環境的演變史，對于古生態系統的恢復與環境社會的可持續發展具有重要指導意義。