沉積地球化學在古氣候研究中的應用

孫向東

摘要：古氣候和古環境研究的目的是找出規律，預測氣候和環境的變化趨勢。利用地球化學方法，通過對沉積巖或沉積物的各種元素和同位素特征的研究，達到追溯古代沉積環境，了解沉積特征的目的。氣候和環境的差異會影響光合作用的類型和強度，植物種屬和碳同位素的組成也就不同，可以據此進行古生態特征和氣候環境的反演。水沉積物中元素的組成與地區乃至全球的氣候條件相關，碳酸鹽含量等代表不同的環境特征。作為古火災的產物，炭屑是古環境信息的良好載體，是理解古氣候、古環境和古地理的重要途徑。Rb、Sr等元素具有獨特的地球化學特征，為古環境演化研究提供了新的工具和方法。

關鍵詞：地球化學；古氣候恢復；同位素；沉積物

引言

古氣候在古地理的恢復中具有重要的意義，對于古氣候的研究與重建是了解地球環境發展歷史與規律并預測未來環境發展趨勢的基礎。目前，古氣候判別主要以礦物巖石學、古生物學、地球化學、古地磁學和地球物理學為基礎。沉積地球化學是利用沉積巖或沉積物在沉積一成巖過程中相關元素遷移、積聚和分布規律來確定和恢復沉積環境的。

古氣候載體主要包括冰芯、深海和湖泊沉積物以及黃土一古土壤等。不同的氣候載體具有各自的替代性指標，一定程度上其反映的氣候在全球范圍內具有可比性，對研究氣候演變規律及其驅動機制具有重要意義。

1.碳元素在古氣候研究中的應用

1.1植物體碳元素及其同位素

由于不同類型的氣候條件，造成生物代謝率、模式、產物及保存條件各不相同，沉積物中有機質的豐度、元素和同位素組成存在差異。這些差異可以用來反推古代氣候的變化規律和演化趨勢。

古氣候綜合反映了古溫度和古濕度，可分為溫暖，濕潤，溫暖，寒冷，濕潤和干燥四種類型。氣候和環境的差異直接影響植物光合作用的類型和強度，導致植物群體的不同特征。與不同植物種屬搭配相應的碳同位素組成是不同的，影響到不同動物牙齒等化石的碳同位素組成，甚至相應無機碳同位素的變化。

根據光合作用碳固存方式的差異以及初級產物中碳原子的數量，植物分為C3、C4和CAM植物。其中，C3植物主要生長在低溫、低日照、高降雨量和高土壤水分環境下；C4植物喜干旱，要求低土壤濕度，在有強光照射的高溫環境能較好發育；CAM植物種類較少（如仙人掌科），干旱環境為其典型生長環境。

一般認為C4植物的出現和廣布可能揭示地質歷史時期內重要的氣候和環境變化事件。在漫長地球歷史上，首先出現并長期占據生態系統的是C3植物，C4植物的出現并廣布于某些地區的生態系統反映了地球氣候和環境的重大變化。Cerlingetal（1997）提出了生態系統由C3型向C4型轉變的驅動機制，指出C4植被的出現和擴張受到全球C02濃度和溫度的影響，生態系統類型的轉變需要同時滿足大氣中C02濃度和溫度的某些條件。

土壤和動物化石中的有機碳主要來自植物。隨著從植物體到土壤有機質的分解過程，C值保留了植物生長期間的氣候和環境信息，如大氣中的C02情況、溫度和降水等。因此，根據古土壤C值，可以推斷C3和C4植被在區域地質歷史中的組成和分布，推測當時的氣候和環境狀況。研究發現C3植物C值主要受溫度和降水量的影響，分別同溫度和降水量呈正相關和負相關。在濕潤地區最重要的影響因素是溫度；在干旱和半干旱地區，水分是主要限制因素。

1.2水體碳酸鹽巖與沉積物

1.2.1海洋沉積

海洋沉積記錄可揭示大時間尺度，廣范圍背景下的古氣候和古環境演化。在古氣候和古環境研究中常用的一種方法是分析海相碳酸鹽巖中的C、0和sr同位素。大量研究表明，古代海相碳酸鹽巖穩定同位素的組成大致反映了古代海洋穩定同位素的組成。海相碳酸鹽巖穩定同位素組成的研究對了解古海平面變化、構造活動、全球變暖和氣候變化以及古代海水溫度和鹽度起著重要作用。

在地質歷史進程中，一些重要事件前后往往出現生物的空前繁盛后的大量絕滅，這將導致大氣中二氧化碳濃度、海水中重碳酸根離子濃度以及碳同位素組成的明顯變化，沉積有機質和沉積碳酸鹽碳同位素組成發生相應的變化。這些記錄保存在沉積地層中，是重建古氣候的重要依據。

全球大規模、迅速的環境變化一般伴隨全球碳循環以及海洋大氣碳同位素組成的波動。在海相碳酸鹽巖中，C值的增大表明古海洋的生產力提高以及可能引發的全球變暖和海平面上升；C值的減小表明古海洋的生產力下降以及潛在的全球氣候變冷和海平面下降。

1.2.2湖泊沉積

湖泊沉積是區域古環境和古氣候變化的最佳載體，反映了地質歷史過程中區域氣候、植被和人類活動的演變軌跡。湖泊沉積碳酸鹽分為自生碳酸鹽和外源碳酸鹽。其中，自生碳酸鹽來自湖水無機化學沉淀、沉積物早期成巖作用以及生物成因，可以體現湖的生物活動和物理化學作用強度，高值代表湖泊的鹽堿化，低值則代表湖泊淡化，從而反映了干濕氣候變化。另外，在短時間尺度上，溫度可能是碳酸鹽沉淀最重要的影響因素。不同地區湖泊沉積物中碳酸鹽含量在氣候上并不完全一致，與氣候和區域水文密切相關。

湖相沉積物中的有機質含有豐富的地球化學信息，是古環境研究所需的基礎資料之一。有機碳同位素是古氣候變化研究的常用指標，結合沉積物中總有機質豐度（TOC）、總有機氮豐度（TN）、自生碳酸鹽氧同位素等數據可以區分不同的氣候類型。湖泊沉積物中碳酸鹽含量（TCC）及其同位素的變化記錄了區域甚至全球氣候變化過程，從中可以提取古氣候參數。

1.3碳屑與古環境恢復

炭屑是植物組織不完全燃燒（或高溫分解）產生的黑色無機碳化合物，形成于280℃～500℃的溫度區間。埋藏在各種地層（煤層除外）中的炭屑稱為古炭屑。

炭屑是恢復古火災的重要手段之一，在認識古氣候、古植被和古地理等方面發揮了重要作用。單次火災的強度決定產生的木炭總量，氣候條件、可燃生物量及其燃燒特性都會影響火災的強度。火的強度和發生頻率共同決定炭屑在一定時期的峰值。高炭屑濃度指示較強的火活動，與之對應，火災越容易發生，頻率越高，氣候也就越干旱。

由植被燃燒產生的元素碳廣泛分布在地質歷史時期的大氣、土壤、沉積物、巖石，水體和冰體中，含有大量關于古代環境的信息。火災對古氣候的響應以及對古植被的影響是環境變化中非常重要的因素，對于炭屑的研究可能有助于將人為因素的影響從全新世全球氣候變化研究中剝離出去。

2.其他元素在古氣候研究中的應用

Rb、Sr兩種元素之間的化學活性存在差異，其比值可以用來揭示古氣候環境的變化。近年來，有學者全面分析了Rb/Sr比值及其他環境替代指標和歷史記錄，發現湖泊沉積物Rb/Sr比值能較好地反映古氣候/古環境變化。在源區的風化作用中，Rb是不活動的元素，Sr卻有相當部分以殘留態為主，容易被淋濾。一般來說，溫暖潮濕、降水量大的環境會導致更大的地表徑流量、更強的地表侵蝕以及更多細粒物質在地表的沉積。與此同時，炎熱潮濕的條件更有利于化學風化作用進行，更多的Sr元素進入沉積環境，沉積物中Rb/Sr值降低；相反，在降水相對少、寒冷干燥的環境中Rb/sr值增加。研究表明，除了Rb/Sr值外，MgO/CaO值也具有反映氣候變化的特性，干熱天氣呈現高值，潮濕氣候呈現低值。

Re、0s同位素具有親有機物質的獨特地球化學性質，這使得Re-Os同位素成為研究古環境演化的一種靈敏工具，提供了關于古海洋、古氣候演化過程的很多重要信息，可以較好地限制和確定與沉積有關的重大地質事件的時代。通過分析沉積巖的Re-0s同位素特征，可以反演古環境，這有助于進一步認識全球大氣，海洋和氣候的演變。

結論

古氣候條件影響各種地質作用、沉積物和沉積礦產的形成。利用地球化學的方法，通過對沉積巖或沉積物中各元素及同位素特征等的研究有助于了解和重建環境發展歷史與規律并預測未來發展趨勢。

氣候環境的差異影響光合作用的類型和強度，使植物組合及碳同位素組成不同。分析元素碳同位素指標，可用于反演古生態特征和古氣候與環境。

水體沉積物中元素的組成與地區乃至全球的氣候條件相關，具有不同的環境指示意義。海洋和湖泊沉積物的研究對重建氣候變化的歷史，探索氣候變化機制以及預測未來氣候變化具有積極作用。

作為古火災的產物，炭屑是古環境信息的良好載體，是認識古氣候、古植被和古地理的重要途徑。此外，因獨特的地球化學性質，Rb/Sr比值、Re-0s同位素特征等為古環境演化研究提供了新的工具與方法。