Question

碳同位素地层学与古气候学

Answer 1

碳同位素地层学是当前地层学研究中最活跃、进展最迅速、最引人注目的一个方向,主要是研究碳同位素在地质历史中的变化特征,尤其是地层分界上组成的变化,从而进行地层划分与对比,反过来可确定地层时代。其研究对象主要是海相碳酸盐及有孔虫与腕足类的化石壳体。树木年轮及海洋碳酸盐壳体化石碳同位素分析,可用来获取新生代高分辨率的气候记录,在重建历史上的气候和环境方面发挥着重要作用,它们对于未来的气候变化、生态变化、水圈变化及某些灾害性变化的预测都具有重要的理论和实际运用价值。

碳同位素地层学的主要要求是 (陈锦石,1997):

1)严格地选择适宜的地层剖面,这些剖面必须是连续的、无沉积间断;

2)剖面必须已有充分的古生物地层学研究基础,最好同时有磁性地层学、岩石地层学、同位素地质年代学资料,界线划分充分可靠;

3)剖面必须主要由海相碳酸盐组成,最好是海相灰岩;

4)剖面未受到过构造、岩浆与变质作用的影响或改造;

5)剖面中不含海相蒸发岩 (石膏、盐岩);

6)在分界线附近要缩小采样间距至4～10cm一个样。

树木年轮稳定同位素分析,可用来获取高分辨率的气候代用记录,在重建历史上的气候和环境方面发挥着重要作用。开展树轮稳定同位素季节性变化的研究,不仅可以获取树轮稳定同位素年际变化的信息和树木生长季节内的气候状况,而且,还可以获取大气二氧化碳浓度及环境变化的信息。

树木的化学组成为纤维素占 50%、木质素占 30%、半纤维素占 15%,树脂和树蜡约占5%。研究表明,纤维素能稳定保留树木生长期间的同位素成分,其后不发生同位素变化。树脂和树蜡具有一定的流动性,干扰同位素的测定。在提取分析用的纤维素时,应格外注意避免溶剂对试样中同位素造成分馏的影响。

普遍认为树轮中δ¹³ C 值的变化主要受温度、湿度及云量的影响。树木在温度较高、降水较少与湿度较低的气候条件下年轮生长量偏小,这与树木年轮学所揭示的中纬度地区气候与年轮的关系一致。图7-25 显示了在渭河古河道中发现的木桩,其全木与纤维素的δ¹³ C、树轮宽度与年代的关系,该图说明δ¹³ C的降低对应着较宽的树轮,它们之间存在反相关关系。

图7-25 树轮碳同位素、树轮宽度随时间的变化曲线

(据杨忠芳等,1999,有修改)

在古海洋与古环境研究中,碳同位素起着重要的作用。研究表明,有孔虫的碳同位素组成可反映全球植被、水体性质、大气组成的变化。冰期,北半球被冰雪覆盖、热带地区干旱,因此森林面积锐减,大量的 CO₂ 转移到空气中,通过水-大气的交换而直接影响海水的碳同位素组成。大西洋、太平洋、南大洋 7 个钻孔底栖有孔虫碳同位素组成的系统研究表明,末次冰期的δ¹³ C比全新世的平均低0.7‰。

不同的大洋水体其碳同位素组成上存在差别,如同是大西洋的深层水,来源于挪威海的δ¹³ C值高,而来自南大洋深层水的δ¹³ C较低。因此,可利用底栖有孔虫的δ¹³ C来估计水体性质。不同时期浮游有孔虫与底栖有孔虫δ¹³ C值之间的差值间接地指示大气 CO₂ 含量的变化。