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：在地球科學中碳氧同位素廣泛應用于成巖成礦作用、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用，文章在閱讀相關文章基礎上，進一步闡明了不同環(huán)境下碳酸鹽巖中的碳氧同位素反映古氣候古環(huán)境的機理。

關鍵詞：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研究日益增加，因為通過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間的相關性，反映著湖泊水文條件，若δ18OPDB和δ13CPDB之間是呈正相關關系，則反映為封閉性的湖泊，如果它們之間相關系數(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之間相關系數(shù)為0.4，因此Olsen等認為丹麥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。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雜，主要與氣候，蒸發(fā)，湖泊生產(chǎn)力有關。例如青海湖，由于湖中水量遠大于入湖水量，而且湖中DIC含量遠大于入湖淡水中的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交換導致湖水δ13CDIC的變化，反映著當時蒸發(fā)作用強弱（尤其當湖水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討論比較少。在湖泊泥灰?guī)r中，δ18O值的影響因素應該是蒸發(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，導致湖水δ18OPDB值增加。例如北京石花洞石筍相關研究表明，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，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壓強突然變小條件下，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，故石筍碳酸鹽氧同位素的主要影響因素可以認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，然后達到一個亞時段東亞夏季風極為強盛，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，比如風成說——反氣旋風將荒漠或冰川區(qū)顆粒吹送到草原地帶形成黃土；水成說——水搬運土物質(zhì)堆積形成黃土；風化殘積說——當?shù)馗鞣N巖石在干燥氣候條件下經(jīng)過風化成土作用。其中風成說貢獻最大，大量研究證實，黃土是風積而成。

（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。而大氣降水δ18O值又與年平均溫度正相關。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)境地球化學的應用，尤其是在古環(huán)境古氣候中的應用處于發(fā)展上升階段，所以值得進一步推敲發(fā)展以及創(chuàng)新應用，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用在海洋地球化學、環(huán)境地球化學中，還會在古地層學、古人類學等相關的研究中發(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。