冰期旋回中δ13C规律变化的解释和分析.doc

地球科学原理之16 冰期旋回中13C规律变化的解释和分析广东海洋大学廖永岩（电子信箱：）上一回我们已分析了冰期旋回中13C和18O的变化规律。在这里，我们先来了解一下当今权威学术界对这一现象的的解释。1 目前学术界对13C和18O规律变化的解释目前为止，学术界对冰期后直接盖在冰碛岩上的碳酸盐岩帽里的13C从强负值开始强烈正漂，及整个冰期旋回中13C的规律变化，有很多种解释（Kimura, et. al., 1997; Kaufman, et. al., 1991; Derry, et. al., 1992; Hoffman, et. al., 1998; Dickens, et. al., 1995; Kennedy, et. al., 2001; Kennett, et. al., 2000; Bains, et. al., 1999; Kennet and Stott, 1991; Zachos, et. al., 1993; Eldholm and Thomas, 1993; Zachos, et. al., 1994）。归纳起来，主要有以下三种：生物量变化说（Kimura, et. al., 1997; Kaufman, et. al., 1991; Derry, et. al., 1992）；甲烷渗漏说（Dickens, et. al., 1995; Kennedy, et. al., 2001; Kennett, et. al., 2000）；火山脱气说（Hoffman, et. al., 1998; Kennet and Stott, 1991; Zachos, et. al., 1993; Eldholm and Thomas, 1993; Zachos, et. al., 1994）。坚持第一种观点的学者认为，冰期后形成的碳酸盐岩帽中的13C负异常，是由于冰期形成，温度变低，进行光合作用的植物受温度的影响，生物量下降，光合作用减弱。通过生物分馏12C的能力下降。但生物体的分解并没有太多地减少，或甚至因大量生物的死亡而有所增加。这样，由于12C分馏能力减弱和生物体分解释放12C能力加强的共同作用，将造成12C相对地在大气和海洋里增加，从而造成13C的负漂移（Kimura, et. al., 1997; Kaufman, et. al., 1991; Derry, et. al., 1992;胡修棉，2001）。坚持第2种观点的学者认为，由于受某种高温作用（一般均未说明是那一种来源的高温），海底冰冻层的以甲烷为主的天然气水合物大量气化释放，进入海洋或大气。在海洋或大气中，甲烷被氧化为CO2。这些CO2溶于海洋中，进一步和海洋里的钙、镁等离子结合，形成碳酸盐岩帽。因为甲烷的13C强烈负偏，所以，这使海洋或大气中的CO213C也出现强烈负漂移（Dickens, et. al., 1995; Kennedy, et. al., 2001; Kennett, et. al., 2000;杨瑞东等，2003）。坚持第3种观点的学者，以新元古大冰期为例，认为新元古冰期形成雪球地球，海洋被雪球封闭，没有被雪球封闭的陆地上的火山喷发和地震，产生大量CO2气体。这些CO2等温室气体越积越多，温室效应越来越强，最后造成雪球的解体。大量的CO2进入海洋或大气，使雨水呈酸性，加强了岩石的风化。陆地和海洋里的风化产生的大量金属离子结合，形成了碳酸盐岩帽Hoffman, et. al., 1998。这样，由于火山喷发和地震产生气体的相对负13C值（-7左右），造成碳酸盐岩帽的13C值负漂移（Hoffman, et. al., 1998）。其它冰川期，也有类似新元古大冰期的现象发生（Kennet and Stott, 1991; Zachos, et. al., 1993; Eldholm and Thomas, 1993; Zachos, et. al., 1994）。2 对已提出解释的可行性分析用生物光合作用的强弱变化和生物量的变化来解释13C值从强正值向负漂移，理论根据不足。随着冰川的形成，由于温度的影响，植物的量的确会减少，光合作用也会随之减弱。光合作用减弱，只是光合作用对CO2中的12C的分馏作用减弱。分馏作用减弱，但并没有停止，仍在进行12C的分馏作用。这就是说，若大气和海洋里的CO2的供应和消耗没有太大变化的话。尽管光合作用减弱，随着光合作用（减弱后的）的继续进行，照样会进行12C的分馏，大气和海洋中的12C会继续降低，13C会继续上升。所以，冰川形成后造成的光合作用减弱，并不会导致13C的负漂移，只会使正漂移减弱而已。冰川形成后，随着温度降低，生物量的确会减少；即光合作用减弱，合成的有机物减少，而分解的有机物增多，导致总生物量减少。总生物量减少，也就是大量生物体被分解为水和CO2。导致构成生物体的12C向大气和海洋释放，使大气和海洋中的12C浓度升高，13C浓度相对下降。冰川消融后，CO2浓度升高，温室效应增强，光合作用增强，合成的生物量大于分解的生物量。分馏（降低）12C的能力加强，而产生12C的能力减弱，将使13C正漂移。这样看来，总生物量的减少，的确能造成冰川形成过程中13C的负漂移，和冰川消融过程中的正漂移。但是，据测算，现今全球碳库储量见表1（Falkowski, et. al., 2000）。表1全球碳库碳储量（Falkowski, et. al., 2000）库数量/Gt库数量/Gt大气720陆地生物圈2000海洋38400活生物量6001000总无机碳37400死生物量1200表层水670水生物圈12深层水36730化石燃料4130总有机碳1000煤3510岩石圈 石油230沉积碳酸盐60000000天然气140油母质15000000其它（泥炭）250从表1可见，陆地生物量总和为2000Gt，海洋生物量总和为12Gt，海洋有机碳为1000 Gt；大气CO2为720Gt，海洋总无机碳（主要为溶解的CO2和碳酸盐）为37400Gt （Falkowski, et. al., 2000;王凯雄，2001）。以研究得较为清楚的新元古大冰期为例来说，因那时还没有陆地生物，只可能有海洋生物。假设那时的海洋生物量和现在相近，大气和海洋中的CO2量也和现在差不太多。那时的总生物量最多也只会有2Gt，总有机碳也只有1000Gt，这与大气和海洋中的CO2的和相差太多。就算光合作用一点有机物也不合成，所有的2Gt生物碳全部转化为CO2，甚至包括1000Gt总有机碳也全部转化为CO2，这也远不可能使13C值从+10负漂移至-7（张启锐等，2002）。更何况，并不是所有的生物量都全部分解了，只是部分生物量的减少；而溶解在海洋里的有机碳，也不会因为生物的减少而急剧减少。所以，冰川形成时，由于温度下降造成的光合作用减弱，生物量减少，可能会使13C产生一点点负漂移，但产生的效果极其有限，绝不可能是使大气和海洋中CO2强烈负漂移的主要原因。由于冰川的形成，引起海底火山喷发（见后述），的确有可能使海底冰冻层里天然气水合物，气化成甲烷等气体，进入海洋或大气中。由于甲烷的13C值相当低，大量的甲烷气体的渗入，将使局部海洋或大气中的13C值急剧下降，引起13C的强烈负漂移。但是，从表1可见，就现今来说，所有天然气的总量也只有140Gt，而仅大气中的CO2就是720Gt，海洋里溶解的CO2和碳酸盐（条件适宜时，会转化为CO2）则高达37400Gt；就算所有的天然气全是天然气水合物，就算所有的天然气水合物全部转气化成了甲烷，也远不可能使13C从+10的值负漂移至-7。更何况，天然气水合物只占所有天然气的很少一部分；因火山喷发被加热气化成甲烷而渗漏入海洋和大气的，又仅是天然气水合物中很少的一部分。所以，一部分天然气水合物气化成甲烷渗漏入大气和海洋，只可能使局部海洋或大气的13C适当负漂移，绝不可能是冰川形成后所有碳酸盐岩帽里13C强烈负漂移的主要原因。所有碳酸盐岩帽的最强负漂移值也仅-7，这也间接证明，甲烷渗漏使碳酸盐岩帽13C负漂移的作用相当小，仅是一种极弱的补充作用而已。若真是以甲烷渗漏为主造成的，因为甲烷渗漏不是均匀分布的，甲烷的13C值相当低，低于-60，在甲烷强渗漏的局部区域，负漂移值，应远比-7更负，至少会出现比-10更负的现象。相比较来说，火山脱气说正确的成分更多。综上所述，碳酸盐岩帽里的13C负漂移既不是因为生物体分解补充12C造成的（生物量变化说），也不是因为与生物有关的有机物分解补充12C造成的（甲烷渗漏说）；那么，能给大气和海洋补充12C，使13C负漂移的，就仅只有地球的去气作用了。也即通过火山喷发和地震造成的地球去气作用，给大气和海洋补充了大量含12C的CO2气体，使13C强烈负漂移。13C负漂移的最强负值，也只是-7左右，这也间接证明，13C的负漂移，就是因为地球去气气体而造成的。从以上分析可见，造成冰期后碳酸盐岩帽13C强烈负漂，肯定是由冰川形成和消融，造成火山喷发和地震，使地球内部大量CO2气体排出而造成的。那么，这种大规模的火山喷发和地震是如何发生的呢？它和冰川形成和消融关系如何？这是火山脱气说所面临和急需解决的问题。如何利用冰川学说对以上问题进行解释？且听下回分解。未完，待续。下回预告：地球科学原理之17 冰川对火山喷发和地震的影响参考文献：胡修棉,王成善,李祥辉.大洋缺氧事件的碳稳定同