第10讲地球化学

环境地球化学第1页,第五节:碳酸盐研究与全球变化,二、黄土一古土壤碳酸盐研究与全球变化1作为古环境标志的黄土一古土壤碳酸盐同位素组成碳酸盐在与环境同位素平衡条件下形成时，其同位素组成主要取决于碳酸盐形成介质的同位素丰度和温度。即碳酸盐同位素组成能够反映它形成时的环境。通常，黄土或古土壤的自生碳酸盐与形成的环境可达到同位素平衡，因此可用来判断其形成环境。黄土古土壤碳酸盐同位素组成基本上代表了自生碳酸盐同位素组成。18O值和13C值在剖面上的变化是由自生碳酸盐同位素组成变化所引起的，是环境变化的结果。,环境地球化学第2页,第五节:碳酸盐研究与全球变化,2黄土一古土壤碳酸盐氧同位素组成与古气候的关系现代土壤碳酸盐氧同位素18O值较好地与当地大气降水氧同位素18O值正相关。大气降水18O值与当地年平均温度呈正比，所以黄土古土壤碳酸盐同位素组成在剖面中变化不仅是大气降水氧同位素组成随时间变化的反映，同时也是温度随时间变化的反映、在气候温暖的条件下形成碳酸盐将具有较高的18O值。黄土古土壤碳酸盐18O值明显地随碳酸盐含量增加而减少。这说明它们同时受环境因素所控制的。,环境地球化学第3页,宝鸡黄土古土壤碳酸盐含量与氧同位素组成关系图,环境地球化学第4页,第五节:碳酸盐研究与全球变化,土壤碳酸盐的含量与当地年降水量有关，自生碳酸盐在年降水量小于750mm地区的土壤中是常见的，而在年降水量大于1000mm地区的土壤中是少有的。现今黄土高原的气候与东亚季风有关，在夏季当来自太平洋的季风较强时，降水量增加；在冬季当来自西伯利亚的季风较强时，降水量减小。黄土古土壤碳酸盐氧同位素组成在剖面中变化主要是古季风变化的记录，在夏季风强盛时形成的黄土古土壤碳酸盐将有较高的18O值。,环境地球化学第5页,第五节:碳酸盐研究与全球变化,3黄土一古土壤碳同位素组成与植被的关系土壤自生碳酸盐碳同位素组成主要受土壤CO2碳同位素组成所控制。土壤CO2的碳同位素组成不仅与土壤CO2浓度有关，而且也与土壤植被光合作用途径有关。土壤CO2浓度随土壤植被密度增加而增加，并且控制了来自大气CO2在土壤CO2中的比例。由于植物呼吸作用产生的CO2其13C值比植物本身高约37，所以在植被群落中，C4或C3植物的百分率就决定了土壤呼吸作用产生的CO2的碳同位素组成。土壤碳酸盐13C值随土壤植被密度的增加（即土壤呼吸作用加强，土壤CO2浓度增加，来自母质的CO2相对减少）而减少，随土壤植被中C4植被相对增加而增大。气候越干旱，土壤碳酸盐13C值越高。,环境地球化学第6页,第五节:碳酸盐研究与全球变化,C3植物主要分布于干旱和半干旱地区，它在植被群落中的比例是随夏季平均蒸发量增加而增加，随湿度降低而减少，和随干季土壤湿度的增加而减少。在干热的气候条件下，C4植物在植物中比例较高，因此，第四纪时期黄土高原古植被群落中C4植物的比例变化是不显著的，黄土古土壤碳酸盐中13C值的变化可能主要是古植被密度变化所造成的。,环境地球化学第7页,第五节:碳酸盐研究与全球变化,三、黄土与深海沉积的对比非常连续的深海沉积古气候记录须与陆地沉积的古气候记录进行对比，相互验证，这样能够更全面地了解全球第四纪气候的面貌。风成黄土是陆上保存得最完整的沉积层系，在我国和全世界都有广泛分布。它提供了陆上沉积与海洋从沉积进行对比的物质基础，黄土沉积系列中沉积物的类型、生物组合变化等能够反映气候的冷暖演变。,环境地球化学第8页,第五节:碳酸盐研究与全球变化,1中欧黄土与深海沉积的对比欧洲黄土主要分布区都处在冰川前沿的外围，那里的地层未受冰川进退的破坏。黄土是冰期干冷条件的产物；而黄土地层中所夹的古土壤是间冰期阶段形成。中欧间冰期的气候类似于现代，或比现代温暖、潮湿，在落叶阔叶林分布范围内发育了次生棕壤型土壤。因此，在适合的沉积盆地内，冰期一间冰期旋回为反复交替的黄土和森林土壤记录下来。欧洲第四纪气候与深海沉积的气候记录相似，具多变性。中欧黄土地层与深海沉积的对比中获知，两者气候冷暖变化曲线非常吻合，深海沉积中最近的5个氧同位素期在黄土中同样出现。,环境地球化学第9页,中欧黄土与深海沉积的对比C一冷的黄土草原N一正常的黄土草原M一暖的黄土草原；R一稀疏的边缘草地；T一浓密草地；BE一针叶林或混合林，PB落叶林1一坡地冲刷壤土；2一生物成因粘土；3一含泥皮的次生棕壤；4一黄土；5一腐殖棕壤士；6一钙质上；7一团粒状沙；8一标准层,环境地球化学第10页,第五节:碳酸盐研究与全球变化,2中国黄土与深海沉积的对比中国黄土分布广泛，覆盖面积达44万km2；沉积厚度大，最厚可达300多m；连续性好，从早更新世到全新世都有沉积，几乎记录了第四纪地质历史的全过程。黄土沉积层序中黄土与古十壤多次交替出现。由于对层位作了古地磁测量，使剖面的时间序列更为精确和清晰，从而为黄土与深海沉积的对比提供了可靠的基础。,环境地球化学第11页,一般来说，颗粒中径较粗反映搬运营力（风）较强，气候干燥。CaCO3含量高反映比较干冷的环境（否则可溶的CaCO3将被渗滤水带走）。Fe2O3FeO比值低也反映了干冷的环境（在湿热气候中，铁多以Fe2O3存在）。因此，粗的平均粒径，高的CaCO3含量，低的Fe2O3FeO比值和低的磁化率均指示干冷的气候环境（沙漠和草原）。在洛川剖面中，CaCO3含量，Fe2O3FeO比值、磁化率等均呈现基本同步的变化，反映干冷的黄土期与湿暖的成壤期之间的反复更替。将洛川剖面古气候波动曲线与深海柱状样（V28239）进行对比，发现两者吻合得很好，见后图。,第五节:碳酸盐研究与全球变化,环境地球化学第12页,晚更新世（马兰黄土）,中更新世（离石黄土）,早更新世（午城黄土）,马兰黄土（L1）可与氧同位素曲线中2、3、4期相对应，古土壤层S1可与氧同位素第5期相对比，成因复杂的古土壤层S5则可与13、14、15相联系。,环境地球化学第13页,第五节:碳酸盐研究与全球变化,洛川剖面上部的各种黄土、古土壤类型及其古环境参数（古环境参数主要根据与现代土壤对比得出）1.弱风化黄土；2.中等风化黄土；3.强烈风化黄土；4.黑色黄土状土壤；5.钙质棕红色古土壤；6.受淋滤棕红色土壤；7.受淋溶棕红色土壤；8.褐棕红色土壤,环境地球化学第14页,洛川黄土剖面与深海岩心的对比1一表土和下伏黑土，2一棕红色古土壤，3一其它古土壤；4一马兰黑土；5一离石黑土；6一午城黑土；7一钙质结核，8一红土,粗的黄土平均粒径，高的CaCO3含量，低的Fe2O3FeO比值和低的磁化率均指示干冷的气候环境（沙漠和草原）。相反，指示相对湿暖的气候环境。,环境地球化学第15页,第五节:碳酸盐研究与全球变化,四、洞穴石笋古温度研究当洞穴内环境保持相对封闭状态的条件下，在沉淀的方解石和水两相之间达到了氧同位素交换的平衡条件，构成了CaCO3H2O对的地质温度计，其平衡常数与石笋生长时的温度存在着某一确定关系。其反应式为：1/3CaC16O3H218Ol/3CaC18O3H216O0Neil根据实验研究得出的测温方法是：t(oC)16.94.38（18Oc18Ow）0.1（18Oc18Ow）式中，t是古温度；18Oc和18Ow分别是方解石（相对于PDB）和水（相对于SMOW）的18O值。,环境地球化学第16页,第六节：湖泊沉积研究与气候、环境演化,湖相沉积的优势：存储信息量大时间分辨率高地理覆盖面广过去2ka以来的湖相沉积记录了人类活动因素和自然环境变化的双重信息。,环境地球化学第17页,第六节：湖泊沉积研究与气候、环境演化,湖相沉积具有以下优势：湖泊沉积记录的信息量大。湖泊沉积记录了丰富的各种环境要素信息，包括大气圈（温度、降水、风情、洪涝灾害、大气污染、酸雨、气溶胶和粉尘）、陆地生态系统（植被、土壤、火灾、火山活动等）和生态系统（盐度、pH值、碱度、营养态、初始生产力等）的混合信息。湖泊沉积连续性好，沉积速率大，因而时间分辨率高。现代湖泊中心的沉积速率虽然变化较大，通常在0.53mma之间，如果采用合适的间隔采样，有可能得到10102a的环境波动记录。分层湖泊的年纹沉积分析可以分辨到la甚至季节。湖泊沉积的地理覆盖面积广。中国现有面积超过1km2的湖泊近230O个，在陆区湖泊的分布范围远超过冰心、黄土和树木年轮。,环境地球化学第18页,第六节：湖泊沉积研究与气候、环境演化,苏黎世湖碳酸盐的18O和13C分析结果(a)在过去大约lOka以来沉积在苏黎世湖中的无机碳酸盐的碳氧同位素变化，(b)生物成因碳酸盐的碳氧同位素变化。空心圆点：介形类白玻璃介(Candonacandida：Cc)及湖陆类花介(Pisidiumconventus);实心圆点：双壳类软体动物孔旺豆蚬（Cytherissalacustris：C.1），这些化石样品从沉积物岩心中分离出来，钻孔岩心柱状图表示于图左边,环境地球化学第19页,第六节：湖泊沉积研究与气候、环境演化,微量元素Mg和Sr的研究对确定湖泊的物理化学条件更加有效，这两种元素可取代非海洋沉积环境中形成的介形虫壳体方解石晶格中的钙原子，它们同Ca含量的比值是确定温度、离子组成及盐度的上好指标。在一个流域面积可以完全确定的湖泊，盐度的增加与蒸发量增加有联系，盐度的改变往往会造成SrCa的改变，主要是由于湖水碳酸根离子达到了过饱和所致。,环境地球化学第20页,第六节：湖泊沉积研究与气候、环境演化,凯拉比特火山口湖介形虫壳体的SrCa和MgCa摩尔浓度平均比值变化曲线与根据邻近一个约40层沉积物岩心的粒度组成(同湖泊水深有关)得到的古盐度曲线(已经平均处理)的对比图。图的左边给出了沉积序列，它表明有方解石层和文石层存在，说明湖水曾在不同时段达到碳酸盐饱和状态。介形虫壳体的Sr/Ca比值同湖泊盐度变化有关。,环境地球化学第21页,思考简答题,冰期效应造成的海水氧同位素组分（18O）变化的原因；谈谈利用地质历史时期有孔虫的18O建立大洋温度梯度剖面的原理？并举一实例加以说明。自然界碳同位素在生物中的分馏作用如何？为什么可根据13C的变化反映森林植被面积的变化和冰期效应？试述CO2、13C和含氧量在深海垂向剖面上的变化规律；洞穴石笋古温度研究的基本方法和必须满足的条件？谈谈它们在古环境变化研究中的具体应用。湖泊沉积研究在恢复古气候和古环境研究中的优点。,环境地球化学第22页,课堂专题讨论,紧扣总论与全球变化研究所讲内容，并结合自己的兴趣自主命题制作PPT多媒体课件课件讲演时间为1015分钟（25个片子左右），包括提问讨论5分钟自由结合，35人一小组在地质系计算机房利用两节课（时间不够，可利用课余时间）准备,环境地球化学第23页,进一步阅读的文献,1郑永飞、陈江峰编著，稳定同位素地球化学，北京：科学出版社，20002杨忠芳等，现代环境地球化学，北京：地