古气候与研究的新进展

古气候与研究的新进展

在过去10年中，二维是地球科学家和环境科学家共同关注的中心问题。CO2气藏是重要的气体矿产资源,CO2可以引发灾害,更重要的是人们逐渐了解到大气中CO2含量与全球温室效应有密切联系。目前,从全球变化的角度研究CO2是国际重大地学及生态环境研究课题,已经发表了大量成果。本文将基本不涉及当代全球变化中的CO2问题,而着重从地质历史的角度探讨这一饶有趣味但研究程度尚低的问题。1近地表碳循环在地球的碳循环中,CO2有着重要的位置与作用。在水的参与和较氧化条件下,大气中的CO2与岩石、碎屑、土壤中的各种硅酸盐矿物发生反应,形成风化作用,其最后产物为Ca2+、Mg2+、HCO3-等离子。这些离子经河流搬运到海洋,下渗并被加热的海水与海底岩石发生化学反应,也向海水输送离子。就Ca2+和Mg2+而言,Mg2+较多地保留于海水中,而Ca2+则较易形成碳酸盐沉积。这样,大气中的CO2就转化而成碳酸盐。反过来,经过溶解、成岩和变质作用,碳酸盐也可以产生CO2。地表和近地表碳循环的另一环节是有机质,它们在不同条件下的运移、转化、富集和堆积可以形成煤和油气资源。有机质也可氧化产生CO2。植物光合作用和呼吸作用消耗和产生的CO2大致是平衡的。据Holland(1978),它们的产率都是300×1015g/a。另据Berner等(1983),地表硅酸盐岩石风化所消耗的CO2大致可由地球深部去气作用所排放的CO2补偿,二者约为(6～11)×1012mol/a。Holland(1978)和Berner等(1983)都计算过,如若没有地球内部向大气排放的CO2,则大气中的CO2将因岩石风化、碳酸盐沉积等原因,于10000a内耗尽,大气—水圈中的CO2于500000a内耗尽。这就说明了地球内部去气作用的重要性。CO2还参与了碳的更大循环,即伴随板块的下插,以碳酸盐或有机质存在的碳便可由地壳转移到地幔,之后再经地球内部的各种作用运移到地壳浅部和地表。有人甚至认为,地表一半的CO2来源于再循环的碳。2陆海火山co、3he的含量从地球内部向大气和水圈可排放CO2、H2O和一些其它挥发分。来自地球内部的CO2按其来源或成因的不同可分为:火山(岩浆)成因、变质成因(包括成岩作用)和冲击成因三大类,地幔存在原生CO2,还可能存在其它来源不明的CO2(见以后的讨论)。在地质历史的不同时期,上述不同地质作用都曾将CO2输向太空。其中,火山和变质成因CO2可能是起作用的因素,冲击成因CO2带有较大的偶然性,但在一定时期,它也可发挥重要作用。区别大气中CO2的不同成因是不可能的事,只能分别加以估算。但最近几年至少对火山去气采取了直接观察和测量的方法,而且取得一定的成效。据Gerlach(1991)的报导,在美国全球变化研究项目(U.S.GlobalChangeResearchProgram)中包括了火山排出CO2之监测。此项研究由美国地质调查所Cascades火山观察站(CascadesVolcanoObservatory)负责。该所采用的直接测定火山CO2的方法主要有两种:空载MIRAN红外光谱测量,主要测定高于背景值的CO2含量和空载COSPEC紫外光谱测定SO2含量,并同时给出CO2/SO2比值,从这两组数据推算CO2含量。此项针对陆上火山排出CO2的测定工作因系最近几年才开始,故测试多为短期的;测量对象为火山口,而未考虑火山锥翼部排出的CO2,后者在某些火山中可能占全部火山排出CO2之相当部分;再者,由于测量技术原因,所测对象多系处于间歇或休眠状态之火山,而未包括正在爆发或喷溢的火山。尽管存在上述不足,但所测数据还是有一定应用价值的。Gerlach列举了七个陆上火山CO2测定实例,其中五个处板块会聚地带,一个处板内,另一个则为板内与海岛热点hotspot有关的火山。从Gerlach所列数据可以看出这七个陆上火山排出CO2值差别颇大:最高值0.58×1012mol/a取自意大利西西里岛之Mt.Etna火山,最低值来自同一岛屿之另一火山Vulcano,仅为(0.0004～0.0015)×1012mol/a。对全球陆上火山排出CO2值的最近估算则比较接近。Marty和Jambon(1987)估计全球岛弧陆上火山CO2产出率为(0.1～0.5)×1012mol/a。Williams等(1990)对全球陆上火山CO2排放率之估算为1.2×1012mol/a,Gerlach之估算则为1.8×1012mol/a。对海底广泛发育的火山排气目前缺少直接测试手段,但也开始尝试通过测定大洋中脊热液管道排出流体的CO2/3He值,以估算CO2排放量。据Gerlach(1991),目前仅对东太平洋中脊三个点进行了测定,其CO2产出率为(0.6～0.75)×1012mol/a。由于测定值太少,代表性存在欠缺。Marty和Jambon(1987)用同样的CO2/3He法测定大洋中脊玄武岩玻璃,测定样品远远超过对东太平洋中脊热液管道的测定样品。他们的测定值多集中于1.5×1012mol/a附近。但后一测定值也存在问题,因为在岩浆去气过程中可能发生同位素分馏,因而玄武岩玻璃的CO2/3He测定值本来就应不同于热液管道测定值。根据Gerlach(1991),陆上火山及海底火山之CO2产出率各为(1～2)×1012mol/a。Gerlach认为这一估算可能偏于保守,因为他未将组成海底火山重要成员——洋底高原玄武岩及火山链岛屿考虑在内,后者的CO2排放量目前还是未知数。本文作者认为Berner(1990)最近对全球陆上及海底火山CO2排放量的计算,即11×1012mol/a可能更接近实际。这里,还可以补充一个最近实测火山排出CO2量的报导(Brantleym与Koepenick,1995)。测定对象是当今世界上唯一喷溢岩浆碳酸岩的火山,即东非裂谷带内的OldoinyoLengai火山。它的组成岩石主要为响岩质和霞岩质的火山碎屑岩,内含<1%的富钠岩浆碳酸岩,后者年龄为0.35Ma。火山口排出的CO2占整个排气量的97%,但CO2的绝对排放量并不高,仅为(0.05～0.06)×1012mol/a。含碳酸盐岩石在区域变质过程中可以产出并排放CO2。早在1986年Fyfe即提出了变质成因CO2是大气CO2的重要来源,并首次提出喜马拉雅碰撞造山及顺走滑断层都可产出CO2。最近Kerrick和Caldeira(1994)作了喜马拉雅造山带变质过程中CO2产出量的估算,约为1018～1019mol/Ma,即1012～1013mol/a。其中约一半可顺剪切带,如中央大断裂逸散于大气中。同时代的阿尔卑斯造山带在变质过程中可产出同等数量级的CO2。变质成因CO2在全球大气CO2中所占的分量目前还未开展研究,测定和估算它的难度要大于火山成因CO2。天外来客的冲击作用也能产出CO2。严格地说,这种冲击成因CO2不能算作地球内部产出的CO2。只是由于这种CO2来源于地壳浅部的碳酸盐岩石,因而将它与火山成因、变质成因CO2放在一起讨论。应当说,这是一个刚被提出的新问题。最近几年人们在努力寻找早在1980年Alvarez提出的白垩—第三纪之交出现的天体冲击事件的直接见证——陨石坑。墨西哥的Chicxulub盆地被认为是最可能的候选者。Sharpton(1993)认为它是10多亿年来地球所受到的最强烈的冲击。这个盆地的白垩系是浅海沉积,赋存大量石灰岩和石膏。据Pope等(1994)的计算,冲击可导致瞬间释放高达1019g的CO2,可引起全球增温4℃。石膏含量虽逊于碳酸盐岩石,但它受冲击后形成的酸雨所可能带来的短期气候效应要大于CO2。以上,扼要地讨论了地球内部排出CO2研究的若干新进展。总体看,研究工作处于探索的开始阶段。为了使地球内部成因CO2的讨论更充实一些,这里还需要简略补充成因不明的CO2来源。湖泊与CO2的关系在最近几年吸引了人们的注意。Kling(1994)根据全世界1800多个湖泊的综合剖析,得出了与前人设想完全相反的结论:90%以上的湖泊之CO2含量为周围大气CO2含量之三倍。过去,人们认为湖泊吸收了CO2,看来这一机制不是主要的。Kling提出湖泊也是大气中CO2的来源,但谈不出它的来龙去脉。说到这里,人们不能不回忆主要由于CO2大喷发导致1700人丧生的1986年非洲喀麦隆Nyos湖事件。当时,不少学者认为Nyos是火山湖,火山排出的CO2高度浓集于湖底层,由于底层流翻转到湖表面,压力突然释放,造成大量CO2的排放成灾。最近的一些研究(Evans等,1995)都倾向于否定大量CO2的聚集与火山活动有关,底层湖水的CO2来源被认为是湖底下面的岩石,但CO2成因、浓集机制及与湖水的关系有待进一步深入研究。在讨论地球内部CO2成因机制时,人们还应当从气液包裹体成分研究得到启示。Roedder早在1965年就提到,在他所观察到的分布遍及全球的碱性玄武岩中的超镁铁质捕虏体中均找到了液态CO2包裹体。之后,其他一些学者在金伯利岩和更多的碱性玄武岩捕虏体中也发现了液态CO2包裹体。虽然多数CO2包裹体个体甚小,多落入10-9m数量级,但个别橄榄石晶体中之CO2包裹体可占据3%(体积)。在现代活火山Vesuvius的超镁铁质捕虏体中也找到CO2包裹体。一般认为地幔岩浆的CO2含量大得多,但多在上升过程中逸散了。这种地幔岩中包裹体CO2可能是一种原生CO2,它的形成与地幔的演化息息相关。目前尚无可能估算地幔CO2的含量,但这种CO2无疑是前述火山成因CO2的部分来源。尽管地幔CO2含量甚低,但分布却较广泛。不久前Tracy(1987)等发现1180～1530℃区间,3GPa压力下,碳在橄榄石熔体中的溶解量>100×10-6(重量),这为碳在地幔中的普遍存在提供了实验依据。看来,近20年来,人们从不同侧面,包括观察、测定、实验、推理等,对地球内部作用排出CO2问题作了不少工作,但由于这项研究的复杂性,制约因素的多样性,还需要进行大量探索,以求得接近实际的答案。3大气矿物组成在地球演化历史中,大气CO2所占比重与绝对含量呈递减变化趋势,但起伏波动颇大。制约地球大气圈与水圈组成物质变化的因素甚多,包括风化、火山喷发、热水喷流、光合作用、呼吸作用、轻元素(H、He等)逸散及人为作用等。反演各种流体的演化历史主要依据地质宏观分析、元素及矿物共生组合、热力学计算、地球化学模拟、同位素等方法。太古宇大气具高含量CO2,这主要归功于当时普遍而大量的火山喷发,而大气高CO2含量的地质依据是太古宙地层中少见的碳酸盐岩石,如华北地区广泛出露的太古宇中,包括鞍山群、迁西群、太华群、泰山群、集宁群等,变质白云岩、大理岩等均属少见,仅阜平群含较多碳酸盐岩石,这与元古宙、显生宙出现的广泛而巨厚的碳酸盐沉积形成鲜明的对照。世界范围太古宙地层少见碳酸盐岩石无疑与当时大气高含量CO2有关,大气中pCO2增大,水中溶解的CO2随之加高,这就使碳酸盐较难沉淀。因制约地质历史时期大气CO2含量的因素甚多,推理与估算CO2含量难度颇大,故长期以来多为定性描绘,只是近年来才涉足于半定量评估。下面试就这一问题作扼要讨论。根据对前寒武纪条带状硅铁建造(BIF)、含黄铁矿、金、铀古砾岩、较晚出现的不含黄铁矿但含金古砾岩和19亿年后才出现的红层中稳定矿物组合的热力学计算,Krupp(1994)等得出结论,23.5亿年前,大气几乎全为CO2(pCO2≤1×105Pa)和N2所组成,其它组分只属微量。大量CO2的存在造成酸雨和酸性地表水(pH≥3.9)。23.5～21亿年间,古砾岩中黄铁矿的消失与氧化铁矿物的出现意味着光合作用产生的氧已开始超过氧的耗损。之后氧的继续增多及CO2的降低导致红层的出现。Krupp的这一推论与较早已讨论的真核生物在早元古宙的出现引起大气氧含量增加与CO2降低的观点是一致的。另一些学者从元素共生这一角度出发论证了古大气成分的变化。Langford(1983)分析了前寒武纪形成的重要铀矿床的钍铀共生关系,他发现20亿年前形成的铀矿床,如加拿大的产铀花岗岩、伟晶岩和南非、加拿大的含铀古砾岩,其铀矿物都含多量钍,但20亿年后形成的铀矿床,如加蓬的砂岩型铀矿、澳大利亚与加拿大的不整合脉型铀矿等,其铀矿物基本不含钍。据Langford,导致20亿年前发生的从铀钍共生突变到铀钍分离的关键因素是大气由缺氧富CO2突变到富氧贫CO2。这一突变时期约持续4亿年。最近,Rye等(1995)根据古土壤剖面研究,认为22～27.5亿年间古大气CO2含量约为今天的100倍。从前述可看出,地质宏观观察、矿物与元素共生组合、古土壤、古生物的研究均表明约在20亿年前大气发生了从富CO2贫氧到贫CO2富氧的突变。对此多数研究者已取得共识。从20亿年前到现在,大气组成显然没有发生象20亿年前那样的突变,大气主要由氧、氮组成,CO2实质上是微量气体,但即或如此,后者在不同地史时期含量波动依然是剧烈的。从最近发表的一系列有关格林兰大陆冰川冰芯研究,15万年以来大气CO2含量屡有变化。同样情况存在于显生宙,从大尺度时间跨度考虑,这种变化大于最近15万年的变化。人们主要通过地球化学模拟和氧、碳同位素等方法探索显生宙大气CO2含量问题,目前也仅能达到半定量水平。Berner(1992)模拟了显生宙大气CO2含量变化。他的地球化学模拟考虑了各大陆位置、面积、高度的变化、洋壳增生、碳酸盐岩石的形成与分布、陆生植物演化及影响风化速率的一些因素等。他的结论是:早古生代和中生代CO2含量高,而石炭—二叠纪和晚新生代CO2含量低。整个显生宙大气CO2含量变化趋势见图1。图1的纵坐标示大气CO2含量(刻度是古大气CO2为现代大气CO2含量之倍数),横坐标为地质年代,三条粗短线代表显生宙的三次冰期,即晚奥陶世、石炭—二叠纪与晚新生代。由一系列模拟值串起的联线(实线)是CO2含量变化曲线。实线上下的虚线圈定了一定范围,这是由于假定与计算的某些不确定因素引起的,上虚线代表古大气CO2含量的可能最高值。短竖线系其他作者用其它方法(主要是稳定同位素)测定结果。从这一示意图解可以看出:(1)显生宙大气CO2含量以早古生代为最高,特别在寒武纪、奥陶纪之交,可能达到现今大气CO2含量之20倍,中生代则以白垩纪为最高,达到现今大气CO2含量之8倍左右。(2)大气最低含量CO2出现于石炭—二叠纪和包括第四纪在内的晚新生代,很可能前寒武纪最末期也具最低含量CO2,这三个地质时期都有大面积大陆冰川的分布。值得注意的是上述古大气CO2变化趋势用其它方法也可以得出。如Clayton(1993)利用二次开发的大量干酪根的碳同位素数据得出几乎完全一致的结论,即早古生代具最高大气CO2值,之后逐渐降低,而石炭—二叠纪和晚第三纪呈现最低峰。新生代晚始新世大气CO2含量有两个测定值。据Kerrick及Caldeira(1994)的报导,Freeman和Hays根据浮游生物卟啉碳同位素测定,认为晚始新世大气CO2含量为现今之2倍,而Arthur根据总有机质碳同位素,则得出了6倍的结论。上述各种对不同地质时期大气CO2含量之模拟、推理与通过同位素方法之间接测定,均给出了与今日大气CO2含量相比较的比值,即倍数。人们不禁要问,今天大气CO2含量究竟是多少?由于CO2是微量气体,它对制约的各种因素反映灵敏,在不同地区、不同季节、不同人为排放度等会有一些差别。这里引用两组数据。Holland在他的名著“TheChemistryoftheAtmosphereandOceans”(1978)一书中称,大气平均CO2含量在工业革命前为290×10-6(体积,下同),1970年为325×10-6,预计本世纪末可达390×10-6。我国学者周秀骥等(1996)给出了不同地区1994年8月—1995年6月的大气CO2含量测定值(平均):西宁西200km为369.7×10-6,浙江临安372.6×10-6,哈尔滨南龙凤山394.3×10-6。4大气形势与中、晚新生代气候关系尽管是微量气体,在当今全球变化中CO2却与气候转暖或变寒有密切联系。实际上若干其它微量气体也有类似功能,但影响程度逊于CO2。早在1981年,Hansen等即例举了CO2、CH4、N2O、CCl2F2—CCl3F等致暖气体和SO2、O3等致寒气体。关于当今气候变化与CO2的关系已有大量研究成果发表,此处不赘述。在地质历史时期,“温室效应”、“冰室效应”与CO2的含量关系也是密切的。如前述23.5亿年前大气主要由CO2与N2组成。据前苏联科拉半岛超深钻研究发表的资料,太古宙变质时期的古地温梯度为现在的5～7倍,这意味着当时地表温度应比今日高许多。大气高CO2含量的早古生代、白垩纪、始新世等时期,亚热带植物可在高纬度地区生长,冰盖消失。Raymo和Ruddiman(1992)利用大西洋深海钻探(ODP)岩芯中底栖有孔虫氧同位素资料作图(图2),它说明在中中新世之前的整个新生代,大陆冰盖不存在,这与大气CO2含量分布是一致的。另一方面,石炭—二叠纪与晚新生代均有广泛冰盖发育,大气CO2含量为最低谷。但正象当今全球变化与CO2之间还存在着复杂关系和疑难问题一样,地质历史时期类似性质的关系也是存在的。我们不可能对此问题详加讨论,仅举个别例子说明。诚如前述,显生宙两次大冰期,即石炭—二叠纪与晚新生代,大气CO2含量均处低谷,但另一次冰期,即晚奥陶世,大气CO2含量却并不比气候炎热的白垩纪低(图1)。围绕这一问题已展开了一些议论,但距离找出合理解释还有一段路程。白垩纪的炎热气候有着充分的古生物依据,如珊瑚分布较现在偏极地5°～15°,当时的平均气温比现在高6～14℃,这与前述白垩纪大气CO2含量为现在的8倍是一致的。但白垩纪赤道附近水温并不比现在高。如何解释这一现象是需要深入探索的。5青海湖湿地公园与气候变化青藏高原这个举世无双的庞然大物却与微量气体CO2结下了不解之缘,这是当前国际地球科学界热门话题之一。前已述及,以Kerrick和Caldeira(1994)为代表的学派提出,欧亚板块与印度板块在晚白垩—早新生代的碰撞,形成了喜马拉雅造山带。这一巨大造山带所囊括的巨厚碳酸盐堆积经过变质去气作用,可以产生1018～1019mol/Ma的CO2。基本同期形成的阿尔卑斯造山带和滨太平洋带在变质作用中也可产生同等数量级的CO2。变质去气产生的CO2那怕只是部分逸散到大气中,也足以形成始新世的温室效应(图1,2)。始新世之后,大气CO2含量与气温逐渐下降,并在新生代晚期广泛出现大陆冰川(图2)。于是,人们又在思索碰撞后隆升的青藏高原与CO2的关系了。陆上持久的化学风化作用能够消耗大气中大量的CO2,我们已在前述碳循环中提到这一点。新生代中期后开始隆升的青藏高原加剧了化学风化趋势。Raymo和Ruddiman(1992)统计了流经和发源于青藏高原的诸大河流,包括黄河、长江、印度河、雅鲁藏布江等的溶解固体物质。他们发现,占全球陆地总面积不过5%的青藏高原却供应了全球1/4的溶解固体物质。形成这样巨量的化学风化产物消耗了大量CO2,而这正是新生代中期以后全球气候转寒的关键所在。青藏高原形成、隆升及其通过CO2对全球气候制约机制的讨论不过是最近几年的事。这一问题涉及众多学科,显然不是短期可以解决的。但CO2问题确实提出了一条思路,而这一思路过去是被忽略了的。6%的突变在各种挥发分中,H2O与CO2在成矿过程与之后的演化中均发挥了重要作用,虽然CO2的作用较H2O可能局限一些,但对它的研究程度却远低于对于H2O。与游离水不同的是,游离CO2有随深度加大而增高的趋势。Smith和Ehrenberg(1989)论证了在各种沉积盆地中,天然气中CO2含量随深度和温度而加大。随着变质程度的加深,气液包裹体中的CO2也有增多的趋势。Roedder(1984)曾说明,富H2O包裹体(H2O>90%)到富CO2包裹体(CO210%～60%)的突变发生于十字石变质级,即相当浅到中级变质边界。他还论证了麻粒岩相变质岩中,包裹体主要甚至全部为CO2充填。最近,Dobrzhinetskaya(1995)报导了挪威西海岸高级变质及榴辉岩区,变质高峰流体为N2-CO2型。看来,下地壳岩石与前述地幔岩一样,其流体是富CO2的。这种深部存在并广泛分布的CO2对成矿物质上升运移无疑会起重要作用,但这方面的研究目前尚不多见。成矿金属可呈配合物形式被搬运是矿床地球化学界的共识。过去主要以金属和Cl\,S以不同方式结合进行模拟实验。只有少数金属呈碳酸盐配合物形式搬运,如铀可呈碳酸铀酰形式迁移。值得注意的是,华南不同类型铀矿床矿石中碳酸盐矿物碳同位素分析均指示了碳的深部来源(胡瑞忠,1993),尽管这些铀矿床,包括砂岩型、花岗岩型、碳硅泥岩型等均形成于地壳浅部。世界范围的绿岩带型和变质碎屑岩型金矿床的含金石英脉中常含富CO2的包裹体,后者有时呈液态。据Roedd