稳定同位素地层学211A

1、稳定同位素地层学,方 念 乔 2011年11月,稳定同位素地层学 Stable Isotope Stratigraphy,利用地层记录中稳定同位素组成的变化特征，进行地层划分、对比，确定地层的相对年代，揭示或印证地质历史事件的地层学分支学科。它从属于广义的化学地层学。,1 概述 2 氧同位素地层学 3 碳同位素地层学,1 概述,1.1 同位素 1.2 同位素组成的测定与表达 1.3 同位素地层学研究简史,稳定同位素地层学 1 概述,1.1 同位素,1.1.1 同位素定义,原子核内质子数相同而中子数不同的一类原子叫做 同位素，它们属于同一个元素，在元素周期表中占 据同一个位置。,硫,包含4种稳定

2、同位素： 3216S、3316S、3416S、3616S,氧,包含3种稳定同位素： 168O、178O、188O,稳定同位素地层学 1 概述,1.1 同位素,1.1.1 同位素定义,硫,包含4种稳定同位素： 3216S、3316S、3416S、3616S,氧,包含3种稳定同位素： 168O、178O、188O,化学元素周期表,1 概述,1.1 同位素,1.1.2 稳定同位素与放射性同位素,放射性同位素,放射性同位素的原子核是不稳定的，它们能够自发地 衰变成其他同位素。目前已知的自然界中存在的天然 同位素有60种左右。它们包括：,238U、87Rb、147Sm,234U、230Th、226Ra,

3、14C、10Be、32Si,半衰期较长的放射性同位素,长寿命放射性同位素的衰变产物,由自然发生的核反应形成的放射性 同位素,1 概述,1.1 同位素,1.1.2 稳定同位素与放射性同位素,放射性同位素（续）,放射性元素以自动、恒定的速率逐渐衰变为非放射性的 子体同位素，这一性质有助于我们测定矿物或岩石的年 龄，进而推断地层或岩体的形成时代。这通常称为 地质测年学 （Geochronometry) 或 同位素地质年代学 ( Isotopic Geochronology),1 概述,1.1 同位素,1.1.2 稳定同位素与放射性同位素,稳定同位素,稳定同位素的原子核稳定，不能自发衰变形成其他同 位

4、素。它们的变化，主要体现于分馏过程中。 在地质科学领域内，研究最多和应用最广的稳定同位素是氢、氧、碳、硫、锶、钕、铅等。其中，87Sr、143Nd、 206Pb、 207Pb、 208Pb等被称为重稳定同位素；1H、18O、 13C、34S等为轻稳定同位素。 随着科学技术的发展，N、Si、Ca等轻同位素的应用开始 得到重视。,1 概述,1.1 同位素,1.1.3 稳定同位素的分馏,同位素分馏（fractionation）是指在一系统中，某一元素 的同位素以不同比率分配到两种物质或物相中的现象。 原因在于同位素的质量差异引起物理-化学性质的差异， 导致物理化学和生物化学过程中，某一体系内的某种物

5、 质富集较轻的同位素，而另一种物质富集较重的同位素。,1 概述,1.1 同位素,1.1.3 稳定同位素的分馏,同位素分馏案例,18,18,18,16,16,16,16,16,16,16,16,16,16,16,18,18,热力分馏使轻同位素优先进入新的物相（物质）,16,以16O与18O为例,1 概述,1.1 同位素,1.1.3 稳定同位素的分馏,同位素分馏案例,12,12,12,12,12,12,12,12,12,12,13,13,13,13,13,生物分馏使轻同位素优先进入新的物相（物质）,以12C与13C为例,1 概述,1.1 同位素,1.1.3 稳定同位素的分馏,特殊的与分馏作用无关的

6、稳定同位素地层,1 概述,1.1 同位素,1.1.3 稳定同位素的分馏,特殊的与分馏作用无关的稳定同位素地层,187Os,188Os,我来自,187Re,我来自,190Pt,1 概述,1.1 同位素,1.1.3 稳定同位素的分馏,特殊的与分馏作用无关的稳定同位素地层,陆壳风化剥蚀,幔源或宇宙尘,1 概述,1.1 同位素,1.1.3 稳定同位素的分馏,特殊的与分馏作用无关的稳定同位素地层,187Os/ 188Os,此处Os同位素指标反映的是太平洋陆源物质输入量的总体演化特征。根据海洋长岩心记录80Ma以来含金属矿物的187Os/ 188Os曲线的变化样式，可以判断多金属结壳的生长年代框架与沉积间

7、断,1 概述,1.2 稳定同位素组成的测定与表达,1.2.1 稳定同位素组成的测定,1 概述,1.2 稳定同位素组成的测定与表达,1.2.1 稳定同位素组成的测定,“跑弯道”原理检测重原子,1 概述,1.2 稳定同位素组成的测定与表达,1.2.1 稳定同位素组成的测定,1 概述,1.2 稳定同位素组成的测定与表达,1.2.2 稳定同位素组成的表达,1.2.2.1 基本表示法,两种同位素比值，如：13C12C 18O16O 15N14N,1.2.2.2 千分值差表示法, （） X 1000,此处 R 为 13C12C 、 18O16O、 34S32S ,1 概述,1.2 稳定同位素组成的测定与表

8、达,1.2.2 稳定同位素分析采用的标准,SMOW ( Standard Mean Ocean Water ) PDB ( Pee Dee Formation Belemnite ) CDT ( Canyon Diablo Troilite ),1 概述,1.3 同位素地层学研究简史,1948 Urey 发现氧同位素热力分馏特征 1955 Emilliani 成功利用氧同位素进行古水温研究 1959 Ault 和 Kulp 开展硫同位素和海相硫酸盐岩研究 1973 在外高加索白垩系和第三系 分界处进行碳同位素地层研究 80年代 锶同位素地层研究 90年代 氧碳同位素地层研究更趋成熟, 硅、氮、

9、钙等同位素研究应运而生 90年代末起 Os同位素等走上学术舞台,2 氧同位素地层学,2.1 氧同位素及其分馏机制 2.2 氧同位素地层学的由来和发展 2.3 氧同位素地层序列及其环境意义 2.4 古老地层的氧同位素变化特征和地层学问题,2 氧同位素地层学,2.1 氧同位素及其分馏机制,2. 1. 1 氧同位素分布,16O,18O,17O,99. 76 %,0. 20 %,0. 04 %,18O,16O,2 氧同位素地层学,2.1 氧同位素及其分馏机制,2. 1. 2 氧同位素分馏,温度效应,蒸发效应,物理机理在氧同位素分馏中占据主导地位,温度的升高有利于轻同位素向受体物质中的转移,蒸发过程中轻

10、同位素表现出较高的蒸气压，优先分馏进蒸汽随气体逸出,2 氧同位素地层学,2.1 氧同位素及其分馏机制,2. 1. 2 氧同位素分馏,标准为SMOW 或 PDB,2 氧同位素地层学,2.2 氧同位素地层学的由来和发展,5,7,2,6,4,1,3,Emiliani: 历史上的水温变化由钙质生物壳体的18 O波动所反映，奇数代表暖期，偶数代表冷期,2.2.1 氧同位素曲线与第四纪冰川旋回,浮游有孔虫 Globigerinoides ruber,18O曲线指示气候变化， 它受控于水温和全球冰量 的变化，其波动特征反映 冰期与间冰期交替的频度 和幅度 （Shackleton）,2 氧同位素地层学,2.2

11、氧同位素地层学的由来和发展,2.2.1 氧同位素曲线与第四纪冰川旋回,2.2.1 氧同位素曲线与第四纪冰川旋回,2 氧同位素地层学,2.2氧同位素地层学的由来和发展,2 氧同位素地层学,2.2氧同位素地层学的由来和发展,2.2.1 氧同位素曲线与第四纪冰川旋回,上新世以来的18 O变化具有全球可对比性,2 氧同位素地层学,2.2氧同位素地层学的由来和发展,2.2.2 氧同位素曲线与地球轨道调谐,ETP参数结构,信号的合成与分解,2 氧同位素地层学,2.2氧同位素地层学的由来和发展,2.2.2 氧同位素曲线与地球轨道调谐,根据天文参数调谐的氧同位素地层的年代数据具有精确的标定方式,2 氧同位素地

12、层学,2.2氧同位素地层学的由来和发展,2.2.3 氧同位素地层年表及其基本特征,米兰科维奇（Milankovitch ）时期，拉普拉斯（Laplace）时期，克罗尔（Croll)时期,2 氧同位素地层学,2.2氧同位素地层学的由来和发展,2.2.3 氧同位素地层年表及其基本特征,2 氧同位素地层学,2.3 氧同位素地层序列及其环境意义,不同尺度的环境变化,2 氧同位素地层学,2.3 氧同位素地层序列及其环境意义,轨道尺度的氧同位素曲线特征,2 氧同位素地层学,2.3 氧同位素地层序列及其环境意义,构造尺度的氧同位素曲线特征,2 氧同位素地层学,利用珊瑚礁生长层的18O记录研究厄尔尼诺和拉尼娜

13、事件,2.3 氧同位素地层序列及其环境意义,千年尺度的氧同位素曲线特征,格陵兰冰心18O记录提供的60kaBP以来的亚轨道变化特征齿线,2 氧同位素地层学,2.4 古老地层的氧同位素变化特征和地层学问题,前人总结的18 O分布的历史演变,2 氧同位素地层学,2.4 古老地层的氧同位素变化特征和地层学问题,方念乔等（1998）总结的18 O -13 C分布的历史演变,2 氧同位素地层学,2.4 古老地层的氧同位素变化特征和地层学问题,2 氧同位素地层学,2.4 古老地层的氧同位素变化特征和地层学问题,白垩纪西藏岗巴灰岩（浅水）18O- 13C 分布,白垩纪意大利Scaglia （深水）灰岩18O

14、- 13C 分布,2 氧同位素地层学,2.4 古老地层的氧同位素变化特征和地层学问题,风光如画的苍山洱海,位于扬子板块西缘的海东（大理）碳酸盐岩形成于外陆棚区，堆积成岩过程中受淡水影响较小， 18 O值相对偏正,2 氧同位素地层学,2.4 古老地层的氧同位素变化特征和地层学问题,大理灰岩的氧同位素特征基本不受成岩乃至变质作用的影响,方解石结晶状态良好,溶蚀导致18O值下降,重结晶不影响18O值,18O = -5-1 ,2 氧同位素地层学,2.4 古老地层的氧同位素变化特征和地层学问题,阿尔卑斯货币虫灰岩（E2）,阿尔卑斯苔藓虫灰岩（J1）,大堡礁（现代）,2 氧同位素地层学,2.4 古老地层的

15、氧同位素变化特征和地层学问题,古代碳酸盐岩大部分为浅水成因,黄石钙藻灰岩（C2）,大理礁灰岩（P1）,贵州层状泥晶灰岩（T1）,18O = -9-5 ,2 氧同位素地层学,2.4 古老地层的氧同位素变化特征和地层学问题,礁体及周边结构：沉积大部分在超浅水地带进行，礁后泻湖区的水体盐度通常也有别于开阔海环境,现代珊瑚礁,2 氧同位素地层学,2.4 古老地层的氧同位素变化特征和地层学问题,具有最轻18O值的碳酸盐样品的形成环境,-18-11,-16-14,-14- - 7 ,-15- - 9 ,T1-2、K2,P1,C1-P2,2-O1,河口湾-泻湖 冰融水 海山礁体 陆表海,结论： ？,2 氧同

16、位素地层学,2.4 古老地层的氧同位素变化特征和地层学问题,白垩纪远洋深水灰岩,= -4.5-0.9,18O,2 氧同位素地层学,2.4 古老地层的氧同位素变化特征和地层学问题,地史上碳酸盐沉积物氧同位素特征的控制因素究竟何在？它们具有地层学意义吗？,2 氧同位素地层学,2.4 古老地层的氧同位素变化特征和地层学问题,震旦纪低海平面期,二叠纪低海平面期,更新世低海平面期,白垩纪高海平面期,晚元古代高海平面期,地球历史上的海平面变化,2 氧同位素地层学,2.4 古老地层的氧同位素变化特征和地层学问题,氧同位素信号特征 深水开放大洋区： 冰川融化-海平面上升-18O降低 浅水陆棚区： 海平面上升-

17、淡水影响力减弱- 18O上升 海平面下降-淡水影响力增强- 18O降低,3 碳同位素地层学,3.1 碳同位素及其分馏机制 3.2 碳同位素地层学的由来和发展 3.3 碳同位素在地层学研究中的应用 3.4 碳同位素变化特征及其环境意义,3 碳同位素地层学,3.1 碳同位素及其分馏机制,12 C,13 C,98.87%,1.13%,12C,13C,3. 1. 1 碳同位素分布,13 C (),（13C12C）样品 （13C12C）标准,（13C12C）标准,X1000,标准为PDB,3 碳同位素地层学,3.1 碳同位素及其分馏机制,3. 1. 1 碳同位素分布,3 碳同位素地层学,3.1 碳同位素

18、及其分馏机制,3. 1. 1 碳同位素分布,碳同位素历史分布,3 碳同位素地层学,3.1 碳同位素及其分馏机制,3. 1. 1 碳同位素分布,3 碳同位素地层学,3.1 碳同位素及其分馏机制,3. 1. 2 自然界的碳储库,碳酸盐,有机碳,富12C,受有机碳储库12C影响,相对贫12C,3 碳同位素地层学,3. 1. 3 光合作用与碳同位素分馏,3.1 碳同位素及其分馏机制,有机碳的同位素组成与植物类型关系重大,C3 植物,乔木、灌木及草类等， 13C值为2530 ,C4 植物,玉米、高粱、多数草原草类等， 13C值为1014 ,CAM 植物,仙人掌等植物， 13C值范围不显著,3 碳同位素地层学,3.2 碳同位素地层学的由来和发展,碳同位素组成与曲线,碳同位素值在地层界线附近的突变,碳同位素变化与重大事件,地圈生物圈协同演化,3 碳同位素地层学,厘定地层界线 划分对比地层 探讨环境意义 识别重大事