环境地化第7讲

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,环境地球化学 第,*,页,第,五,五,节,节:,碳,碳,酸,酸,盐,盐,研,研,究,究,与,与,全,全,球,球,变,变,化,化,一,、,、,海,海,相,相,碳,碳,酸,酸,盐,盐,研,研,究,究,与,与,全,全,球,球,变,变,化,化,（,）,）,氧,氧,同,同,位,位,素,素,古,海,海,洋,洋,学,学,研,研,究,究,中,中,，,，,一,一,般,般,都,都,用,用,碳,碳,酸,酸,盐,盐,中,中,的,的,氧,氧,同,同,位,位,素,素,成,成,分,分,来,来,研,研,究,究,古,古,温,温,度,度,、,、,古,古,气,气,候,候,、,、,古,古,盐,盐,度,度,等,等,环,环,境,境,要,要,素,素,。,。,环,境,境,地,地,球,球,化,化,学,学,第,第1页,第,五,五,节,节:,碳,碳,酸,酸,盐,盐,研,研,究,究,与,与,全,全,球,球,变,变,化,化,1,海,海,水,水,温,温,度,度,对,对,18,O,的,的,影,影,响,响,碳,酸,酸,钙,钙,从,从,水,水,溶,溶,液,液,中,中,沉,沉,淀,淀,出,出,来,来,进,进,入,入,生,生,物,物,壳,壳,体,体,时,时,，,，,相,相,互,互,间,间,发,发,生,生,同,同,位,位,素,素,交,交,换,换,反,反,应,应,，,，,反,反,应,应,方,方,程,程,为,为,：,：,1/3CaCO,3,16,H,2,O,18,1/3CaC0,3,18,H,2,O,16,当反应达到,平,平衡时，其,平,平衡常数与,温,温度间有确,定,定的关系，,即,即碳酸钙的,氧,氧同位素组,成,成是温度的,函,函数。温度,升,升高时，相,对,对较轻的,16,O由于有较,高,高的活性，,易,易于迁移，,在,在同位素交,换,换反应中将,优,优先被吸收,进,进生物壳体,内,内，致使,18,O含量相对,减,减少，,18,0值随温度,的,的上升而下,降,降。,最适用于有,孔,孔虫同位素,分,分析的关系,式,式：,t16.94.4(sw)0.10(s,w),2,式中，s,：,：壳体中氧,同,同位素值，,w：水体,的,的氧同位素,值,值,环境地球化,学,学,第,第2页,第五节:碳,酸,酸盐研究与,全,全球变化,2.海水同,位,位素组分对,18,O的影响,冰,冰期效应与,盐,盐度效应,壳体同位素,组,组分不仅受,到,到海水温度,的,的制约，而,且,且还受到海,水,水本身同位,素,素组分背景,值,值的影响。,但,但从总体上,来,来说，在开,放,放性的大洋,环,环境中，由,于,于大洋环境,的,的搅混与调,节,节作用，盐,度,度的变动极,微,微，引起同,位,位素组分的,变,变动甚小（,仅,仅1的幅,度,度），因而,不,不是主要的,影,影响因素。,冰期效应，,在,在地质历史,时,时期中可以,造,造成大洋水,体,体同位素成,分,分的明显变,动,动。当,18,O值向正值,偏,偏移时，意,味,味着冰期的,到,到来，向负,值,值偏移代表,着,着向间冰期,的,的转化。这,种,种冰期效应,可,可以通过生,物,物壳体在大,洋,洋地层中留,下,下明显的记,录,录。,目前一般认,为,为，当以PDB为标,准,准时，底水,温,温度变化1,o,C时，相对,于,于,18,0值0.26的变化,；,；而,18,0值0.1,的变化相,对,对于盐度0.2的变,化,化或间冰期,海,海平面10m的变化。,同,同位素测温,的,的误差约在,0.1,的,的范围内，,对,对应于0.5,o,C的温度变,化,化。,环境地球化,学,学,第,第3页,第五节:碳,酸,酸盐研究与,全,全球变化,3生命效,应,应对壳体,18,0值的影响,生物在造壳,过,过程中所吸,取,取的氧同位,素,素组分还受,到,到生物自身,的,的生长速率,、,、新陈代谢,、,、光合作用,等,等多种生命,效,效应的影响,与,与干扰，即,所,所谓“生物,个,个体的分馏,作,作用”。,只有当生物,体,体内,18,0值与海水,的,的氧同位素,达,达到平衡，,才,才可有效指,示,示古海洋环,境,境。有孔虫,与,与软体动物,壳,壳体的,18,0值与海水,基,基本保持平,衡,衡，因此常,用,用来指示古,海,海洋环境。,环境地球化,学,学,第,第4页,第五节:碳,酸,酸盐研究与,全,全球变化,4氧同位素,应,应用,（,l,）查明地质,时,时期海水古,温,温度的变化,趋,趋势,通过生物氧,同,同位素研究,法,法确定了自,晚,晚白垩纪（,约,约7000,万,万年前）以,来,来全球气候,有,有逐渐变冷,的,的趋势。,Emiliani（1954）根,据,据底栖有孔,虫,虫,18,0值逐渐递,增,增的趋势，,确,确定了自白,垩,垩纪以来，,全,全球大洋深,水,水平均温度,曾,曾从13,o,C逐渐下降,到,到目前的2,o,C左右。,由于在任何,时,时候、任何,地,地区，底栖,有,有孔虫氧同,位,位素温度始,终,终低于浮游,有,有孔虫的氧,同,同位素温度,，,，表明大洋,的,的底层水系,由,由高纬地区,的,的表层水下,沉,沉扩散而来,，,，所以，从,新,新生代底层,水,水的这种变,冷,冷趋势可以,推,推出高纬地,区,区的表层水,以,以致大气圈,也,也存在着逐,渐,渐变冷的趋,势,势。,环境地球化,学,学,第,第5页,底栖有孔虫,的,的氧同位素,测,测定值反映,新,新生代以来,有,有阶梯状逐,渐,渐变冷的总,趋,趋势。,过去7000万年来，,大,大洋深水（,底,底栖有孔虫,）,）氧同位素,测,测定值（,标,标定的增量,单,单位为1Ma）,环境地球化,学,学,第,第6页,南大西洋中,纬,纬度表层水,温,温,太平洋低纬,度,度表层水温,南大西洋深,部,部水温,环境地球化,学,学,第,第7页,经过修改综,合,合的布容期,古,古温度曲线,曲线特征显,示,示：在70,万,万年期间，,清,清晰地显示,出,出波长大体,相,相同、近十,万,万年的周期,变,变化；同时,，,，,18,0值的振幅,十,十分相近，,具,具有相近的,极,极大值与极,小,小值。,（2）揭示,全,全球气候周,期,期变化的趋,势,势,环境地球化,学,学,第,第8页,第五节:碳,酸,酸盐研究与,全,全球变化,（3）建立,大,大洋水柱的,垂,垂直温度梯,度,度剖面,原理：,基于古代灭,绝,绝的浮游有,孔,孔虫也有类,似,似于现生种,那,那样的分层,生,生活的习性,，,，利用生活,在,在不同水深,处,处的浮游有,孔,孔虫以及栖,息,息在不同洋,底,底深度的底,栖,栖有孔虫进,行,行系统的氧,同,同位素测定,，,，从而重塑,大,大洋某一时,段,段自下而上,温,温度结构的,垂,垂向剖面，,以,以了解古大,洋,洋水文结构,中,中十分重要,的,的古温跃层,的,的深度以及,温,温度变化的,梯,梯度。,环境地球化,学,学,第,第9页,第五节:碳,酸,酸盐研究与,全,全球变化,第三纪时期,低,低纬度地区,的,的垂直温度,梯,梯度变化图,环境地球化,学,学,第,第10页,第五节:碳,酸,酸盐研究与,全,全球变化,早上新世平,均,均的0,18,值与深水的,标,标绘图,误差栅线代,表,表1标准,偏,偏差，编号,为,为站位号,环境地球化,学,学,第,第11页,第五节:碳,酸,酸盐研究与,全,全球变化,（二）碳同,位,位素,1.,自然界碳同,位,位素的分布,及,及其在生物,中,中的分馏作,用,用,生物壳体的,13,C主要受极,其,其复杂的生,命,命效应所控,制,制，物理的,因,因素占相当,次,次要的地位,。,。,环境地球化,学,学,第,第12页,第五节:碳,酸,酸盐研究与,全,全球变化,全球不同碳,储,储存库内相,应,应的碳同位,素,素值：,大气中CO,2,含碳0.000069,10,16,t，,13,C为-7,；,大洋,水,水体,中,中溶,解,解的CO,2,含碳0.004,10,16,t，,13,C为0,；,；,碳酸,盐,盐沉,积,积层,含碳7,10,16,t，,13,C为0,；,；,沉积,物,物中,的,的有,机,机质,含碳2,10,16,t，,13,C约,为,为-25,；,地球,内,内部,原,原生,碳,碳,含碳910,16,t，,13,C为-5.5,环境,地,地球,化,化学,第,第13页,第五,节,节:,碳,碳酸,盐,盐研,究,究与,全,全球,变,变化,海水,与,与无,机,机碳,酸,酸盐,中,中的,13,C值,均,均为0,，,，因,此,此当,碳,碳酸,盐,盐从,海,海水,中,中沉,淀,淀出,来,来时,，,，不,会,会影,响,响到,海,海水,原,原先,的,的碳,同,同位,素,素值,，,，即,基,基本,上,上不,会,会引,起,起碳,同,同位,素,素的,分,分馏,作,作用,。,。但,当,当有,机,机物,质,质从,海,海水,中,中析,出,出时,，,，由,于,于两,者,者相,差,差悬,殊,殊，,必,必然,明,明显,地,地影,响,响到,海,海水,中,中的,13,C值,。,。,环境,地,地球,化,化学,第,第14页,第五,节,节:,碳,碳酸,盐,盐研,究,究与,全,全球,变,变化,地球,表,表面,碳,碳同,位,位素,的,的分,馏,馏作,用,用主,要,要是,由,由植,物,物的,光,光合,作,作用,引,引起,。,。,海生,和,和陆,生,生植,物,物碳,同,同位,素,素效,应,应是,明,明显,不,不同,的,的。,这,这是,因,因为,海,海水,与,与大,气,气交,换,换过,程,程中,，,，趋,于,于更,多,多地,逸,逸散,12,C至,大,大气,中,中，,致,致使,大,大气,中,中CO,2,的,13,C值,明,明显,偏,偏低,。,。而,在,在光,合,合作,用,用过,程,程中,，,，陆,生,生植,物,物主,要,要是,提,提取,大,大气,中,中的CO,2,，因,此,此植,物,物体,内,内的,13,C亦,明,明显,偏,偏轻,，,，通,常,常为-23,-35,；,而,而海,生,生植,物,物则,是,是从,海,海水,中,中游,离,离的CO,2,、CO,3,-2,、重,碳,碳酸,根,根中,萃,萃取,碳,碳元,素,素，,相,相对,来,来说,海,海水,含,含,12,C少,，,，因,而,而,13,C稍,高,高，,其,其变,化,化幅,度,度从-17,-30,。,其,其中,，,，在,水,水温,小,小于10,o,C的,情,情况,下,下，,其,其,13,C值,有,有随,温,温度,下,下降,而,而更,偏,偏负,的,的趋,势,势，,但,但在10,o,C以,上,上时,，,，其,13,C限,于,于-17,-22,，,，且,不,不随,温,温度,而,而变,化,化。,因,因此,，,，可,以,以根,据,据有,机,机质,的,的,13,C值,的,的差,异,异作,为,为判,别,别海,、,、陆,相,相的,一,一项,指,指标,。,。,环,境,境,地,地,球,球,化,化,学,学,第,第15页,第,五,五,节,节:,碳,碳,酸,酸,盐,盐,研,研,究,究,与,与,全,全,球,球,变,变,化,化,2,物,物,理,理,因,因,素,素,对,对,壳,壳,体,体,13,C,值,值,的,的,影,影,响,响,与,对,对,氧,氧,同,同,位,位,素,素,值,值,的,的,影,影,响,响,相,相,比,比,，,，,温,温,度,度,、,、,盐,盐,度,度,等,等,物,物,理,理,因,因,素,素,对,对,壳,壳,体,体,13,C,值,值,分,分,馏,馏,作,作,用,用,的,的,影,影,响,响,很,很,小,小,。,。,一,般,般,说,说,来,来,，,，,温,温,度,度1,o,C,的,的,变,变,化,化,可,可,引,引,起,起,18,O,值,值O.2,的,的,变,变,化,化,，,，,但,但,仅,仅,能,能,使,使,13,C,值,值,发,发,生,生0.035,的,的,变,变,化,化,。,。,尽,尽,管,管,如,如,此,此,，,，,在,在,一,一,定,定,条,条,件,件,下,下,，,，,13,C,值,值,仍