地球化學(xué)課件9（長松學(xué)堂）

1、第五節(jié)第五節(jié):碳酸鹽研究與全球變化碳酸鹽研究與全球變化第五節(jié)第五節(jié):碳酸鹽研究與全球變化碳酸鹽研究與全球變化1海水溫度對(duì)海水溫度對(duì)18O的影響的影響碳酸鈣從水溶液中沉淀出來進(jìn)入生物殼體時(shí)，相互間發(fā)生同位素交換反應(yīng)，反應(yīng)方程為： 1/3CaCO316H2O181/3CaC0318H2O16 當(dāng)反應(yīng)達(dá)到平衡時(shí)，其平衡常數(shù)與溫度間有確定的關(guān)系，即碳酸鈣的氧同位素組成是溫度的函數(shù)。溫度升高時(shí)，相對(duì)較輕的16O由于有較高的活性，易于遷移，在同位素交換反應(yīng)中將優(yōu)先被吸收進(jìn)生物殼體內(nèi)，致使18O含量相對(duì)減少，180值隨溫度的上升而下降。最適用于有孔蟲同位素分析的關(guān)系式： t16.94.4(sw)0.10(s

2、w)2式中，s：殼體中氧同位素值，w：水體的氧同位素值第五節(jié)第五節(jié):碳酸鹽研究與全球變化碳酸鹽研究與全球變化v殼體同位素組分不僅受到海水溫度的制約，而且還受到海水本身同位素組分背景值的影響。但從總體上來說，在開放性的大洋環(huán)境中，由于大洋環(huán)境的攪混與調(diào)節(jié)作用，鹽度的變動(dòng)極微，引起同位素組分的變動(dòng)甚?。▋H1的幅度），因而不是主要的影響因素。 v冰期效應(yīng)，在地質(zhì)歷史時(shí)期中可以造成大洋水體同位素成分的明顯變動(dòng)。當(dāng)18O值向正值偏移時(shí)，意味著冰期的到來，向負(fù)值偏移代表著向間冰期的轉(zhuǎn)化。這種冰期效應(yīng)可以通過生物殼體在大洋地層中留下明顯的記錄。v目前一般認(rèn)為，當(dāng)以 PDB為標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，底水溫度變化1oC時(shí)，相對(duì)

3、于180值0.26的變化；而180值0.1的變化相對(duì)于鹽度0.2的變化或間冰期海平面10m的變化。同位素測(cè)溫的誤差約在0.1的范圍內(nèi)，對(duì)應(yīng)于0.5oC的溫度變化。第五節(jié)第五節(jié):碳酸鹽研究與全球變化碳酸鹽研究與全球變化3 3生命效應(yīng)對(duì)殼體生命效應(yīng)對(duì)殼體18180 0值的影響值的影響生物在造殼過程中所吸取的氧同位素組分還受到生物自身的生長速率、新陳代謝、光合作用等多種生命效應(yīng)的影響與干擾，即所謂“生物個(gè)體的分餾作用”。只有當(dāng)生物體內(nèi)180值與海水的氧同位素達(dá)到平衡，才可有效指示古海洋環(huán)境。有孔蟲與軟體動(dòng)物殼體的180值與海水基本保持平衡，因此常用來指示古海洋環(huán)境。第五節(jié)第五節(jié):碳酸鹽研究與全球變化

4、碳酸鹽研究與全球變化4 4氧同位素應(yīng)用氧同位素應(yīng)用（l l）查明地質(zhì)時(shí)期海水古溫度的變化趨勢(shì)）查明地質(zhì)時(shí)期海水古溫度的變化趨勢(shì) 通過生物氧同位素研究法確定了自晚白堊紀(jì)（約7000萬年前）以來全球氣候有逐漸變冷的趨勢(shì)。 Emiliani（1954）根據(jù)底棲有孔蟲180值逐漸遞增的趨勢(shì)，確定了自白堊紀(jì)以來，全球大洋深水平均溫度曾從13oC逐漸下降到目前的2oC左右。由于在任何時(shí)候、任何地區(qū)，底棲有孔蟲氧同位素溫度始終低于浮游有孔蟲的氧同位素溫度，表明大洋的底層水系由高緯地區(qū)的表層水下沉擴(kuò)散而來，所以，從新生代底層水的這種變冷趨勢(shì)可以推出高緯地區(qū)的表層水以致大氣圈也存在著逐漸變冷的趨勢(shì)。第五節(jié)第五節(jié)

5、:碳酸鹽研究與全球變化碳酸鹽研究與全球變化過去過去7000萬年來，大洋深水（底棲有孔蟲）氧同位素測(cè)定值萬年來，大洋深水（底棲有孔蟲）氧同位素測(cè)定值（標(biāo)定的增量單位為（標(biāo)定的增量單位為1Ma ）底棲有孔蟲的氧同位素測(cè)定值反映新生代以來有階梯狀逐漸變冷的總趨勢(shì)。 南極海冰南極海冰大量形成大量形成南南極極冰冰蓋蓋形形成成北北半半球球冰冰蓋蓋形形成成第五節(jié)第五節(jié):碳酸鹽研究與全球變化碳酸鹽研究與全球變化據(jù)據(jù)180值作出的值作出的7000萬年以來大洋水溫變化圖萬年以來大洋水溫變化圖太太平平洋洋低低緯緯度度表表層層水水溫溫南南大大西西洋洋中中緯緯度度表表層層水水溫溫南南大大西西洋洋深深部部水水溫溫第五節(jié)第

6、五節(jié):碳酸鹽研究與全球變化碳酸鹽研究與全球變化經(jīng)過修改綜合的布容期古溫度曲線經(jīng)過修改綜合的布容期古溫度曲線曲線特征顯示：在70萬年期間，清晰地顯示出波長大體相同、近十萬年的周期變化；同時(shí)，180值的振幅十分相近，具有相近的極大值與極小值。（2）揭示全球氣候周期變化的趨勢(shì)）揭示全球氣候周期變化的趨勢(shì)第五節(jié)第五節(jié):碳酸鹽研究與全球變化碳酸鹽研究與全球變化原理：原理：基于古代滅絕的浮游有孔蟲也有類似于現(xiàn)生種那樣的分層生活的習(xí)性，利用生活在不同水深處的浮游有孔蟲以及棲息在不同洋底深度的底棲有孔蟲進(jìn)行系統(tǒng)的氧同位素測(cè)定，從而重塑大洋某一時(shí)段自下而上溫度結(jié)構(gòu)的垂向剖面，以了解古大洋水文結(jié)構(gòu)中十分重要的古溫

7、躍層的深度以及溫度變化的梯度 。第五節(jié)第五節(jié):碳酸鹽研究與全球變化碳酸鹽研究與全球變化第三紀(jì)時(shí)期低緯度地區(qū)的垂直溫度梯度變化圖第三紀(jì)時(shí)期低緯度地區(qū)的垂直溫度梯度變化圖 第五節(jié)第五節(jié):碳酸鹽研究與全球變化碳酸鹽研究與全球變化早上新世平均的早上新世平均的018值與深水的標(biāo)繪圖值與深水的標(biāo)繪圖誤差柵線代表1標(biāo)準(zhǔn)偏差，編號(hào)為站位號(hào) 第五節(jié)第五節(jié):碳酸鹽研究與全球變化碳酸鹽研究與全球變化（二）碳同位素（二）碳同位素1.1.自然界碳同位素的分布及其在生物中的分餾自然界碳同位素的分布及其在生物中的分餾作用作用生物殼體的13C主要受極其復(fù)雜的生命效應(yīng)所控制，物理的因素占相當(dāng)次要的地位。第五節(jié)第五節(jié):碳酸鹽研究

8、與全球變化碳酸鹽研究與全球變化大氣中大氣中CO2含碳0.0000691016t，13C為-7；大洋水體中溶解的大洋水體中溶解的CO2含碳 0.0041016t，13C為0；碳酸鹽沉積層碳酸鹽沉積層含碳 71016t，13C為0；沉積物中的有機(jī)質(zhì)沉積物中的有機(jī)質(zhì)含碳 21016t，13C約為-25；地球內(nèi)部原生碳地球內(nèi)部原生碳含碳91016t，13C為-5.5碳同位素在天然物質(zhì)中的分配（以13C ）C：還原碳；CO2：氧化碳第五節(jié)第五節(jié):碳酸鹽研究與全球變化碳酸鹽研究與全球變化海水與無機(jī)碳酸鹽中的13C值均為0，因此當(dāng)碳酸鹽從海水中沉淀出來時(shí)，不會(huì)影響到海水原先的碳同位素值，即基本上不會(huì)引起碳同

9、位素的分餾作用。但當(dāng)有機(jī)物質(zhì)從海水中析出時(shí)，由于兩者相差懸殊，必然明顯地影響到海水中的13C值。第五節(jié)第五節(jié):碳酸鹽研究與全球變化碳酸鹽研究與全球變化地球表面碳同位素的分餾作用主要是由植物的光合作用引起。 海生和陸生植物碳同位素效應(yīng)是明顯不同的。這是因?yàn)楹Ｋc大氣交換過程中，趨于更多地逸散12C至大氣中，致使大氣中CO2的13C值明顯偏低。而在光合作用過程中，陸生植物主要是提取大氣中的CO2，因此植物體內(nèi)的13C亦明顯偏輕，通常為-23-35；而海生植物則是從海水中游離的CO2、CO3-2、重碳酸根中萃取碳元素，相對(duì)來說海水含12C少，因而13C稍高，其變化幅度從-17-30。其中，在水溫小于

10、 10oC的情況下，其13C值有隨溫度下降而更偏負(fù)的趨勢(shì)，但在10oC以上時(shí)，其13C限于-17-22，且不隨溫度而變化。因此，可以根據(jù)有機(jī)質(zhì)的13C值的差異作為判別海、陸相的一項(xiàng)指標(biāo)。第五節(jié)第五節(jié):碳酸鹽研究與全球變化碳酸鹽研究與全球變化2 2物理因素對(duì)殼體物理因素對(duì)殼體1313C C值的影響值的影響與對(duì)氧同位素值的影響相比，溫度、鹽度等物理因素對(duì)殼體13C值分餾作用的影響很小。一般說來，溫度1oC的變化可引起18O值O.2的變化，但僅能使13C值發(fā)生0.035的變化。盡管如此，在一定條件下，13C值仍可以配合其它標(biāo)志作為推斷古溫度變化的一種輔助資料。第五節(jié)第五節(jié):碳酸鹽研究與全球變化碳酸鹽

11、研究與全球變化3 3碳同位素的應(yīng)用碳同位素的應(yīng)用1 1）反映森林植被面積及冰期效應(yīng)）反映森林植被面積及冰期效應(yīng) 冰期時(shí)，原間冰期的北方森林被冰雪覆蓋，或成為冰原，而熱帶地區(qū)又變得十分干旱，其森林面積也大為減少，因此森林總面積急劇下將，大量的12C轉(zhuǎn)移到大氣中，通過海水與大氣的交換，直接影響到海水的碳同位素，13C值明顯降低。與此相反，間冰期時(shí)，森林大規(guī)模復(fù)蘇，海水的13C值隨之回升。第五節(jié)第五節(jié):碳酸鹽研究與全球變化碳酸鹽研究與全球變化2 2）指示水團(tuán)的性質(zhì)（肥力、含氧量）、來源及年齡）指示水團(tuán)的性質(zhì)（肥力、含氧量）、來源及年齡深海垂向剖面中，CO2、13C、含氧量等存在規(guī)律性變化。大洋表層，

12、作為初始生產(chǎn)者的浮游藻類，通過光合作用大量吸取水體中的CO2使其含量大幅度下降。同時(shí)，進(jìn)行光合作用的過程中大量釋放O2，所以在表層水中的含氧量較高。據(jù)估計(jì)，目前大洋表層水中平均的CO2分壓（2951011Pa）僅相當(dāng)于深水CO2分壓的（10001011Pa）1/3。由于生物在吸收CO2時(shí)傾向于萃取其中的12C，因而隨著CO2含量的下降，13C值卻明顯升高，可達(dá)1.82.0。隨著深度加大，到達(dá)缺氧層，生物遺體與碎屑在沉降過程中不斷發(fā)生腐解，在轉(zhuǎn)換成營養(yǎng)鹽時(shí)，吸取02，釋放CO2，并使12C回歸到海水中，因而使這里的營養(yǎng)鹽含量（肥力）與CO2含量明顯增加，但含氧量及13C值卻大幅度地減少。再向下至

13、中層及深層水體，有機(jī)物質(zhì)減少，同時(shí)由于極地表層水為深層水帶來 O2，致使深水團(tuán)流經(jīng)地區(qū)的含氧量及13C值再度上升。 第五節(jié)第五節(jié):碳酸鹽研究與全球變化碳酸鹽研究與全球變化第五節(jié)第五節(jié):碳酸鹽研究與全球變化碳酸鹽研究與全球變化3 3）指示大氣成分、生物量及有機(jī)碳堆積量的變化）指示大氣成分、生物量及有機(jī)碳堆積量的變化大氣CO2含量以及地球表面反射率的變化是增進(jìn)氣候變化的兩個(gè)強(qiáng)化劑。除工業(yè)化后人類的影響因素外，全球各種自然條件，例如生物界的變化，洋底熱水活動(dòng)強(qiáng)度的變化，都能直接或間接地引起大氣中CO2含量的變化，從而影響到全球氣候的變更。研究表明：當(dāng)大氣中CO2的濃度比現(xiàn)在增加一倍時(shí)，將通過大氣圈的

14、溫室效應(yīng)使全球的平均氣溫增加1.54。極地冰心氣泡研究證明：地質(zhì)時(shí)期內(nèi)CO2曾發(fā)生過巨大變化且這種變化與氣候變化之間的時(shí)差不超過2000年。第五節(jié)第五節(jié):碳酸鹽研究與全球變化碳酸鹽研究與全球變化地質(zhì)時(shí)期中，許多原因都可引起大洋大氣系統(tǒng)中CO2含量的變化。v 溫度因素溫度因素Climap（1976）計(jì)算出未次冰期表層水當(dāng)時(shí)平均水溫比現(xiàn)在低2.5oC左右。每冷卻1oC將使表層海水的CO2分壓下降1310-1Pa，因此冰期時(shí)CO2分壓下降約3310-1Pa，表明CO2含量顯著減少。但與此同時(shí)，由于冰蓋的形成，使海水鹽度上升約0.9，由此造成海水CO2分壓相對(duì)升高，補(bǔ)償了由溫度引起的下降值約2/3。第

15、五節(jié)第五節(jié):碳酸鹽研究與全球變化碳酸鹽研究與全球變化v 冰期與間冰期對(duì)碳酸鹽溶解作用的影響不同，也會(huì)引起海水中CO2總含量的變化。經(jīng)計(jì)算，末次冰期極盛期的CO2含量稍高于間冰期，兩者的比值為1.150.5。這樣，由海水表溫、鹽度、冰川體積等因素變化引起的大氣CO2濃度變化僅占實(shí)際變化的5。因此，如果當(dāng)時(shí)不存在其它海水化學(xué)性質(zhì)的變化，則大氣CO2含量將保持近于恒定。事實(shí)上CO2含量卻存在著大幅度的變化，可見大洋表層水體必定發(fā)生過顯著的變化。第五節(jié)第五節(jié):碳酸鹽研究與全球變化碳酸鹽研究與全球變化Broecker（1982）認(rèn)為海水化學(xué)性質(zhì)變化主要是由于大洋中PO4含量變動(dòng)引起的。海水中磷、氮等元素

16、是生物賴以生存的營養(yǎng)物質(zhì)，因此磷、氮等含量的多寡，直接影響到生物繁殖量的增減，進(jìn)一步也就決定了海水表層CO2被提取的程度 。海洋生物量的變動(dòng)可以通過深海區(qū)生物成因沉積物的沉積速率差異得到證明。因此，大氣中CO2含量的變化不僅反映了氣候的變動(dòng)，還可以間接地標(biāo)志大洋生物量的變異。第五節(jié)第五節(jié):碳酸鹽研究與全球變化碳酸鹽研究與全球變化目前來講，用以最直接量度古代CO2含量的手段是從極地冰心的氣泡包裹體中直接測(cè)出地史時(shí)期大氣的CO2含量。表層水中由于CO2的減少，13C值相應(yīng)增大，但是深層儲(chǔ)庫中的13C值由于不受表層生物量變異的影響，因此一般都保持不變，這樣表層與深層水間碳同位素組分的差值（13C）可

17、以作為大氣CO2含量變化的監(jiān)察器。第五節(jié)第五節(jié):碳酸鹽研究與全球變化碳酸鹽研究與全球變化熱帶東太平洋V19-30柱狀樣15萬年來浮游有孔蟲N.dutertrei與底棲有孔蟲U.sentioncosa碳同位素組分的差值（13C） 變化圖左側(cè)為與此相應(yīng)的大氣CO2含量的標(biāo)尺，粗線為Nefvel等人推算的幾萬年來大氣中CO2含量的編號(hào)范圍第五節(jié)第五節(jié):碳酸鹽研究與全球變化碳酸鹽研究與全球變化南大西洋南大西洋DSDP525、528鉆孔的新生代鉆孔的新生代13C值記錄值記錄第五節(jié)第五節(jié):碳酸鹽研究與全球變化碳酸鹽研究與全球變化新生代以來全球有機(jī)碳埋藏量的變化新生代以來全球有機(jī)碳埋藏量的變化 第五節(jié)第五節(jié):碳酸鹽研究與全球變化碳酸鹽研究與全球變化生物量的變化不僅可用來恢復(fù)冰期一間冰期的更替，而且對(duì)于地球演化史上重大地史事件的研究也具有較大的意義。當(dāng)一次災(zāi)變事件發(fā)生時(shí)，除了造成許多種屬的生物滅絕，分異度驟然下降外，還直接引起生物量大幅