講座2化學古海洋學進展

1、化學古海洋學進展化學古海洋學進展海洋化學進展海洋化學進展講座講座2 2陳陳 敏敏廈門大學海洋與環(huán)境學院廈門大學海洋與環(huán)境學院恐龍滅絕之謎恐龍滅絕之謎“恐龍世紀恐龍世紀”事件描述事件描述l 在白堊紀最晚期至第三紀最早期（距今在白堊紀最晚期至第三紀最早期（距今 6500 萬年），萬年），大量生物突然滅絕：大量生物突然滅絕： （1）陸地爬蟲類的屬數(shù)（包括恐龍屬）由）陸地爬蟲類的屬數(shù)（包括恐龍屬）由 54個個 降為降為 23 個；個； （2）海洋浮游生物從）海洋浮游生物從 298 屬減到屬減到 173 屬；屬； （3）海洋底棲生物從）海洋底棲生物從 332 屬減少到屬減少到 99 屬。屬。l 在白堊紀

2、最晚期，地球生物屬的一半以上突然消失，在白堊紀最晚期，地球生物屬的一半以上突然消失，真正滅絕的屬數(shù)可能更多。真正滅絕的屬數(shù)可能更多。事件經(jīng)歷的時間事件經(jīng)歷的時間大滅絕用了多長時間？它是一次短暫的只持續(xù)數(shù)年大滅絕用了多長時間？它是一次短暫的只持續(xù)數(shù)年或數(shù)個世紀的事件，還是經(jīng)過數(shù)百萬年的漫長歷或數(shù)個世紀的事件，還是經(jīng)過數(shù)百萬年的漫長歷程？程？l 白堊紀與第三紀巖層之間的黏土層（白堊紀與第三紀巖層之間的黏土層（1 cm），地），地磁反轉記錄顯示，其時間間隔為磁反轉記錄顯示，其時間間隔為1000年，其后一年，其后一些研究結果顯示為些研究結果顯示為 50 年。年。嫌疑犯是誰？嫌疑犯是誰？（1）海水鹽度變

3、化：）海水鹽度變化：北冰洋北冰洋（湖）（湖）淡水的輸入淡水的輸入 無法解釋恐龍和許多陸生植物的滅絕。無法解釋恐龍和許多陸生植物的滅絕。（2）氣候變化和海平面變化）氣候變化和海平面變化 發(fā)生的時間較長，且時間上無法和大滅絕發(fā)生的時間較長，且時間上無法和大滅絕吻合。在地球歷史上重復發(fā)生，但為什么沒有全部吻合。在地球歷史上重復發(fā)生，但為什么沒有全部均伴隨大滅絕。均伴隨大滅絕。（3）火山爆發(fā)）火山爆發(fā) 印度德干巖群的巨大火山爆發(fā)。發(fā)生時間印度德干巖群的巨大火山爆發(fā)。發(fā)生時間持續(xù)持續(xù)0.5 Ma，與大滅絕不吻合；證據(jù)不可能全球分，與大滅絕不吻合；證據(jù)不可能全球分布；強度無法解釋觀察到的現(xiàn)象。布；強度無法

4、解釋觀察到的現(xiàn)象。 （4 4）地外物質的碰撞：）地外物質的碰撞：礦物學（沖擊石英）證據(jù)礦物學（沖擊石英）證據(jù)Ir元素異常元素異常187Re-187Os同位素異常同位素異常嫌疑犯是誰？嫌疑犯是誰？滅絕生物的手段是什么？滅絕生物的手段是什么？大碰撞冬天：大碰撞冬天：產生的灰塵遮蔽整個世界，缺少陽光，光產生的灰塵遮蔽整個世界，缺少陽光，光合作用無法進行，導致食物鏈崩潰，溫度降到極低。合作用無法進行，導致食物鏈崩潰，溫度降到極低。過冷與過熱：過冷與過熱：溫室氣體（溫室氣體（H2O、CO2）導致在大碰撞冬）導致在大碰撞冬天之后的過熱階段天之后的過熱階段酸雨：酸雨：導致海洋無脊椎動物和植物的大規(guī)模滅絕導致

5、海洋無脊椎動物和植物的大規(guī)模滅絕火焰山：火焰山：碳黑證據(jù)，現(xiàn)有一半森林燃燒碳黑證據(jù)，現(xiàn)有一半森林燃燒直徑數(shù)十公里的彗星或小行星碰撞地球，產生直徑數(shù)十公里的彗星或小行星碰撞地球，產生數(shù)億個百萬噸級的大爆炸。相當于全世界現(xiàn)有數(shù)億個百萬噸級的大爆炸。相當于全世界現(xiàn)有核武庫（核武庫（10000個百萬噸核彈頭）的個百萬噸核彈頭）的10000倍。倍。存存 疑疑l 生物滅絕的周期性：生物滅絕的周期性：伴星理論，伴星理論，3200萬年？萬年？l 隕石坑在哪里？隕石坑在哪里？ （直徑（直徑150 km；印度洋？）；印度洋？）l 幾次碰撞？幾次碰撞？l 彗星還是小行星？彗星還是小行星？l 火山的作用如何？火山的作

6、用如何？啟示啟示l 如果如果6500萬年前的一次偶然碰撞真的抹去地球上一半萬年前的一次偶然碰撞真的抹去地球上一半的生命，那么這種災難在我們星球的生命演化史上一的生命，那么這種災難在我們星球的生命演化史上一定扮演著重要角色，定扮演著重要角色，成功的物種不僅僅是適應的，也成功的物種不僅僅是適應的，也應該是幸運的應該是幸運的。l 化石證據(jù)顯示，在白堊紀末期大滅絕之后，生物進化化石證據(jù)顯示，在白堊紀末期大滅絕之后，生物進化的速率明顯加快，幸存的生物通過各種各樣的方式進的速率明顯加快，幸存的生物通過各種各樣的方式進化來占據(jù)空閑的生態(tài)位。當恐龍滅絕之后，哺乳動物化來占據(jù)空閑的生態(tài)位。當恐龍滅絕之后，哺乳動

7、物開始了爆炸式的進化，真到最終產生人類。因此，人開始了爆炸式的進化，真到最終產生人類。因此，人類的存在應歸功于那場使恐龍滅絕的大碰撞。類的存在應歸功于那場使恐龍滅絕的大碰撞。 可以進行實驗室模擬實驗的科學家是非常幸運可以進行實驗室模擬實驗的科學家是非常幸運的，古海洋學家只能想象將地球放入一個巨大的試的，古海洋學家只能想象將地球放入一個巨大的試管中，然后往其中大氣充入幾億噸的管中，然后往其中大氣充入幾億噸的CO2，來觀察，來觀察該過程對生命與氣候變化的影響。該過程對生命與氣候變化的影響。啟啟 示示 過去過去30年古海洋學取得了巨大的進展，可以說是發(fā)年古海洋學取得了巨大的進展，可以說是發(fā)展最快的學

8、科之一。標準方法與新發(fā)展的技術極大地展最快的學科之一。標準方法與新發(fā)展的技術極大地推進了我們對全球氣候變化的深入了解。高時間分辨推進了我們對全球氣候變化的深入了解。高時間分辨率的研究使我們對地球氣候變化的快速程度感到驚訝。率的研究使我們對地球氣候變化的快速程度感到驚訝。一些看來無望解決的科學問題得到了解決，而一些看一些看來無望解決的科學問題得到了解決，而一些看來已經(jīng)解決的問題又產生了新的疑問。來已經(jīng)解決的問題又產生了新的疑問。化學古海洋學發(fā)展概況化學古海洋學發(fā)展概況（1）新的地球化學示蹤劑的發(fā)展和應用）新的地球化學示蹤劑的發(fā)展和應用（2）過去地球化學環(huán)境的變化）過去地球化學環(huán)境的變化化學古海洋

9、學研究內容化學古海洋學研究內容A world in rapid transition溫度的年代際變化溫度的年代際變化?Ivany et al., Nature, 2000溫度的季節(jié)變化溫度的季節(jié)變化!溫度的季節(jié)變化幅度溫度的季節(jié)變化幅度兩個新技術日趨成熟，并成為古海洋學研究的標準兩個新技術日趨成熟，并成為古海洋學研究的標準工具：工具： （1）氧穩(wěn)定同位素技術：）氧穩(wěn)定同位素技術：從少量實驗室的研究演化從少量實驗室的研究演化成常規(guī)的測定技術，現(xiàn)在全世界每年有成千上萬個成常規(guī)的測定技術，現(xiàn)在全世界每年有成千上萬個18O數(shù)據(jù)產生。數(shù)據(jù)產生。 （2）微古化石技術）微古化石技術：從幾個種類的半定量研究發(fā)

10、展從幾個種類的半定量研究發(fā)展為多種類的基于統(tǒng)計平均的定量研究。為多種類的基于統(tǒng)計平均的定量研究。 14C測年法、測年法、U系測年法和古地磁測年法得到很大的系測年法和古地磁測年法得到很大的發(fā)展和完善。發(fā)展和完善。古海洋學與古氣候學的重要進展古海洋學與古氣候學的重要進展 1950s，Emiliani測定了有孔蟲化石中的測定了有孔蟲化石中的 18O，發(fā)現(xiàn)，發(fā)現(xiàn) 氣候存在周期變化，并提出了軌道隔熱理論加以解氣候存在周期變化，并提出了軌道隔熱理論加以解釋。釋。但直到但直到1970s，U系測年技術、系測年技術、K-Ar測年技術給測年技術給出新的證據(jù)后，該理論才被廣泛接受。出新的證據(jù)后，該理論才被廣泛接受。

11、 （1）由珊瑚化石獲得的海平面變化與軌道參數(shù)變化）由珊瑚化石獲得的海平面變化與軌道參數(shù)變化 相吻合；相吻合； （2）1970s CLIMAP 項目獲得大量沉積物巖心的同項目獲得大量沉積物巖心的同 位素與其他要素的證據(jù)。位素與其他要素的證據(jù)。古海洋學與古氣候學的重要進展古海洋學與古氣候學的重要進展 海洋鉆探項目對沉積物巖心的研究使我們對較長時海洋鉆探項目對沉積物巖心的研究使我們對較長時間尺度地球氣候變化有了新的認識：間尺度地球氣候變化有了新的認識： 首次提供了地球上陸地與海洋重新分布的證據(jù)，老首次提供了地球上陸地與海洋重新分布的證據(jù)，老的海洋消失、新的海洋形成、海盆之間的通道或被的海洋消失、新的

12、海洋形成、海盆之間的通道或被開放或被關閉。開放或被關閉。古海洋學與古氣候學的重要進展古海洋學與古氣候學的重要進展過去過去10年，對高時間分辨率沉積物及極地冰芯的年，對高時間分辨率沉積物及極地冰芯的研究證明，地球氣候變化從冰期的寒冷到間冰期研究證明，地球氣候變化從冰期的寒冷到間冰期的溫暖，有時僅幾十年的時間。的溫暖，有時僅幾十年的時間。 這一發(fā)現(xiàn)的重要啟示是，即使在外部條件恒定的這一發(fā)現(xiàn)的重要啟示是，即使在外部條件恒定的情況下，地球氣候也可能不是恒定的。顯然，預情況下，地球氣候也可能不是恒定的。顯然，預測未來氣候變化是一個非常復雜、艱難的課題。測未來氣候變化是一個非常復雜、艱難的課題。古海洋學與

13、古氣候學的重要進展古海洋學與古氣候學的重要進展 冰期熱帶海域海表溫度到底降低了多少仍是一個謎：冰期熱帶海域海表溫度到底降低了多少仍是一個謎： 1950s，Emiliani指出，海洋有孔蟲指出，海洋有孔蟲 18O記錄顯示，記錄顯示，冰期熱帶海域表層水溫度下降了冰期熱帶海域表層水溫度下降了7-8 C； 1960s中葉，對冰芯的研究又表明，期間熱帶海域表中葉，對冰芯的研究又表明，期間熱帶海域表層水溫度是相對恒定的，其變化不超過層水溫度是相對恒定的，其變化不超過2 C； 1980-1990s，對冰芯、山峰雪分界線等的研究表明，對冰芯、山峰雪分界線等的研究表明，其變化為其變化為4-6 C。古海洋學與古氣

14、候學的重要進展古海洋學與古氣候學的重要進展碳酸鹽示蹤劑：碳酸鹽示蹤劑： 載體：有孔蟲載體：有孔蟲 （1）海洋表、底層均存在；）海洋表、底層均存在； （2）大多數(shù)海域的沉積物中均存在；）大多數(shù)海域的沉積物中均存在； （3）個體相對較大，可用普通顯微鏡分離；）個體相對較大，可用普通顯微鏡分離； （4）較好的封閉體系，即化學組成相對恒定。）較好的封閉體系，即化學組成相對恒定?；瘜W古海洋學示蹤劑化學古海洋學示蹤劑87Sr、86Sr：大陸巖石風化、海底熱液的貢獻。大陸巖石風化、海底熱液的貢獻。 87Sr/86Sr： 河流輸送陸源物質：河流輸送陸源物質：0.70460.7384 海底熱液物質：海底熱液物質

15、： 0.7035碳酸鹽中常用示蹤劑碳酸鹽中常用示蹤劑Sr/Ca比：比：珊瑚化石珊瑚化石Sr/Ca比與海水溫度相關比與海水溫度相關, 據(jù)據(jù)此得出此得出 冰期熱帶海域表層水溫度比現(xiàn)在低冰期熱帶海域表層水溫度比現(xiàn)在低5 C。Cd/Ca比：比：1980-1990s，有孔蟲，有孔蟲Cd/Ca比作為海洋比作為海洋Cd歷歷 史變化的示蹤劑，即可表征海洋磷的記錄史變化的示蹤劑，即可表征海洋磷的記錄Ba/Ca比：比：海洋中海洋中Ba的分布與的分布與Si、總堿度相似，、總堿度相似，研究表研究表 明，有孔蟲明，有孔蟲Ba/Ca比可作為海洋比可作為海洋Ba歷史變化歷史變化 的示蹤劑，進而可構筑總堿度的歷史變化。的示蹤

16、劑，進而可構筑總堿度的歷史變化。 11B：貝殼中貝殼中 11B的變化是海水的變化是海水pH的函數(shù)，從而成的函數(shù)，從而成 為海水為海水pH歷史變化的示蹤劑。歷史變化的示蹤劑。碳酸鹽中常用示蹤劑碳酸鹽中常用示蹤劑碳酸鹽中常用示蹤劑碳酸鹽中常用示蹤劑硅示蹤劑：硅示蹤劑： Ge/Si比：比：硅質化石硅質化石Ge/Si比與海水比與海水Ge/Si比呈比呈鏡像鏡像關系關系 32Si：反映海水中反映海水中硅酸鹽的利用程度。硅酸鹽的利用程度?；瘜W古海洋學示蹤劑化學古海洋學示蹤劑有機物示蹤劑：有機物示蹤劑： UK37：古海水溫度；古海水溫度； 有機物中有機物中 13C：海水中海水中CO2含量的變化含量的變化； 木質素、黑碳等：木質素、黑碳等：陸源、生源的貢獻。陸源、生源的貢獻。化學古海洋學示蹤劑化學古海洋學示蹤劑 化學性質的示蹤劑：化學性質的示蹤劑： 有機物中的有機物中的 13C：（1）生源、陸源有機物質的貢獻）生源、陸源有機物質的貢獻 （2）表層水溫或水體）表層水溫或水體CO2的變化的變化 （3）再生過程分餾的示蹤劑。）再生過程分餾的示蹤劑。 有機物中的有機物中的 15N： 海水海水NO3-利用程度。利用程度。化學古海洋學示蹤劑化學古海洋學示蹤劑古生產力