《沉積環(huán)境與沉積相》課程讀書報(bào)告

1、沉積環(huán)境與沉積相課程讀書報(bào)告穩(wěn)定碳，氧同位素在沉積學(xué)中的應(yīng)用摘要：碳，氧同位素在在地球科學(xué)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。從巖石地球化學(xué)，礦床學(xué)到沉積學(xué)都有著深入的研究應(yīng)用。本文通過碳，氧同位素在古環(huán)境恢復(fù)，古氣候分析以及古海拔高度測定四個方面的應(yīng)用，以前人的研究成果為實(shí)例，介紹了碳，氧同位素在沉積學(xué)方面的應(yīng)用。關(guān)鍵詞：碳，氧同位素；古環(huán)境；古氣候；古海拔高度由于同一元素的穩(wěn)定同位素的質(zhì)量不同，因此它們在物理化學(xué)和熱力學(xué)性質(zhì)上就存在一定的差異，特別是H、0、C等質(zhì)量較小的元素，同位素之間的相對質(zhì)量差較大，在自然界中的各中物理化學(xué)過程（如擴(kuò)散、蒸發(fā)、滲透、吸附、結(jié)晶交代、沉積及生物作用）中就有可能發(fā)生明顯的

2、同位素分餾作用，因此自然界中的同位素組成的變異是物理化學(xué)條件的反映。正是由于同位素的這些特點(diǎn)，同位素在沉積學(xué)中的應(yīng)用越來越多的引起人們的注意，尤其是在古環(huán)境重建，古氣候分析，古鹽度測定方面尤為突出。其中C,O,S在這些方面的應(yīng)用的較多，效果也較好。1 C，O同位素的化學(xué)性質(zhì)自然界中氧有三種同位素160,170,180,它們的相對豐度分別是99.763%、0.0375%,0,1995%。沉積巖的8180變化范圍大，為1036%。其中砂巖的Si80最低，為1016%。；頁巖其次，為1419%。；石灰?guī)r最高，為2236%°。自然界中碳有兩種同位素12C13C,它們的相對豐度分別是98.89

3、%和1.11%。碳同位素標(biāo)準(zhǔn)是PDB。自然界碳同位素分餾可達(dá)到160%。最重的碳是出現(xiàn)在碳質(zhì)球粒隕石中的碳酸鹽，13813c達(dá)70%o，最重的白云石138113C達(dá)55%o。最輕的碳是天然氣甲烷，13813C值低至-90%。沉積碳酸鹽的碳同位素組成比較穩(wěn)定，由寒武紀(jì)到第三紀(jì)的海相碳酸鹽813C幾乎都接近于零，淡水碳酸鹽則有較大的變化，且相對富12C，因此根據(jù)碳酸鹽的碳同位素組成可以大致推斷其沉積環(huán)境。有異常富12C（513C：-23%o-60%。）的碳酸鹽，多半情況下與細(xì)菌快速氧化有機(jī)碳形成CO2的過程有關(guān)，沉積巖中有機(jī)碳同樣具有很低的513C值（-15%。-40%）。不同沉積環(huán)境的有機(jī)碳同位

4、素組成的差別，主要與它們的植物源有關(guān)。利用沉積物中有機(jī)碳的513C值變化可以推斷確定沉積巖的物質(zhì)來源。2 C,0同位素在沉積學(xué)中的應(yīng)用2.1 C,0同位素在古環(huán)境恢復(fù)中的應(yīng)用碳酸鹽中穩(wěn)定的碳，氧同位素可以用來定量的恢復(fù)沉積環(huán)境，古鹽度，以及成巖環(huán)境。碳，氧的穩(wěn)定同位素5曲、5180值的變化趨勢都是與鹽度有關(guān)。特別是513C的值主要受水體含鹽度的制約，并與水體深度成反比，5曲的值大，含鹽度高，湖水淺，屬湖退系列，顆粒灘較發(fā)育；值小，含鹽度低，湖水就深，屬湖浸系列，泥坪、灰泥坪發(fā)育。同時(shí)由于氧同位素互相之間的比重差異，導(dǎo)致水分子具有不同的比重。在自然界的蒸發(fā)過程中，輕的水分子比重的水分子易蒸發(fā)而富

5、集與蒸汽相，而在凝聚作用中重的水分子會優(yōu)先凝結(jié)，從而導(dǎo)致了氧同位素在汽，液相之間的分餾。在赤道大洋有較強(qiáng)的蒸發(fā)作用，海水的蒸發(fā)是汽相富集輕的水分子，云凝聚過程中重的水分子優(yōu)先凝結(jié)成雨。水分子經(jīng)過多次反復(fù)的蒸發(fā)凝聚作用使內(nèi)陸及高緯度地區(qū)雨、雪集中了最輕的水，而在低緯度的大洋地區(qū)富集了最重的水。從而導(dǎo)致了由低緯度到高緯度以及從大洋到內(nèi)陸水體中氧同位素的分餾?；骱晚f伯把513C和5180二者結(jié)合起來，用以指示古鹽度及古環(huán)境，他們推導(dǎo)出下列方程式，Z=2.048X（513C+50）+0.498X（518。+50）其中Z值是指示古鹽度的參數(shù)，含鹽度高，水淺，Z值大，反之則小。當(dāng)Z值大于120時(shí)為海相（

6、或陸相湖泊咸水）灰（云）巖，當(dāng)Z值小于120時(shí)，為淡水灰（云）巖。李建明，李慧，施輝等人曾經(jīng)對柴西南翼山淺油藏儲層進(jìn)行了研究。通過對區(qū)域內(nèi)碳酸鹽中碳氧同位素513C、5180數(shù)值的分析和研究，闡述了碳氧同位素在沉積相劃分以及在沉積環(huán)境中的應(yīng)用。通過對該區(qū)域地層巖性的調(diào)查發(fā)現(xiàn)該區(qū)域以碳酸鹽和碎屑巖為主。并重點(diǎn)研究的碳酸鹽的巖性特征。該區(qū)域碳酸鹽主要分為顆?；?guī)r、顆粒白云巖、泥晶灰?guī)r、泥晶白云巖以及藻灰（云）巖。通過對巖石中碳氧同位素5曲、5180測定，并對所得數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，李建明，李慧，施輝等人推測出了該碳酸鹽形成時(shí)的古鹽度。張倩、張保珍等人曾對青海湖淺層沉積物中介形蟲以及湖底泉華中碳，氧同位素

7、的值來分析恢復(fù)青海湖的古環(huán)境。海相微體有孔蟲5180值可作為環(huán)境指標(biāo)而被廣泛應(yīng)用。海相有機(jī)體沉積的碳酸鈣與溫度有關(guān)。Craig（1965）曾對Epstein的碳氧同位素含量與溫度關(guān)系的公式進(jìn)行了修改：T=16.9-4.2(5c-5w)+0.13(5c-5w)2其中T為溫度，5c為被測樣品的80值，5w為水體的80的值。在同位素平衡的條件下，沉積碳酸鹽巖的5180值與其宿生水5180值的差值是溫度的函數(shù)。若宿生水的“80值保持不變，則碳酸鹽的同位素組成只與溫度有關(guān)。但是，對于內(nèi)陸湖泊特別是高原湖泊其水體的5180值隨補(bǔ)給量和時(shí)間等因素改變，因此其溫度較難確定。但是Chivasetal(1986)

8、在控制同位素的條件下，培養(yǎng)介形蟲。經(jīng)研究證實(shí),蟲殼是在與其宿生水呈同位素平衡的環(huán)境下形成的,蟲殼的5180.是溫度與鹽度的函數(shù)。由此可見,湖相介形蟲殼的同位素值的變化是能夠反映其宿水環(huán)境的相對冷暖和鹽度變化的。張倩、張保珍等人便通過對樣品的碳氧同位素的分析，推測了青海湖的古水體環(huán)境。2.2 C，0同位素在古氣候重建方面的應(yīng)用由于碳氧同位素5曲、5180的值與溫度，鹽度等因素具有一定的相關(guān)性。因此可以通過對一套連續(xù)的不同時(shí)期的樣品進(jìn)行碳氧同位素的綜合分析，來重建和恢復(fù)某一地區(qū)的古氣候。2.2.1依靠植物化石中的C,0同位素來重建古氣候Farquhar等建立了的C3植物碳同位素分餾模式公式：5p=

9、5aa(ba)(Pi/Pa),A二a+(ba)(Pi/Pa)。5p為C3植物纖維素的碳同位素組成513C值；5a為大氣C02的碳同位素組成5曲值；A為大氣二氧化碳與C3植物之間的碳同位素分餾值，其大小為5a-5p；a指M02和曲02的不同擴(kuò)散系數(shù)(其值約為4.4%);b指由RUBP羧化酶所決定的分餾系數(shù)(約為27%)oPi和Pa分別表示在光合作用過程中，葉子細(xì)胞內(nèi)部和外部的二氧化碳局部壓力或濃度oPi與Pa之間又有如下關(guān)系：Pi=Pa-A/g，式中A為植物對二氧化碳的同化速率，g為植物葉子的氣孔導(dǎo)度。大量研究表明:許多環(huán)境因素都可影響植物的碳同位素分餾(A值)和組成(5p)o因此，利用植物的5

10、p就有可能反演大氣C02的5a及環(huán)境因素的變化。Edwards等在綜合前人的研究基礎(chǔ)上提出了一個數(shù)學(xué)模型。他們認(rèn)為植物纖維素組成與大氣降水同位素組成有如下關(guān)系：(5c+1000%o)/(5a+1000%o)=a*b*ca(b*c1)h。其中5c和5a分別為植物纖維素組成和大氣降水同位素組成，h是相對濕度，b和c分別為蒸騰過程中平衡分餾系數(shù)和動力分餾系數(shù)，a是葉片水和纖維素之間的總生化分餾系數(shù)。但上述模型的建立有兩個前提條件：空氣水汽與植物利用源水同位素組成之間同位素交換平衡;植物纖維素同位素組成只與葉片水同位素組成和葉片發(fā)生的生化過程有關(guān)。孫艷榮，穆治國和崔海亭曾經(jīng)對依靠古木樹輪的碳、氫、氧同

11、位素來重建古氣候進(jìn)行研究。植物的生長是一個吸收二氧化碳和水進(jìn)行光合作用的過程。因此樹輪中碳?xì)溲跬凰氐暮恳部梢苑从撤从硺淠旧L過程中大氣圈和水圈同位素的組成特點(diǎn)。同時(shí)植物的光和作用過程也是一個受環(huán)境制約的同位素的分餾過程，因此經(jīng)過這一過程形成的植物同位素的組成，記錄了氣候變化的相關(guān)信息。樹輪碳、氫、氧同位素已成為古氣候?qū)W家研究古氣候、古環(huán)境變化的一個有力工具。另外,埋藏古木作為環(huán)境變化分析的主要量化手段,與現(xiàn)代樹木的研究相比,埋藏古木雖不能精確定年,但卻保留有地質(zhì)歷史時(shí)期的季節(jié)性、年生長條件、水分利用和森林生產(chǎn)率等詳細(xì)環(huán)境信息,依據(jù)古木解剖特征與氣候變量間的數(shù)學(xué)模型精確的計(jì)算溫度,降雨量等氣

12、候因子,已成為全球變化定量化研究中一個重要工具。2.2.2依靠動物化石中的C,0同位素重建古氣候依靠動物化石特別是哺乳動物的牙齒化石中碳氧同位素含量來分析恢復(fù)古氣候已有較廣泛的研究。哺乳動物化石牙齒釉質(zhì)能有效地抵抗成巖作用的影響,并保存原始的碳、氧穩(wěn)定同位素組成信息通過分析食草類動物碳氧同位素的組成,可以重建這些動物生存時(shí)代的古氣候。釉質(zhì)碳酸鹽的碳同位素與動物所取食植物的碳同位素組成有關(guān),因此可以恢復(fù)陸地生態(tài)系統(tǒng)中C3和C4植物的分布比例，這個比例主要受控于大氣的二氧化碳水平、氣壓和光照等因素,與不同的緯度帶和氣候帶有關(guān)；釉質(zhì)磷酸鹽的氧同位素組成響應(yīng)于飲用水的氧同位素組成，飲用水來源于大氣降水

13、，其氧同位素組成響應(yīng)于溫度變化，所以釉質(zhì)的氧同位素組成與氣溫之間有顯著的線性相關(guān)，因此可以計(jì)算地史時(shí)期的年平均溫度、繪制氣候的冷暖變化曲線。李玉梅，劉東生等人曾對雅魯藏布大峽谷羚牛牙齒琺瑯質(zhì)碳、氧同位素組成進(jìn)行了分析研究，分析了現(xiàn)在生物牙齒碳氧同位素與其所生存環(huán)境之間的關(guān)系。董軍社，鄧濤等人則對哺乳動物化石牙齒釉質(zhì)碳氧同位素與古氣候關(guān)系之間進(jìn)行了研究。2.2.3依靠巖石中的C,O同位素重建古氣候由于碳酸鹽中的C,O同位素與溫度，鹽度的等因素有關(guān)，因此可以同過對不同時(shí)代沉積的碳酸鹽巖中碳氧同位素的值進(jìn)行分析，來重建恢復(fù)古氣候的變化。高玄，李勇等人曾對沱沱河沉積物進(jìn)行了研究。經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，而對于封

14、閉的水體,高5i3C和Si80比值反映湖盆處于相對強(qiáng)烈的蒸發(fā)期，匯水量小于蒸發(fā)量，氣候炎熱干燥。相反，低513C和§180比值反映溫暖濕潤條件下，湖水補(bǔ)給量增加，湖平面上升，水體淡化。而沱沱河屬于一個封閉的水體。因此，通過分析沱沱河盆地內(nèi)沉積巖中碳氧同位素的變化規(guī)律，恢復(fù)重建了沱沱河古近紀(jì)和新近紀(jì)的古氣候變化。2.3 C，0同位素在古海拔測定中的應(yīng)用經(jīng)過前面的分析可知，無論是生物體內(nèi)還是巖石中的碳氧同位素都與溫度具有一定的相關(guān)性?？梢酝ㄟ^對所獲取的碳氧同位素?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行分析就可以推測出這個地區(qū)某段時(shí)間內(nèi)溫度的變化。然而對于一個地區(qū)，溫度又與該地區(qū)的海拔高度具有一定的相關(guān)性。藉此可以建立其

15、碳氧同位素與古海拔高度的相關(guān)性。因此可以通過對該地區(qū)巖石中碳氧同位素的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，來推測該地區(qū)某一地史時(shí)期古海拔高度的變化。吳珍漢，趙遜等人曾依靠青藏高原沉積物中碳氧同位素估算了青藏高原古海拔高度。通過對青藏高原南部14個不同海拔高度的第四紀(jì)湖相沉積露頭,在剖面不同部位采集了35個湖相沉積樣品,結(jié)合海拔高度與年均氣溫的相關(guān)分析,依靠碳氧同位素與溫度，溫度和海拔高度之間的相關(guān)性，建立了湖相沉積碳氧同位素古海拔高度計(jì)。繪制出了青藏高原晚新生代古海拔高度分布圖。-E三亦=E蘭¥W迄全*理二二-QEi耳wn-hyx養(yǎng)富冬轍蘭=-"辺辺5SX®二.;+.T密三斗*歲親集圭

16、»£3一于熬蘭垢禧9理箱3才圖1青藏高原晚新生代古海拔高度分布圖。3 討論由于碳，氧穩(wěn)定同位素性質(zhì)的差異，因此在參與自然界中的物理化學(xué)過程中就會表現(xiàn)出分餾作用。因此自然界物質(zhì)中的碳氧同位素含量記錄了外界條件變化。由于碳氧穩(wěn)定同位素的數(shù)值與溫度，鹽度等條件有關(guān)。而溫度與該地區(qū)沉積物形成時(shí)所在的區(qū)所在的緯度有一定的相關(guān)性，因此利用碳氧穩(wěn)定同位素來推測古緯度等方面也有一定的意義。此外，對于不同的食草動物，以C3植物為食和以C4植物為食，其體內(nèi)所含的碳氧同位素的數(shù)值是不同的。因此，可以藉此來推測歷史時(shí)期C3和C4植物的分布狀況。碳氧同位素不僅在沉積學(xué)中具有廣泛的應(yīng)用，在找礦反面也有

17、較為廣闊的前景。4.結(jié)論1）由于碳氧穩(wěn)定同位素與溫度和鹽度等因素具有一定的相關(guān)性，因此可以推斷沉積環(huán)境和古鹽度測定。2）利用一套地層中碳氧同位素的變化，可以推斷歷史時(shí)期某一地區(qū)古氣候的變化。3）碳氧同位素與溫度具有一定的相關(guān)性，而溫度與該地區(qū)地史時(shí)期的古海拔高度有一定的相關(guān)性，因此就可以建立起碳氧同位素與海拔高度的相關(guān)性。藉此，可以利用碳氧同位素來推測某一地區(qū)的古海拔高度。參考文獻(xiàn)1 董軍社，鄧濤。哺乳動物化石牙齒釉質(zhì)的碳、氧同位素組成與古氣候重建方面的研究進(jìn)展。古脊椎動物學(xué)報(bào)。19982 徐文圻，周亞敏，肖孟華。初論碳酸鹽巖地區(qū)利用碳、氧同位素地球化學(xué)找礦的可能性。礦產(chǎn)與地質(zhì)。19913 張

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