冰期旋回中碳酸盐岩δ13C变化规律

地球科学原理之15冰期旋回中碳酸盐岩δ13C变化规律广东海洋大学廖永岩（电子信箱：[e-mail]）现在开始，我们来谈谈冰川的地质作用的地球化学证据。先来了解一下冰期旋回中碳酸盐岩δ13C规律变化的基本规律。由于关系到人类的生存和可持续性发展，全球变化，已成为当今最热门的话题和研究领域。将古论今，为了更好地了解和研究当今的全球变化，科学家对古冰川进行了大量的研究。在古冰川的研究中，研究者发现，冰川形成过程中，随着δ18O正漂移，碳酸盐岩中δ13C逐渐正漂移，最大值可达+11；当冰川形成到一定程度时，δ13C强烈负漂移，最负值可达-7。紧接着冰碛岩有碳酸盐岩帽形成。随着δ18O出现强烈的负漂移，碳酸盐岩帽里的δ13C从强负值出现强烈正漂移。碳酸盐岩中δ13C的这种规律性漂移，幅度如此之大，是一种十分异常的现象，对此有很多争论（Kimura,et.al.,1997;Kaufman,et.al.,1991;Derry,et.al.,1992;Hoffman,et.al.,1998;Dickens,et.al.,1995;Kennedy,et.al.,2001;Kennett,et.al.,2000;Bains,et.al.,1999;KennetandStott,1991;Zachos,et.al.,1993;EldholmandThomas,1993;Zachos,et.al.,1994）。到目前为止，这种冰川旋回中碳酸盐岩δ13C规律变化，还没有一种能得到学术界公认的详细解释，一直是地学界的不解之谜（杨瑞东等，2003；钱迈平等，2000）。冰川期的旋回，是全球变化的一种重要表征（张兰生等，2000）。同时，冰川期旋回，也基本和造山旋回、成矿旋回、海平面变化旋回、CO2旋回、Er旋回相一致（龚一鸣，1997；汪品先，2002；翟裕生，2001）。这个谜底的揭开，将直接面对以上问题的解决。所以，弄清冰期碳酸盐岩δ13C漂移的原因，是一个既复杂，又重要的问题。我们对现有地质、地球物理学、地球化学、冰川学、气象学等资料进行综合分析后，就这个谜提出了新的理论。1δ13C和δ18O的地质学特征当海洋中的水蒸发时，含δ16O的水较易蒸发，含δ18O的水较不易蒸发。这样，就造成δ18O的分馏。由蒸发的水蒸汽凝聚而成的江河湖里的淡水，δ16O较高，δ18O较低。由蒸发的水蒸汽凝聚而成的极地冰川及山地冰川，δ16O也较高，δ18O较低。而海洋，则由于δ16O的蒸发减少而造成δ18O值升高。江河湖里的水，最终又会流入海洋。库存在江河湖里的淡水量相对较少，且量变化不大。而极地冰川和山地冰川，当冰川形成时，会造成大量淡水的滞留；而冰川消融时，原来滞留在极地和高山的冰川水，又会流入海洋。这样，就造成冰川形成时，海洋δ18O值正漂移，而冰川消融时，δ18O负漂移（Shackbeton,1973）。自然界中的碳，主要由两种稳定同位素组成，即12C和13C，其丰度分别为9889%和1.ll%（Hoefs,1982;GarrelsandLerman,1984；胡修棉等，2001）。绿色植物进行光合作用时，优先吸收δ12C，造成碳同位素分馏。植物、动物和微生物，都是直接或间接以植物为食的。所以，组成生物的有机碳，相对来说，含δ12C较多，而含δ13C较少。而留在大气或海洋中的CO2，则相对富积δ13C。由生物衍生而来的矿物有机物及天然气水合物等，也和生物相似，具有强烈的δ13C负值，如天然气水合物里的甲烷，δ13C值为-60~-65（杨瑞东等，2003；Kvenvolden,1995）。从全球角度未说，碳主要分布在几个主要的碳库中，相应的碳同位素值有所不同。碳酸盐岩中的碳同位素相对富13C，δ13C值平均为0‰（相对于PDB标淮，下同）。沉积有机质中的碳δ13C值约为-25‰；大气δ13C值为7‰；大洋水的δ13C值为0‰；由地球去气作用形成的碳，δ13C约为-7‰（Hoefs,1982;GarrelsandLerman,1984;胡修棉等，2001）。2冰期旋回中的δ13C和δ18O变化规律2.1冰期后碳酸盐岩帽中的δ13C和δ18O变化规律每一次冰川消融后，紧接着冰碛岩的上面，会形成一层厚厚的碳酸盐岩。这种碳酸盐岩像帽子一样盖在冰碛岩上，俗称碳酸盐岩帽。这种碳酸盐岩帽的厚度，与冰川期冰川的规模有关。冰川期形成的冰川规模越大，这种碳酸盐岩帽的厚度越大（有时达400m）；冰川规模越小，这种碳酸盐岩帽的厚度越小。组成这种碳酸盐帽的物质，主要为碳酸钙、碳酸镁组成的白云岩或灰岩；有时，也有碳酸锰等其它碳酸盐参与岩帽的形成（杨瑞东等，2002）。紧接在冰碛岩上的碳酸盐岩的δ13C，呈现强负值，最负值可达-7。而δ18O呈现强正值。在冰碛岩上面，离冰碛岩越来越远，δ18O值逐渐负漂移，然后至正常为止。但冰碛岩上的碳酸盐岩帽里的δ13C，随着离冰碛岩的越来越远，δ13C呈现强烈的正漂移，直至正常为止（杨瑞东等，2003；张启锐等，2002）。这种现象，每一次冰期都会再现（Hoffman,et.al.,1998;Kennett,et.al.,2000;李玉成和周忠泽，2002），但以新元古大冰期最为显著，漂移幅度最大（Hoffman,et.al.,1998）。冰期后碳酸盐岩帽形成和δ13C、δ18O的规律性变化，具有全球普遍性和等时性（Prave,1999;Walter,et.al.,2000;Knoll,2000）。2.2冰期旋回中的δ13C和δ18O变化的一般规律δ18O值的变化，与冰川的形成和消融密切相关，现已作为古冰川形成和消融的一种重要表征（Shackbeton,1973）。在地球演化的过程中，每一次的冰期的形成和消融，都伴随着δ18O的周期性变化（杨瑞东等，2003；Shackbeton,1973;李玉成和周忠泽，2002）。冰川形成过程中，δ18O值逐渐升高，冰川最大时，δ18O值最高。冰川持续期，只要冰川规模不变，总质量不变，δ18O的值也不会有太大的波动。冰川消融期，随着冰川的逐渐消融，δ18O值逐渐降低，至冰川完全消融时，δ18O值降至最低。在间冰期，δ18O值波动不大。冰期旋回中，δ18O正漂移的最大值，与冰川的规模密切相关。冰川规模越大（如新元古大冰期），δ18O的正漂移越强烈；冰川规模越小（如奥陶纪或比它更小的次一级冰期），则δ18O正漂移越弱。只要是没有冰川形成的间冰期，δ18O的值波动不大。δ13C的值，也和冰川的形成和消融强相关（Prave,1999;Veizer,et.al.,1999）。在冰川的形成过程中，δ13C值逐渐正漂移。但至冰川形成到一定规模时（不是冰川的最大期），δ13C达最大值（有时可达+11以上），开始急剧负漂移。这种负漂移很少一次性到位，至少要经两次或两次以上的阶梯（Bains,1999）。其中最明显的一次负漂移在冰川形成期，另一次在冰川开始消融时的消融期。整个冰川期，δ13C都处于这种强负值期；或处于不断负漂移的过程中。冰川消融后，δ13C值急剧正漂移。整个间冰期，δ13C虽会有一些微量波动，但总的趋势是处于正漂移过程中。这种正漂移直至下一次冰川形成至一定规模为止（不一定是冰川的最大期）。δ13C的这种漂移所达正、负漂移的最大绝对值的大小，也与冰川的规模强相关。冰川期形成的冰川规模越大，δ13C正漂移时所至的最大值也最大；紧接着的负漂移，负漂移至最负值时，最负值的绝对值也最大。冰川期形成的冰川规模越小，δ13C正漂移时所至的最大值较小，紧接着的下降，下降至最负值时，最负值的绝对值也较小。了解冰期旋回中碳酸盐岩δ13C规律变化的基本规律后，我们就可以应用这些基本规律来分析目前学术界对δ13C和δ18O规律变化的解释的正确与否。那么，目前学术界对冰期旋回中δ13C和δ18O规律变化有哪几种解释？哪一种最可能正确呢？且听下回分解。未完，待续。下回预告：地球科学原理之16冰期旋回中δ13C规律变化的解释和分析参考文献：胡修棉,王成善,李祥辉.大洋缺氧事件的碳稳定同位素响应.成都理工学院学报,2001,28(1):1-6龚一鸣.重大地史事件、节律及圈层耦合.地学前缘,1997,4(3-4):75-84李玉成,周忠泽.华南二叠纪末缺氧海水中的有毒气体与生物集群绝灭.地质地球化学,2002,30(1):57-63钱迈平,袁训来,肖书海，厉建华,汪迎平.新元古代大冰期及其诱发因素.江苏地质,2000,24(3):135-139杨瑞东，王世杰，董丽敏，姜立君，张卫华，高慧.上扬子区震旦纪南沱冰期后碳酸盐岩帽沉积地球化学特征.高校地质学报,2003,9(1):72-80杨瑞东,欧阳自远,朱立军,王世杰,姜立君,张位华,高慧.早震旦世大塘坡期锰矿成因新认识.矿物学报,200汪品先.气候演变中的冰和碳.地学前缘,2002,9(1):85-932,22(4):329-334张兰生，方修琦，任国玉.全球变化.北京：高等教育出版社.2000.1-271张启锐，储雪蕾，张同钢，冯连君.从“全球冰”到“雪球假说”—关于新元古代冰川事件的最新研究.高校地质学报，2002，8（4）：474-481翟裕生.矿床学的百年回顾与发展趋势.地球科学进展，2001，16（5）：719-725