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地球科学原理之15 冰期旋回中碳酸盐岩δ13C变化规律

已有 6295 次阅读 2009-3-22 20:37 |个人分类:地球科学|系统分类:科研笔记| 地球科学, 地球演化, 冰川旋回, 碳酸盐岩, 消融

广东海洋大学

廖永岩

(电子信箱:rock6783@126.com

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; Kennet and Stott, 1991; Zachos, et. al., 1993; Eldholm and Thomas, 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。

1  δ13Cδ18O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12C13C,其丰度分别为 98 89%1.ll% Hoefs, 1982; Garrels and Lerman, 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,2003Kvenvolden, 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13Cδ13C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-7Hoefs, 1982; Garrels and Lerman, 1984; 胡修棉等,2001

 

2  冰期旋回中的δ13Cδ18O变化规律

2.1 冰期后碳酸盐岩帽中的δ13Cδ18O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δ13Cδ18O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δ13Cδ18O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,2003Shackbeton, 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

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(注:本“地球科学原理”系列,是根据廖永岩著,海洋出版社(20075月)出版的《地球科学原理》一书改编而来,转载者请署明出处,请不要用于商业用途

 



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