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地球科学原理之16 冰期旋回中δ13C规律变化的解释和分析

已有 5091 次阅读 2009-3-24 13:15 |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, δ13C

地球科学原理之16  冰期旋回中δ13C规律变化的解释和分析

广东海洋大学

廖永岩

(电子信箱:rock6783@126.com

上一回我们已分析了冰期旋回中δ13C和δ18O的变化规律。在这里,我们先来了解一下当今权威学术界对这一现象的的解释。

1  目前学术界对δ13Cδ18O规律变化的解释

目前为止,学术界对冰期后直接盖在冰碛岩上的碳酸盐岩帽里的δ13C从强负值开始强烈正漂,及整个冰期旋回中δ13C的规律变化,有很多种解释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。归纳起来,主要有以下三种:

生物量变化说Kimura, et. al., 1997; Kaufman, et. al., 1991; Derry, et. al., 1992;甲烷渗漏说Dickens, et. al., 1995; Kennedy, et. al., 2001; Kennett, et. al., 2000;火山脱气说Hoffman, et. al., 1998; Kennet and Stott, 1991; Zachos, et. al., 1993; Eldholm and Thomas, 1993; Zachos, et. al., 1994

坚持第一种观点的学者认为,冰期后形成的碳酸盐岩帽中的δ13C负异常,是由于冰期形成,温度变低,进行光合作用的植物受温度的影响,生物量下降,光合作用减弱。通过生物分馏δ12C的能力下降。但生物体的分解并没有太多地减少,或甚至因大量生物的死亡而有所增加。这样,由于δ12C分馏能力减弱和生物体分解释放δ12C能力加强的共同作用,将造成δ12C相对地在大气和海洋里增加,从而造成δ13C的负漂移Kimura, et. al., 1997; Kaufman, et. al., 1991; Derry, et. al., 1992; 胡修棉, 2001

坚持第2种观点的学者认为,由于受某种高温作用(一般均未说明是那一种来源的高温),海底冰冻层的以甲烷为主的天然气水合物大量气化释放,进入海洋或大气。在海洋或大气中,甲烷被氧化为CO2。这些CO2溶于海洋中,进一步和海洋里的钙、镁等离子结合,形成碳酸盐岩帽。因为甲烷的δ13C强烈负偏,所以,这使海洋或大气中的CO2δ13C也出现强烈负漂移Dickens, et. al., 1995; Kennedy, et. al., 2001; Kennett, et. al., 2000; 杨瑞东等,2003

坚持第3种观点的学者,以新元古大冰期为例,认为新元古冰期形成雪球地球,海洋被雪球封闭,没有被雪球封闭的陆地上的火山喷发和地震,产生大量CO2气体。这些CO2等温室气体越积越多,温室效应越来越强,最后造成雪球的解体。大量的CO2进入海洋或大气,使雨水呈酸性,加强了岩石的风化。陆地和海洋里的风化产生的大量金属离子结合,形成了碳酸盐岩帽[Hoffman, et. al., 1998]。这样,由于火山喷发和地震产生气体的相对负δ13C值(-7左右),造成碳酸盐岩帽的δ13C值负漂移Hoffman, et. al., 1998。其它冰川期,也有类似新元古大冰期的现象发生Kennet and Stott, 1991; Zachos, et. al., 1993; Eldholm and Thomas, 1993; Zachos, et. al., 1994

2  对已提出解释的可行性分析

用生物光合作用的强弱变化和生物量的变化来解释δ13C值从强正值向负漂移,理论根据不足。随着冰川的形成,由于温度的影响,植物的量的确会减少,光合作用也会随之减弱。光合作用减弱,只是光合作用对CO2中的δ12C的分馏作用减弱。分馏作用减弱,但并没有停止,仍在进行δ12C的分馏作用。这就是说,若大气和海洋里的CO2的供应和消耗没有太大变化的话。尽管光合作用减弱,随着光合作用(减弱后的)的继续进行,照样会进行δ12C的分馏,大气和海洋中的δ12C会继续降低,δ13C会继续上升。所以,冰川形成后造成的光合作用减弱,并不会导致δ13C的负漂移,只会使正漂移减弱而已。

冰川形成后,随着温度降低,生物量的确会减少;即光合作用减弱,合成的有机物减少,而分解的有机物增多,导致总生物量减少。总生物量减少,也就是大量生物体被分解为水和CO2。导致构成生物体的δ12C向大气和海洋释放,使大气和海洋中的δ12C浓度升高,δ13C浓度相对下降。冰川消融后,CO2浓度升高,温室效应增强,光合作用增强,合成的生物量大于分解的生物量。分馏(降低)δ12C的能力加强,而产生δ12C的能力减弱,将使δ13C正漂移。这样看来,总生物量的减少,的确能造成冰川形成过程中δ13C的负漂移,和冰川消融过程中的正漂移。

但是,据测算,现今全球碳库储量见表1Falkowski, et. al., 2000

1 全球碳库碳储量Falkowski, et. al., 2000

数量/Gt

数量/Gt

大气

720

陆地生物圈

2000

海洋

38400

活生物量

600~1000

总无机碳

37400

死生物量

1200

表层水

670

水生物圈

1~2

深层水

36730

化石燃料

4130

总有机碳

1000

3510

岩石圈

 

石油

230

沉积碳酸盐

>60000000

天然气

140

油母质

15000000

其它(泥炭)

250

从表1可见,陆地生物量总和为2000Gt,海洋生物量总和为1~2Gt,海洋有机碳为1000 Gt;大气CO2720Gt,海洋总无机碳(主要为溶解的CO2和碳酸盐)为37400Gt Falkowski, et. al., 2000; 王凯雄,2001。以研究得较为清楚的新元古大冰期为例来说,因那时还没有陆地生物,只可能有海洋生物。假设那时的海洋生物量和现在相近,大气和海洋中的CO2量也和现在差不太多。那时的总生物量最多也只会有2Gt,总有机碳也只有1000Gt,这与大气和海洋中的CO2的和相差太多。就算光合作用一点有机物也不合成,所有的2Gt生物碳全部转化为CO2,甚至包括1000Gt总有机碳也全部转化为CO2,这也远不可能使δ13C值从+10负漂移至-7(张启锐等,2002。更何况,并不是所有的生物量都全部分解了,只是部分生物量的减少;而溶解在海洋里的有机碳,也不会因为生物的减少而急剧减少。所以,冰川形成时,由于温度下降造成的光合作用减弱,生物量减少,可能会使δ13C产生一点点负漂移,但产生的效果极其有限,绝不可能是使大气和海洋中CO2强烈负漂移的主要原因。

由于冰川的形成,引起海底火山喷发(见后述),的确有可能使海底冰冻层里天然气水合物,气化成甲烷等气体,进入海洋或大气中。由于甲烷的δ13C值相当低,大量的甲烷气体的渗入,将使局部海洋或大气中的δ13C值急剧下降,引起δ13C的强烈负漂移。

但是,从表1可见,就现今来说,所有天然气的总量也只有140Gt,而仅大气中的CO2就是720Gt,海洋里溶解的CO2和碳酸盐(条件适宜时,会转化为CO2)则高达37400Gt;就算所有的天然气全是天然气水合物,就算所有的天然气水合物全部转气化成了甲烷,也远不可能使δ13C+10的值负漂移至-7。更何况,天然气水合物只占所有天然气的很少一部分;因火山喷发被加热气化成甲烷而渗漏入海洋和大气的,又仅是天然气水合物中很少的一部分。所以,一部分天然气水合物气化成甲烷渗漏入大气和海洋,只可能使局部海洋或大气的δ13C适当负漂移,绝不可能是冰川形成后所有碳酸盐岩帽里δ13C强烈负漂移的主要原因。所有碳酸盐岩帽的最强负漂移值也仅-7,这也间接证明,甲烷渗漏使碳酸盐岩帽δ13C负漂移的作用相当小,仅是一种极弱的补充作用而已。若真是以甲烷渗漏为主造成的,因为甲烷渗漏不是均匀分布的,甲烷的δ13C值相当低,低于-60,在甲烷强渗漏的局部区域,负漂移值,应远比-7更负,至少会出现比-10更负的现象。

相比较来说,火山脱气说正确的成分更多。综上所述,碳酸盐岩帽里的δ13C负漂移既不是因为生物体分解补充δ12C造成的(生物量变化说),也不是因为与生物有关的有机物分解补充δ12C造成的(甲烷渗漏说);那么,能给大气和海洋补充δ12C,使δ13C负漂移的,就仅只有地球的去气作用了。也即通过火山喷发和地震造成的地球去气作用,给大气和海洋补充了大量含δ12CCO2气体,使δ13C强烈负漂移。δ13C负漂移的最强负值,也只是-7左右,这也间接证明,δ13C的负漂移,就是因为地球去气气体而造成的。

从以上分析可见,造成冰期后碳酸盐岩帽δ13C强烈负漂,肯定是由冰川形成和消融,造成火山喷发和地震,使地球内部大量CO2气体排出而造成的。那么,这种大规模的火山喷发和地震是如何发生的呢?它和冰川形成和消融关系如何?这是火山脱气说所面临和急需解决的问题。如何利用冰川学说对以上问题进行解释?且听下回分解。

未完,待续。

下回预告地球科学原理之17  冰川对火山喷发和地震的影响

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

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

王凯雄. 水化学. 北京:化学工业出版社. 2001. 257-323 

张启锐,储雪蕾,张同钢,冯连. 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, 200284):474-481

Bains S, Corfield R M, Norris R D. Mechanisms of climate warming at the end of the Paleocene. Science, 1999, 285: 724-727

Derry L A, Kaufman A J, Jacobsen S B. Sedimentary cycling and environmental change in the Late Proterozoic, Evidence from stable and radiogenic isotopes. Geochim. Cosmochim. Acta. 1992, 56: 1317-1329

Dickens G R, O’ Neil J R, Rea D K, et al. Dissociation of oceanic methane hydrate as a cause of the carbon isotope excursion at the end of the Paleocene. Paleoceanography, 1995, 10: 965-971

Eldholm O, Thomas E. Environmental impact of volcanic margin formation. Earth Planet.  Sci. Lett., 1993, 117: 319-329

Falkowski P et al. The global carbon cycle: A test of our knowledge of earth as a system. Science. 2000, 290: 291-296

Hoffman P F, Kaufman A J, Halverson G P. et al. Neoproterozoic snowball earth  Science, 1998, 281: 1342-1346

Kaufman A J, Hayes J M, Knoll A H, et al. Isotopic compositions of carbonates and organic carbon from upper Proterozoic successions in Namibiastratigraphic variation and the effects of diagenesis and metamorphism. Precambrian Research, 1991, 49: 301-327

Kennedy M J, Christie-Blick N, Sohl L E. Are Proterozoic cap carbonates and isotopic excursions a record of gas hydrate destabilization following Earth’s coldest intervalsGeology, 2001, 29: 443446

Kennet J O, Stott L D. Abrupt deep-sea warming, paleoceanographic changes, and benthic extinctions at the end of the Paleocene. Nature, 1991, 353: 225-229

Kennett J P, Cannariato K G, Hendy I L, et al. Carbon isotopic evidence for methane hydrate instability during Quaternary interstadials. Science, 2000, 288: 128-133

Kimura H, Matsumoto R, Kakuwa Y, et al. The Vendian-Cambrian 13C record. North Iran: evidence for overturning of the ocean before the Cambrian explosion. Earth and Planetary Science Letters, 1997, E1-E7

Zachos J C, Lohmann K C, Walker J C G, et al. Abrupt climate change and transient climates during the Paleogene: a marine perspective. J. Geol., 1993, 101: 191-213

Zachos J C, Stott L D, Lohmann K C. Evolution of early Cenozoic temperatures. Paleoceanography, 1994, 9: 353-387

 

(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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