沉積地球化學(xué)在古氣候研究中的應(yīng)用

(成都理工大學(xué)　四川　成都　610059)

引言

現(xiàn)代新技術(shù)、新方法的不斷誕生與應(yīng)用，使得古環(huán)境、古氣候的高分辨率重建領(lǐng)域的研究異?；钴S，利用常量元素和有機(jī)質(zhì)特征元素的含量及比值的升高或降低來指示沉積時(shí)期湖泊流域溫度、降水量等氣候變化并建立湖泊演變的氣候干濕波動(dòng)曲線，也可以獲得沉積時(shí)期元素遷移變化的過程，特別是近十年來沉積有機(jī)質(zhì)分子與穩(wěn)定碳-氫同位素地球化學(xué)技術(shù)的引入，使研究對(duì)象從經(jīng)典的宏觀-微觀化石(孢粉、藻類等)向分子化石發(fā)展。相對(duì)于海洋沉積記錄所揭示的大時(shí)間尺度、大區(qū)域背景古氣候、古環(huán)境演變而言，湖泊沉積則是地區(qū)性古環(huán)境、古氣候變遷的最佳載體，它完整地記錄了地質(zhì)歷史時(shí)期區(qū)域氣候、植被以及人類活動(dòng)的演化軌跡，對(duì)區(qū)域氣候變化的響應(yīng)尤為敏感，是區(qū)域高分辨率古環(huán)境、古氣候重建的理想場(chǎng)所，也是當(dāng)前全球變化研究的焦點(diǎn)所在。

一、湖泊沉積物中常量元素特征值的環(huán)境意義

沉積物的常量元素地球化學(xué)特征可以指示其形成環(huán)境，不同的地球化學(xué)特征是不同沉積環(huán)境的產(chǎn)物，可以指示沉積時(shí)期湖泊流域溫度、降水量等氣候變化并建立湖泊演變的氣候干濕波動(dòng)曲線，也可以獲得沉積時(shí)期元素遷移變化的過程。目前在湖泊沉積的環(huán)境演變研究中具有特征指示意義的元素有：Si、Al、Fe、Ca、Na、K、Mg、Mn、Ti、Sr、Ba 等。

(一)CaO/(MgO+Al2O3)

目前普遍認(rèn)為，浮游生物光和作用引起的二氧化碳同化作用是湖泊內(nèi)生碳酸鈣沉淀的重要因素。隨著湖泊沉積環(huán)境的溫度升高，水體中的浮游生物光合作用逐漸增強(qiáng),需要的CO2量逐漸增加，通過化學(xué)反方程式:

Ca2+++2HCO3-=CaCO3+H2O+CO2，CaCO3的含量增加。同時(shí)，隨著氣溫的升高，湖水的蒸發(fā)量也會(huì)升高，即有利于碳酸鈣的沉淀。因此，湖泊沉積物中自生碳酸鈣的高含量指示著當(dāng)時(shí)沉積環(huán)境的高氣溫；反之，自生碳酸鈣的低含量指示著當(dāng)時(shí)沉積環(huán)境的低氣溫。湖泊外源碳酸鹽主要來源于湖盆流域的母巖，不能反映湖泊現(xiàn)代沉積的環(huán)境信息。因此，只有自生碳酸鹽才真正具有氣候變化指示意義。對(duì)于湖泊沉積物中的碳酸鹽沉淀來說，包括流域侵蝕帶來的陸源碎屑成分和湖泊自生碳酸鹽成分，所以定量區(qū)分自生碳酸鈣和外源碳酸鈣比較困難。湖泊沉積物中碳酸鹽礦物主要包括方解石和白云石。在淡水湖泊中，白云石(CaMg[CO3]2)的主要來源是流域侵蝕帶來的陸源碎屑，一般不屬于自生沉淀；而方解石(CaCO3)不僅來源于流域風(fēng)化帶來的外源組分，還來源于湖泊自身碳酸鈣的沉淀，特別是在水生植物茂盛或湖泊蒸發(fā)量很強(qiáng)的湖泊環(huán)境下，自生碳酸鈣沉淀占了相當(dāng)比重。因此，沉積物中 MgO/CaO 的比值變化近似反映了白云石和方解石的比值變化，并可以近似地反映湖泊中自生碳酸鈣沉淀的相對(duì)多少，進(jìn)而可以反映出當(dāng)時(shí)環(huán)境氣溫的高低。

(二)Sr/Ba 和 Ca/Mg

Sr、Ba、Ca、Mg的化學(xué)性質(zhì)相似，都屬于堿土金屬。根據(jù) SrSO4與 BaSO4的溶解度差異，指示湖泊水體鹽度的差異，進(jìn)而可以指示湖盆流域的干濕氣候。由于SrSO4的溶解度大于BaSO4，當(dāng)湖泊水體鹽度較低時(shí)，硫酸根離子的濃度相對(duì)較低，所以硫酸根離子會(huì)先與Ba2+結(jié)合形成 BaSO4沉淀，Sr則以游離態(tài)離子存在于水體中。反之，當(dāng)湖泊水體鹽度較高時(shí)，湖水中的 Sr2+才能與硫酸根離子形成 SrSO4沉淀并沉降至湖底。因此，沉積物 Sr/Ba 比值可以較好地反映湖泊水體鹽度的變化。Ca/Mg 有與 Sr/Ba 比值相同的環(huán)境指示意義，當(dāng)比值較低時(shí)，指示水體鹽度較低，即指示氣候濕潤(rùn)；反之，則指示氣候干旱。

二、湖相沉積物中有機(jī)質(zhì)的來源

湖相沉積物中的有機(jī)質(zhì)有2種來源，分別為外源的陸生植物和內(nèi)源的水生生物(Meyers et al.，1999)。不同來源有機(jī)質(zhì)的含量受控于沉積物形成時(shí)的古大氣溫度、濕度、CO2濃度和生物屬性等物源條件，河流、大氣流動(dòng)、生物活動(dòng)等搬運(yùn)條件，以及沉積水體的鹽度、pH 值、Eh值等保存條件。

(一)外源有機(jī)質(zhì)

湖相沉積物中的外源有機(jī)質(zhì)主要是指陸生植物。按照光合作用固碳方式和初級(jí)產(chǎn)物的碳原子數(shù)不同可將其劃分為 C3、C4和 CAM 植物。C3植物光合作用的最初產(chǎn)物為三磷酸甘油酯;C4植物光合作用的最初產(chǎn)物為四碳二羥酸;CAM 植物屬于中間類型(Attendorn et al．，1988)。目前，有確鑿依據(jù)的 C4植物出現(xiàn)的最早記錄前推至晚中新世(Thomasson etal．，1986)，至于是否存在更早的 C4植物，仍是一個(gè)懸而未決的問題。不同類型植物的光合作用固碳方式有較大差異，所以其生理習(xí)性和同位素分餾效應(yīng)也不相同。

(二)內(nèi)源有機(jī)質(zhì)

湖相沉積物中的內(nèi)源有機(jī)質(zhì)主要是指來源于湖泊中的動(dòng)植物在死亡之后與陸源碎屑共同沉積埋藏在匯水盆地中的有機(jī)質(zhì)?？筛鶕?jù)在湖泊中的分布位置差異，將水生植物劃分為挺水植物、浮游植物和沉水植物三類。挺水植物的根或根莖生長(zhǎng)在湖泊的底泥之中，莖、葉挺出水面。它一般直接利用大氣中的CO2進(jìn)行光合作用，因此與陸生植物的碳同位素特征相近，特別是與陸生C3類植物的δ13C具有很好的可比性，通常為-30‰～-24‰(Aravena et al．，1992)。

浮游植物是指在水中以浮游方式生活的微小植物，通常就是指浮游藻類，包括藍(lán)藻門、綠藻門、硅藻門、金藻門、黃藻門、甲藻門、隱藻門和裸藻門8個(gè)門類的浮游種類。若浮游藻類利用與大氣保持平衡的湖水中溶解的CO2作為光合作用的碳源，則其δ13C值與陸生C3植物的δ13C值接近，最小可達(dá)-35. 5‰;若湖水中溶解的CO2嚴(yán)重虧損，浮游藻類將主要利用湖水中的作為碳源，則其 δ13C值顯著偏正(Meyers et al．，1993)，通常比利用湖水中溶解的CO2進(jìn)行光合作用獲得的有機(jī)質(zhì)δ13C值大約高7‰～8‰(Smith et al．，1971)，如某些藻類的δ13C值可達(dá)-24‰～-12‰(劉強(qiáng)等，2005a)。

三、湖泊沉積物中有機(jī)質(zhì)特征元素的環(huán)境意義

地質(zhì)體中有機(jī)質(zhì)的豐度及組成與原始生物的種類及所處的氣候環(huán)境變化密切相關(guān)，其中包含了豐富的古生態(tài)、古氣候以及古環(huán)境信息。沉積物中的有機(jī)質(zhì)與生物作用密切相關(guān)，且環(huán)境條件對(duì)生物活動(dòng)有著直接的影響，所以有機(jī)地球化學(xué)元素的古氣候、古環(huán)境研究具有重要的研究意義。目前分析比較多的有機(jī)質(zhì)元素有：C、S、N。

四、結(jié)語

生態(tài)環(huán)境與氣候是相互關(guān)聯(lián)的一個(gè)動(dòng)態(tài)過程，這種動(dòng)態(tài)過程將直接記錄在沉積有機(jī)質(zhì)中，因此，可依據(jù)沉積有機(jī)分子記錄建立定性定量的模型，來描述生態(tài)系統(tǒng)與氣候環(huán)境的動(dòng)態(tài)耦合過程，可以更深入地研究區(qū)域古氣候古環(huán)境的演變史，對(duì)于古生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)與環(huán)境社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展具有重要指導(dǎo)意義。