碳氧同位素在青藏高原新生代中晚期古環(huán)境研究中的應(yīng)用

謝成晟

（成都理工大學(xué)，四川 成都610059）

1 碳氧同位素原理

1.1 碳氧同位素豐度表示方法

碳在自然界中存在2 種同位素，分別是12C、13C；氧的同位素則有3 種，分別是16O、170、18O。它們的同位素豐度的變異通常用R 值來衡量和比較（如公式1）。其中17O/16O 比值，僅用于研究地外物質(zhì)

這里的R 值只代表同位素豐度的相對變化。反映R 值與標準值的關(guān)系，用δ 值表示。碳氧δ 值（如公式2-1，2-2）

1.2 碳氧同位素分餾方式

1.2.1 碳同位素分餾方式

（1）光合作用

植物的光合作用使大氣中CO2進入植物機體形成有機分子。這種作用造成碳同位素的分餾，故在植物體或者地質(zhì)時期生物成因的礦產(chǎn)都相對富集12C。

（2）熱裂解作用

碳氫化合物裂解的動力效應(yīng)導(dǎo)致較輕的12C 先富集在最先形成的輕化合物中。

（3）同位素交換反應(yīng)

大氣CO2氣體與周圍環(huán)境發(fā)生的同位素交換反應(yīng)，亦可導(dǎo)致碳同位素變化。

（4）氧化還原反應(yīng)

碳的氧化還原反應(yīng)發(fā)生在強還原條件下。自然界中CH4轉(zhuǎn)化成CO2反應(yīng)可能發(fā)生在巖漿形成、火山噴氣活動等強還原條件下。從而使CO2中富集了13C，CH4中富集里12C。

1.2.2 氧同位素分餾方式

（1）蒸發(fā)- 凝聚分餾

因為各種同位素分子的蒸氣壓與分子質(zhì)量成反比，蒸汽相時富集H216O（輕的水分子）；而凝聚作用則多富集18O，這就是氧同位素的物理分餾。

（2）同位素平衡分餾

大氣降水與巖石接觸，可以使水與礦物中的氫氧同位素交換反應(yīng)達到平衡。主要發(fā)生于CO2和碳酸鹽巖中。

（3）礦物晶格的化學(xué)鍵對氧同位素的選擇

研究表明，巖石中礦物的氧同位素有一個相應(yīng)的分餾次序，礦物的晶體構(gòu)造、化學(xué)成分、形成條件（溫度，壓力）等都影響同位素分餾的方向和分餾強度。

（4）生物分餾

植物的光合作用使重氧在植物體中富集，而釋放出的氧氣中則多16O。有機質(zhì)、生物體、生物成因的巖石礦物等都具有較高的δ18O

2 影響δ13C，δ18O 值的因素

2.1 δ13C 影響因素

2.1.1 生物化學(xué)循環(huán)。由于浮游生物吸收大量的12 C, 這就導(dǎo)致13C 值相對趨于正, 因此, 沉積環(huán)境中若存在大量的生物沉積，則會造成沉積物中δ13C 較高。

2.1.2 再沉積作用。主要是沉積盆地周圍輸入物（植被、入盆水體、沉積物等）同位素組成的變化。若盆地中沉積了原來較高的13C 正值的剝蝕物就會在沉積區(qū)表現(xiàn)出13C 趨于正值。

2.1.3 盆地內(nèi)的水和大氣中CO2的交換。即同位素交換反應(yīng)。

2.1.4 天然氣溢露。在很多既有油田又有天然氣田的地區(qū)，當(dāng)甲烷從氣田中向體表泄露時, 就可能使13C 值趨于更大的負值。

2.2δ18O 影響因素

2.2.1 有學(xué)者[1]經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，同位素組成與山脈古高度密切相關(guān)，且這種關(guān)系可以定量表示。據(jù)此可以根據(jù)氧同位素和海拔的關(guān)系，建立“氧同位素高程計”[2]。

2.2.2 成巖過程同樣會造成氧同位素含量的變化。如，成巖階段基質(zhì)以微晶灰?guī)r為主要成分，則氧同位素的成分會受影響。

2.2.3 湖盆處于長期封閉、氣候干燥、蒸發(fā)強烈的條件下，導(dǎo)致湖水18O 強烈富集；同時使湖水中的CO2發(fā)生去氣作用,形成富含13C 的碳酸鹽物質(zhì)。同時，碳- 氧同位素常同步變化。

以上為影響碳氧同位素值的主要因素，除此之外，還有濕度，大氣環(huán)流，研究區(qū)不同等對其有影響。

3 碳氧同位素運用舉例

3.1 在湖泊沉積中的應(yīng)用

湖泊沉積中碳氧同位素方法是研究較多的。主要是根據(jù)碳氧同位素與湖泊發(fā)育期的古海拔高度呈現(xiàn)函數(shù)關(guān)系，即“同位素高程計”效應(yīng)。吳珍漢[3-4]等研究發(fā)現(xiàn)青藏高原南部第四紀湖相沉積δ13C，δ18O 與現(xiàn)今海拔高度呈良好相關(guān)關(guān)系，建立了有效的古海拔高度計。該海拔高度計很好地揭示了青藏高原大部分地區(qū)在中新世早中期的古海拔高度。同時發(fā)現(xiàn)整個青藏高原的隆升表現(xiàn)出差異性，該時期藏北高原五道梁- 東昆侖南部平均高度約3500m，而柴達木盆地高度僅有2500m。除此之外，湖泊碳氧同位素也對古氣候古環(huán)境反應(yīng)敏感。陳詩越[5]等研究表明，δ13C 主要指示環(huán)境溫度的變化。同時，δ13C 的變化，也可以一定程度上對應(yīng)沉積巖性的變化。

3.2 δ18O 在冰芯研究中的應(yīng)用

冰川，冰蓋等是研究第四紀以來古氣候和古環(huán)境最可靠的載體。在我國，青藏高原腹地的大陸性冰川和周緣的海洋性冰川是δ18O 冰芯研究的最理想地區(qū)。姚檀棟[6]通過柴達木盆地祁連山郭德冰帽冰芯δ18O 的分析，得到了該地區(qū)晚全新世氣候變化序列，并揭示了溫度和降水變化呈正相關(guān)關(guān)系。不同時間尺度上水熱配置狀況不同。

3.3 洞穴沉積物δ18O 研究

低緯度地區(qū)古環(huán)境載體相對中高緯地區(qū)明顯偏少。熱帶海洋中的珊瑚，疊層石是理想的材料，但樣本獲取受到采樣條件、復(fù)本量不足，成本高昂等因素造成樣本不易獲取，限制了對低緯地區(qū)古氣候古環(huán)境的研究工作。測年方法的進步和精度的提高為石筍測年提供了基本的年代框架，使利用石筍氧同位素進行古氣候古環(huán)境定量分析成為可能。洞穴滴水的氧同位素組成和洞穴沉積古溫度是影響石筍中氧同位素變化的主要因素。降水與古溫度通常呈正相關(guān)關(guān)系。同時受到夏季風(fēng)強弱與溫度高低限制。

3.4 樹木年輪碳氧同位素研究

碳和氧廣泛參與生物，尤其是植物的生理生態(tài)過程。植物的光合作用，不斷進行著12C,13C,16O,18O 的同位素分餾過程，δ18O，δ13C 值的變化也反應(yīng)了生物所在地區(qū)的生境變化。李強等，運用西藏亞東鐵杉樹輪樣本，建立了樹輪δ18O 變化序列與夏季相對濕度和降水之間的關(guān)系。通過周期分析，認為厄爾尼諾- 南方濤動（ENSO）控制了該地區(qū)水分因素的變化周期。