陆生蜗牛壳体碳氧同位素在古环境中的应用综述

陆生蜗牛壳体碳、氧稳定同位素组成分别受蜗牛生长时期植被中碳同位素组成和大气水中氧同位素组成的控制,已成为古气候和古环境重建的重要代用指标.本文详细介绍了蜗牛壳体碳酸盐碳、氧同位素古气候重建的指示机理、样品预处理方法及其在14C测年、古气候和古植被研究中的应用现状.在此基础上讨论了蜗牛壳体碳酸盐碳、氧同位素古气候解释中存在的问题,介绍了该领域未来的研究方向与趋势.     

湖北清江石笋的碳氧同位素组成及其古气候意义

测定经铀系法和1 4 C法精确定年的石笋 (Z 2 )的碳氧同位素组成 ,探讨它们对古气候的指示意义。研究结果表明 ,研究区石笋碳酸盐氧同位素主要组成反映了地表水的氧同位素组成 ,受气候的两要素———气温和湿度控制 ;碳同位素组成则反映当地的植被面貌 ,即C3和C4植物的比例 ,间接指示古湿度。洞穴石笋稳定同位素的定量解译尚需进一步研究。     

土壤碳酸盐的稳定同位素组成及其古气候指示意义

气候是土壤形成的要素之一,土壤形成过程中物质的分解、合成、迁移和累积等过程都留有气候变迁的记录。近几年来,土壤碳酸盐(特别是成壤作用过程中产生的次生碳酸盐)的稳定同位素组成已被用作反演古气候、古植被演替的重要手段,其基本原理在于土壤碳酸盐与成壤环境之间达到同位素平衡。但要求土壤碳酸盐形成后未受后期的成岩作用改造,     

老挝龙湖钾盐矿床沉积碳酸盐碳、氧同位素组成及其对成钾环境的初步指示

碳、氧同位素作为反映古沉积环境、成矿物源和水–岩反应等良好的稳定同位素指标,被广泛应用。通过对老挝龙湖钾盐矿区ZK309、ZK301、ZK311和ZK004四个钻孔农波组盐岩上覆泥岩碳、氧同位素组成的分析,讨论了盐岩上覆泥岩沉积的碳、氧同位素组成变化特征及其指示的沉积环境。经分析,所测碳、氧同位素基本代表了碳酸盐碳、氧同位素组成,初步推测这些碳酸盐均为当地自生,受后期改变很少,δ13C和δ18O平均值分别为-5.1‰和-4.6‰,其中δ13C值略高于一般陆相碳酸盐碳同位素最大值–5.69‰,δ18O值介于–2.71‰~–10.8‰之间,ZK309和ZK301钻孔碳、氧同位素相关系数均小于0.7,初步指示盐岩沉积之后沉积环境为陆相。δ13C值略高于–5.69‰,推测是后期盐岩层被淋滤,泥岩层受淋滤后的残余卤水影响的结果,这也解释了蒸发岩沉积层序异常(钾石盐覆盖于光卤石之上)的沉积特征。因此,在本研究中,大气水在泥岩碳、氧同位素的变化中扮演了重要角色。     

湖泊沉积物纤维素氧同位素研究进展

纤维素作为湖泊沉积物有机质的重要组成部分,其氧同位素组成已逐渐应用在古气候、古环境重建中。本文综述了湖泊沉积物纤维素氧同位素在古气候研究中的进展,包括纤维素的实验提取方法、纤维素及其寄宿水体之间的氧同位素分馏系数,以及纤维素氧碳同位素在定量古气候参数方面的应用,并展望了未来的研究趋势。研究表明,纤维素结合碳酸盐氧同位素组成可能是一种潜在的定量古温度指示剂,可能在未来的湖泊沉积中发挥极大作用。因此,今后的有关研究可能集中在定量古气候参数上的应用。     

中国西部、东北地区湖泊沉积物中碳酸盐碳、氧和有机碳同位素组成及与环境的响应

湖泊沉积物中碳酸盐碳、氧和有机质碳同位素组成受湖泊环境介质的控制,可以有效地指示环境演化过程。通过对中国东北和西部青藏高原、新疆现代湖泊表层沉积物的碳酸盐的碳、氧同位素组成(δ13C、δ18O)、有机碳同位素组成(δ13Corg),以及有机质含量(TOC)、C/N分析研究,发现当湖泊中以浮游植物来源有机母质为主时,其δ13Corg为-30‰~-23‰;以硅藻为主的藻类来源时,δ13Corg为-30‰~-16‰;以挺水植物来源,δ13Corg为-30‰~-24‰;沉水植物来源,δ13Corg为-24‰~-16‰;以水生植物和陆生植物来源为主时,δ13Corg为-30‰~-20‰;当以陆生植物来源为主时,其δ13Corg为-26‰~-24‰。当西北地区半封闭湖泊表层沉积物中碳酸盐含量大于30%时,湖泊表现出δ13C、δ18O之间较好的正相关性,TOC主要以内源有机质来源为主。     

湖泊沉积物碳酸盐碳、氧同位素研究进展

湖泊沉积物自生碳酸盐碳、氧同位素已经大量地应用在古气候、古环境研究中。本文综述了碳酸盐碳、氧同位素指标的主要啦制因素、指标的环境指示意义,举例说明了碳氧同位素指标在古气候研究上的应用,指出了其存在的问题与不足,展望了在古气候应用上的前景,认为氧同位素是定量古气候参数的最有效指标之一。     

不纯碳酸盐碳氧同位素组成的在线分析

利用 GV IsoPrime(R)Ⅱ型稳定同位素质谱仪测量不纯碳酸盐样品的碳氧同位素组成,这些样品是用国家碳酸盐碳氧同位素一级标准物质 GBW04406与去除了碳酸盐的沉积物混合配制而成的, CaCO3含量在 2%～ 90%之间.结果显示 ,δ 13C内部精度为 0.002‰～ 0.005‰ (1σ ),δ 18O内部精度为 0.003‰～ 0.009‰ (1σ ),与测量所得的纯 CaCO3国际国内标准物质结果的内部精度范围一致,且外部精度达到仪器的指标要求,同时 ,不同 CaCO3含量样品的δ 13C和δ 18O的测量值 (测量平均值:δ 13C =-10.932‰± 0.021‰,δ 18O=-12.483‰± 0.054‰; 1σ )也在误差允许范围之内与 GBW04406推荐值 (δ 13C=-10.85‰± 0.05‰, δ 18O =-12.40‰± 0.15‰ ; 1σ )一致.可见碳酸盐的含量并不影响其碳氧同位素组成的分析结果,所以在线分析不纯碳酸盐的碳氧同位素组成是可行的,在线分析不纯碳酸盐样品的碳氧同位素组成之前应先对样品中碳酸盐含量进行大致估计,根据碳酸盐含量高低来确定样品用量以达到最佳分析效果.     

沈北煤田煤中琥珀的植物来源和稳定同位素的古环境意义

琥珀是由古代植物代谢产生的树脂聚合物形成的化石。琥珀中的有机质保存环境稳定、封闭,能很好地记载其形成时期的古植物和古环境等信息。本次研究运用气象色谱质谱联用仪（GC-MS）和元素分析稳定同位素质谱仪（EA-IRMS）等测试方法,研究了沈北煤田煤中琥珀的有机地球化学组成、稳定同位素和化合物单体碳同位素特征。结果表明,琥珀中的饱和烃以二萜化合物为主（占73.45%）,芳香烃以松香烷型化合物为主（56.17%）;高含量的贝壳杉烷、雪松烷、扁枝烷和松香烷型化合物指示琥珀来源于松柏类植物,且以柏科植物为主。沈北琥珀的δ13C值为-22.8‰ ~ -21.2‰,与同时期其他地区琥珀的δ13C值相似;氢同位素变化范围较小（-297.2‰ ~ -276.0‰）,氧同位素值为17.4‰ ~ 31.6‰。琥珀的稳定同位素组成（碳、氢和氧）进一步证明琥珀来源于裸子植物。琥珀的δ13C值主要与其形成时的全球气温变化和大气组成有关。沈北琥珀的氢和氧同位素组成主要受植物种类（松柏类）以及植物生长的局部气温和降水条件有关。琥珀稳定碳同位素有望成为研究古气候和古大气组成的良好载体,琥珀的氢和氧同位素可以反映形成时期的古环境条件,但仍需进一步深入研究。     

石笋氧碳同位素古气候代用指标研究进展

洞穴石笋以其独立的绝对年龄和稳定的古气候代用指标而成为很好的陆地古气候研究材料。应用U 系定年,可以获得独立精确的日历年时间序列,结合年纹层统计,可以获得年际甚至是季节性变化古气候记录。作为古气候代用指标,石笋氧同位素具有全球可对比性,现已建立了氧同位素的全球气候变化曲线,显示了比深海氧同位素及极地冰芯氧同位素记录更多的优势。石笋δ18O 的影响因素很多,在东亚季风控制区和其它季风控制区,石笋的δ18O 反映了夏季风的强度或者是季风降雨的变化。这些全球可对比的具有高精度绝对定年的石笋δ18O 记录,突破了早期的单一温度控制机理,不仅为古气候学家提供了坚实的古气候变化时间序列,而且使古气候研究能从机理上探讨其变化规律。δ13C不如δ18O 具有全球可对比性,在同位素平衡的开放体系,石笋δ13C 主要反映了洞穴上覆土壤CO2 的同位素特征。因此,一般认为石笋δ13C可直接反映当地植被的特征,包括植被类型C3/C4 比率的变化及植被的茂盛与衰退,在一些地区也可作为大气降水和温度变化的指标。石笋δ13C 很易受到蒸发作用、滴水的快速去气、动力分馏、碳酸盐的先期沉积等影响而使得其数值偏正,应该予以重视。通过介绍石笋氧碳同位素的研究现状,使得读者对石笋的稳定同位素指标有一个初步认识。同时,对今后的研究方向给与一定的探讨。     

松辽盆地庆深气田天然气成因类型鉴别

通过对松辽盆地徐家围子烃源岩和原油热模拟实验、烷烃气碳同位素组成分析, 认为在高演化阶段单一热力作用可以引起重烃气(δ13C₂ > δ13C₃ > δ13C₄) 碳同位素组成倒转, 但CH₄与C₂H₆(δ13C₁ > δ13C₂) 却很难发生倒转.庆深气田天然气重甲烷碳同位素组成、烷烃气碳同位素完全倒转、高稀有气体同位素组成(R/Ra > 1.0), 说明该气田天然气来源具有多样性.利用R/Ra与CO₂/3He和R/Ra与CH₄/3He关系对庆深气田天然气成因类型进行识别, 认为该气田烷烃气中甲烷有部分为无机成因, 重烃气则为有机成因.该地区高地温梯度导致有机成因重烃气碳同位素组成发生倒转, 而CH₄与C₂H₆碳同位素组成倒转主要与重碳同位素的无机甲烷混入有关.      

The Paleoceanography during the Time with High δ13C of Phanerozoic marine carbonates

Carbon isotopic composition of marine carbonates is a record for various important geological events in the process of earth development and evolution. The carbonates of Carboniferous, Permian and Triassic, as the transition from Paleozoic to Mesozoic-Cenozoic have very high ¹³C value. Taking this as the main point, and combined with the oxygen, strontium isotopic composition in carbonates, distribution of carbonate basin area through geologic time, the correlation of carbon isotopic composition of marine carbonates to sea level change, organic carbon burial flux, exchange of CO₂ content in atmosphere and ocean, and long cycle evolution of the earth ecosystems were approached. The results are shown as follows: ①The interval of ¹³C >3‰ during Phanerozoic was concentrated in Carboniferous, Permian and the beginning of Triassic, but the beginning of Triassic was characterized by higher frequency and larger fluctuations in ¹³C value during a short time, whereas the Carboniferous-Permian presented a continuously stable high ¹³C value, indicating a larger amount of organic carbon accumulation in this time interval. Relatively high ¹⁸O values during this time was also observed, showing a long time of glaciations and cold climate, which suggest a connection among rapid organic carbon burial, cold climate, as well as pCO₂ and pO₂ states of atmosphere. ②The over consumption of atmosphere CO₂ by green plants during the time with high ¹³C of seawater forced CO₂ being transferred from ocean to atmosphere for the balance, but the decrease in the seawater amount and water column pressure caused by the global cooling could weaken dissolution capacity of CO₂ in seawater and carbon storage of marine carbonates, and also reduce the carbonate sedimentary rate and decrease the carbonate basin area globally from Devonian to Carboniferous and Permian. During the middle-late Permian carbonate was widely replaced by siliceous sediments even though in shallow carbonate platform, which resulted in the decrease of marine invertebrates, suggesting the Permian chert event should be global. ③The Phanerozoic ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr trend of seawater showed a sharp fall in Permian and drop to a minimum at the end of the Permian, indicting input of strontium from the submarine hydrothermal systems (mantle flux). Such process should accompany with a supplement of CO₂ from deep earth to atmosphere and ocean system, but the process associated with widespread volcanism and rises of earth’s surface temperature pricked up the mass extinction during the time of end Permian. ④Cold climate and increase of continental icecap volume, the amalgamation of northern Africa and Laurentia continentals were the main reasons responsible for the sea level drop, but the water consumption result from the significantly increased accumulation of organic carbon should also be one of the reasons for the sea level drop on the order of tens of meters. ⑤The mass extinction at the end Permian was an inevitable event in the process of earth system adjustment. It was difficult for marine invertebrates to survive because of the continuously rapid burial of organic carbon, and of the decrease of sea water amount and its dissolution ability to CO₂. At last, at the end of Paleozoic, the supplement of CO₂ to atmosphere and ocean by widely magma activities resulted in a high temperature of earth surface and intensified mass extinction.     

Hydrothermal gases offshore Milos Island, Greece

Hydrothermal fluids emerge from the seafloor of Paleohori Bay on Milos. The gases in these fluids contain mostly CO₂ but CH₄ concentrations up to 2% are present. The stable carbon isotopic composition of the CO₂ (near 0%) indicates an inorganic carbon source (dissociation of underlying marine carbonates). The carbon and hydrogen isotopes of most CH₄ samples are enriched in the heavy species (δ¹³C = −9.4 to −17.8‰; δD = −102 to −189‰) which is believed to be characteristic for an abiogenic production of CH₄ by CO₂-reduction (Fischer-Tropsch reactions). Depletions in the deuterium content of three CH₄ samples (to −377%) are probably caused by unknown subsurface rock alteration processes. Secondary hydrogen isotope exchange processes between methane, hydrogen and water are most likely responsible for calculated unrealistic methane formation temperatures.

We show that excess helium, slightly enriched in ³He, is present in the hydrothermal fluids emerging the seafloor of Paleohori Bay. When the isotopic ratio of the excess component is calculated a ³He/⁴He_excess of 3.6 · 10⁻⁶ is obtained: This indicates that the excess component consists of about one third of mantle helium and two thirds of radiogenic helium. We infer that the mantle-derived component has been strongly diluted by radiogenic helium during the ascent of the fluids to the surface.     

黄土有机质稳定碳同位素研究进展

有关黄土高原历史时期原生植被类型的研究不仅具有重要的理论意义，也具有现实的指导意义。土壤有机质稳定碳同位素（δ13Corg）是区域植被中C4/C3植物相对丰度的灵敏指示器，对黄土有机质稳定碳同位素的研究可以部分地重建过去的植被类型变化历史，并可探讨与此有关的气候、环境问题。已有的研究结果表明：黄土高原古土壤发育阶段δ13Corg偏正于黄土沉积阶段，表明随气候由冷干向暖湿转变黄土高原C4植物相对丰度上升，然而在C4植物相对丰度上升的主要驱动因素上仍存在夏季风和温度两种观点。相应的在空间上，C4植物的相对丰度无论冰期还是间冰期都是由黄土高原东南向西北递减。而基于黄土δ13Corg的研究认为黄土高原历史时期一直以草原为主，不存在大面积的森林。尽管已有的研究对黄土有机质稳定碳同位素分布和变化的一般性规律取得了共识，但在研究中还存在一些问题，在黄土δ13Corg变化机制上还存在争议，值得进一步研究。     

淮北煤田祁东煤矿煤和瓦斯中稳定碳同位素分布特征及其地质成因

对淮北煤田祁东煤矿6个煤层的24个煤样和12个气样的稳定有机碳同位素分析,分别研究了煤和瓦斯中碳同位素的分布特征和变化趋势,为不同煤层及瓦斯源分析提供理论依据。研究表明:祁东煤矿煤的δ13C为-25.11‰~-22.76‰,6-1煤层至9煤层碳同位素均值呈波动变化,可能受当时成煤时期沉积环境的影响;瓦斯的δ13C₁为-63.65‰~-52.51‰,表现出次生生物成因气的变化特征,二氧化碳碳同位素特征（-22.61‰~-17.96‰）表明其均是煤热解而来。      

不同成因类型煤型气地球化学特征及其判识意义

通过数理统计前人公开发表的国内外21个盆地或地区的324组煤型气地化数据, 分析不同成因类型煤型气地层分布和稳定碳、氢同位素组成及空间分布特征, 提出多个煤型气成因类型判识图版, 并以实例论证这些图版的可行性.研究结果表明: 与煤层相关的生物成因气不同于常规生物气, 最显著区别在于前者δ13C(CH₄)上限值低, 即生物成因气δ13C(CH₄)＜-60‰, 热成因气δ13C(CH₄)＞-40‰, 混合成因气δ13C(CH₄)介于二者之间.随着有机质演化程度增强, 从生物成因气至热成因气, δ13C(CH₄)、δ13C(CO₂-CH₄)、δ13C(C₂H₆-CH₄)及CH₄/(C₂H₆+C₃H₈)具有变重趋势且相关性明显, δ13C(CH₄)与δ13C(CO₂-CH₄)、δ13C(CH₄)与δ13C(C₂H₆-CH₄)及δ13C(CH₄)与CH₄/(C₂H₆+C₃H₈)是划分煤型气成因类型最可靠的图版.      

黄土中钙结核的碳氧同位素研究(二)碳同位素及其古环境意义

从洛川黄土剖面离石黄土各层古土壤中钙结核的碳同位素分析结果，探讨了钙结核碳同位素变化所反映的古土壤形成时的植被状况，还借助于“干燥度”，结合由钙结核氧同位素变化所获得的古温度资料，估算了各层古土壤形成时长时段的年平均降水量。所得结果表明，各层古土壤形成时温度和湿度状况有更复杂的变化。大部分古土壤形成时的年平均降水量与现代相差不多(增幅在５０ｍｍ左右)，但发育最好的Ｓ５形成时，年平均降水量超过现在约２００ｍｍ。古土壤的碳氧同位素能很好指示古环境，但研究工作还有待深入。     

碳酸盐岩在全球碳循环过程中的作用

碳酸盐岩是地球上最主要的碳库，开展全球变化研究应重视碳酸盐岩在岩溶作用过程中的地球化学动力学研究。这方面的科学问题有二个。第一是关于全球碳酸盐岩的碳库容量问题，尚须利用全球沉积岩和碳酸盐岩数据库，根据全球地质历史时期碳酸盐岩的分布面积、厚度和岩石成分等进行重新计算。其次是关于碳酸盐岩在岩溶作用过程中对全球碳循环的动力学贡献问题。一方面碳酸盐岩的溶蚀作用不仅关系到海洋ＣａＣＯ＿３的供给量而影响海洋中碳通量的平衡，而且还可直接回收大气圈中的ＣＯ＿２；另一方面由于钙华的沉积又可向大气圈释放ＣＯ＿２，而影响温空气体的变化。它们构成了大气温室气体源汇关系中不可忽视的一项。     

植硅体稳定同位素生物地球化学研究进展

植硅体形态鉴定与组合分析广泛应用于古环境重建和农作物起源分析等.鉴于植硅体的抗腐蚀、抗降解,易保存,锢囚的碳不易污染,且保存了植物的原始信息等特性,其有机地球化学研究日益被重视.植硅体稳定同位素分析表明植硅体是植物通过吸收单硅酸,以蒸腾作用为主要动力,在植物的不同部位发生同位素分馏淀积形成,其稳定同位素组成具有丰富的植物生理和环境信息.植物不同部位植硅体稳定同位素组成具有差异,其含量和硅、氧同位素值沿蒸腾流通常有增加的趋势.沉积物植硅体碳同位素分析不仅可以用于恢复草本的C3、C4植物生物量的比例,并且有可能重建古大气的碳同位素构成,是三者中最具有潜力的考古学、古环境研究的指标.植硅体有机化学组成分析,特别是类脂物分析,有利于认识植硅体碳同位素值相对于总有机碳偏负,C3、C4草本植硅体同位素差值范围缩小的原因.     

甲烷及其同系物δ13C值反序排列特征的数值模拟与非生物成因天然气藏探讨

本文采用数值模拟的方法对天然气中甲烷及其同系物的δ13C排序特征进行了研究,结果表明:两种具正序分布特征的生物成因天然气混合后可产生具反序分布特征的天然气.相应地,两种具反序分布特征的非生物成因天然气混合后也可产生具正序分布特征的天然气.对于前者而言,作为混合的两个端元天然气,它们必须具有不同的成因或来源,或它们是明显不同的演化阶段的产物.关于松辽盆地昌德气藏若干口天然气井甲、乙、丙、丁烷碳同位素排序特征的讨论表明,用两种生物成因天然气混合的观点很难解释这种反序排列.