湖泊自生碳酸盐氧同位素环境记录研究：（一）环境解释模型

湖泊自生碳酸盐氧同位素组成(δ18OC)在区域气候与环境变化方面的应用研究近年来发展迅速,成果令人瞩目,保存在各类湖泊沉积物柱芯中的δ18OC记录揭示了湖泊水温乃至汇水区域气温,湖泊不同水深处的水温差异、湖泊水位、降水δ18O、冰川融水δ18O、湖水盐度等重要的气候和环境信息。对前人通过研究来自不同类型湖泊、具不同曲线形态的δ18OC记录提出的多种环境解释模型进行了归纳。     

湖水同位素平衡研究中分馏系数和富集系数计算形式的组合选择

湖泊自生碳酸盐δ18O(δ18Oc)是研究湖泊水体同位素平衡和气候变化的重要环境同位素指标。由于δ18Oc与湖水δ18O(δ18Ow)密切相关,前人建立了δ18Ow的计算公式,这方面的研究对于δ18Oc环境意义的正确判读十分重要。δ18Ow计算公式中的平衡分馏系数α和平衡富集系数ε各有几种计算形式,当两个参数同时出现时,其计算形式须正确组合:当α>1时,ε=α-1或ε=1-1/α;当α<1时,ε=1-α或ε=1/α-1。其中"α>1,ε=α-1"组合最常用。     

青海湖碳酸盐氧同位素环境记录再认识

青海湖是我国内陆最大的闭流型水体,地处东亚季风和西风的交汇影响区,对区域降水的改变等气候变化反应敏感,其水位变化历史是研究区域季风环境演变极其宝贵和重要的环境档案。青海湖Q14B孔岩芯介壳δ18Oc变化曲线自1991年发表以来,受到国内外同行的广泛关注和继续探讨。依据近年来青海湖气候与环境演变研究的最新研究结果和个人对闭流型湖泊同位素地球化学的认识,对介壳δ18Oc变化曲线进行了重新判读并得出以下结论:14.5~10.5 ka B.P.,青海湖区气候已逐渐从干冷向温湿过渡,季风降水逐渐增加;10.8~10.5 ka B.P.,青海湖处于碳酸盐滩湖环境,湖水深度从几米演变到接近干涸;10.5~9.5 kaB.P.,季风降水增加;9.5~8 ka B.P,湖水位从此前的接近干涸演变到此间的2~8 m,δ18Oc值跌落到一个较低的位置;8~3.5ka B.P,气候条件相对稳定,湖水不断蒸发引起重同位素的富集;3.5~0ka B.P,湖水处于同位素稳定阶段。研究结果还显示,δ18Oc值的短期波动与湖泊水位短期变化关系密切且明显,即水位高低分别对应δ18Oc的低值与高值。δ18Oc值的长期变化与湖泊水位长期变化关系不明显,水位较浅时,二者几乎无关联;水位较深时,水位的长期缓慢下降自然会导致δ18Oc逐渐攀升,而水位的长期缓慢上升也可以伴随δ18Oc逐渐攀升。     

湖泊化学碳酸盐与生物碳酸盐氧同位素组成差异的环境意义

湖泊生物碳酸盐形成于湖水底层,化学碳酸盐形成于湖水表层;处于湖积物同一层位的两种成因类型的碳酸盐氧同位素组成(δ18O)差异可能反映了二者形成时的环境差异,如湖泊不同深度的水温差异、碳酸盐质生物如介形类小生境水体δ18O值、两种成因碳酸盐形成的时间先后、湖泊表层水体蒸发情况等。在进行碳酸盐δ18O环境意义分析时,应分开测试生物碳酸盐和化学碳酸盐δ18O。     

湖泊自生碳酸盐碳同位素在环境变化中的应用

湖泊自生碳酸盐碳同位素组成(δ13Cc)在区域气候与环境变化方面的应用研究近年来进展迅速,成果显著,保存在各类湖泊沉积物柱芯中的δ13Cc记录揭示了湖表水体与大气CO2的交换程度、暖季降水量的多少、流域C3和C4植被变化情况、水生生物光合作用或呼吸作用强弱、湖泊生产力大小、湖泊水体化学特征、湖水不同深度层的有机质变化过程等重要的气候和环境信息;对此进行归纳和述评。     

环境同位素记录中共生碳酸盐氧同位素分馏差值的影响

湖泊化学沉积碳酸盐δ18O是研究区域气候演变的重要环境指标之一。青海湖等闭流湖泊的研究结果证实,在对δ18O环境记录进行共生碳酸盐氧同位素分馏效应校正时,应依据具体情况,采用0-1‰的分馏差值。由高温实验结果推断出的常温分馏差值(4‰-7‰)不能被应用到自然条件下湖泊共生碳酸盐氧同位素分馏效应的校正。     

湖泊无机碳酸盐矿物氧同位素组成差值及其单矿物同位素组成的确定

湖积物中不同无机碳酸盐矿物常常混杂在一起,其氧同位素组成(δ18O)差异会影响碳酸盐δ18O环境信息提取的可靠性。不同矿物之间δ18O差值明显且幅度不一。20~25℃时生成的白云石比共生的方解石富集18O可能为0‰~9‰不等,亦或方解石比白云石可能更富集18O达0‰~12.3‰。常温状态,相同条件下形成的文石δ18O值较方解石高出0‰~1‰,或者方解石较文石δ18O值高出0‰~4.47‰。镁方解石中MgCO3的mol百分含量每增加1%,其δ18O值相对于纯方解石δ18O值增加0.06‰~0.17‰。在利用碳酸盐δ18O进行气候及环境研究时,不能根据某种差值进行校正,而应进行单矿物测试。由此,对不同无机碳酸盐矿物的分离及同位素测试、推算方法进行了归纳和述评。     

介形虫碳氧同位素测定样品处理方法对比研究

介形虫化石壳体被认为是反映古湖泊沉积环境的理想对象。在过去的30年,介形虫壳体的δ13C和δ18O测定已经被广泛应用到湖泊沉积古气候及古环境的重建。由于湖泊生物碳酸盐样品不同的前处理方法可能会影响到稳定同位素测试结果的重现性和辨析率以及实验室之间数据的可比性,采用有效的方法对介形虫壳体进行预处理是保证介壳稳定同位素测试的一个关键环节。在总结目前常用的湖泊生物碳酸盐稳定同位素测试样品处理方法的基础上,通过对青海湖现代和古代沉积物中介形虫的测定,讨论各种处理方法对介形虫壳体稳定同位素测试结果(δ13C和δ18O)的影响。实验表明:不同处理方法对所测介壳样品的δ13C值和δ18O值不会产生大的影响,在介壳样品的稳定同位素测试之前不需要对介壳样品进行处理。     

晚冰期以来河西走廊花海古湖泊演化过程及其对气候变化的响应

通过分析河西走廊花海古湖泊沉积物中的盐类矿物组成,结合年代序列,重建了花海晚冰期以来湖泊演化过程及其对气候变化的响应。结果表明：晚冰期及新仙女木时期,花海湖泊以芒硝沉积为主,属硫酸盐型湖泊,湖水的盐度较高且周期性波动频繁;全新世早期（10.47 cal ka BP以前）,湖泊以洪泛堆积和风成沉积为主,揭示了湖泊萎缩、甚至干涸;全新世早期至全新世中期（10.47～8.87 cal ka BP）盐类矿物以碳酸盐沉积为主,为碳酸盐型湖泊,湖水淡化,湖泊水位开始逐渐回升;全新世中期（8.87～5.50 cal ka BP）盐类矿物呈现一定的波动变化,其中,8.8 cal ka BP 时期盐类矿物以硫酸盐沉积为主,湖泊由碳酸盐型转化为硫酸盐型,湖水咸化,盐度升高;随后盐类矿物以碳酸盐沉积为主,湖泊由硫酸盐型转化为碳酸盐型,湖水盐度降低、湖泊扩张;全新世中晚期（5.50 cal ka BP以来）出现沉积间断,表明中晚全新世时期湖泊逐渐萎缩。在全新世期间,花海湖泊千年尺度演化过程揭示了该区域气候干湿状况受亚洲季风和西风共同控制的影响。     

湖泊碳酸盐记录的古水温定量研究进展

湖泊古水温乃至古气温的定量反演,可以促进过去全球变化研究由定性走向定量。目前利用湖泊碳酸盐对湖泊古水温进行重建主要有三种方式,一是运用同位素地质温度计原理,利用水温与湖泊碳酸盐氧同位素值和湖水氧同位素值三者之间的函数关系,对湖泊古水温做定量研究;二是通过测定介壳[Mg2+]/[Ca2+]进而重建古水温;三是通过测定湖泊流域范围内现代水文气象参数及一些相关的同位素资料直接建立起湖泊自生碳酸盐氧同位素值与温度间的统计模型。各种方法有不同的适用条件和适用范围及其一定的局限性,对此做了归纳和评述。     

滇池700年来气候变化与人类活动的湖泊环境响应研究

通过对滇池剖面沉积物质量磁化率、δ18O、δ13C同位素、粒度、矿物成分、CaCO3、有机质、铁、粘土矿物元素的测定,利用210Pb测年,恢复了滇池地区近700年来的气候变化。通过对湖泊沉积记录的分析,发现滇池经历了两个高湖水期和一个低湖水期,具有明显的200年气候周期性;本区气候变化具有冷湿-暖干的气候变化特征。滇池沉积记录包含了人类活动的信息,揭示了人类疏挖海口河,改变了湖泊沉积速率;最近十几年,工农业活动污染物进入湖泊,改变了湖泊的营养度,是滇池迅速富营养化的阶段。     

湖泊碳酸盐在过去环境变化研究中的应用

国内外的研究成果表明,湖泊沉积碳酸盐矿物及其微量元素、同位素分布特征记录了全球或区域古气候环境演变历史,可以从中提取大量定量化的古气候参数。因此,可以根据湖泊碳酸盐矿物的含量和碳、氧同位素变化等信息推知其形成时期的气候环境,重建古环境,揭示气候环境演变的规律。湖泊碳酸盐是一种研究古环境演化重要的代用指标,在过去气候环境变化研究中有广阔的应用前景。     

近800年来内蒙古岱海地区古气温的定量重建

根据对现代湖水、现生介形类壳体以及湖泊沉积岩芯中同一种属介形类壳体的Sr/Ca分析,利用现代湖水Sr/Ca与湖水盐度的关系,确定了不同沉积时期湖水盐度;其次,在室内模拟实验,建立了湖水盐度与湖水氧同位素的函数关系;结合²¹⁰Pb测定沉积速率和¹⁴C测年资料,利用沉积剖面的自生碳酸盐氧同位素及由湖水盐度推算的湖水氧同位素组成,定量恢复了不同时期的湖水温度,进而根据碳酸盐结晶时水温与年均气温关系推测了古气温。结果表明:在近800年内蒙古岱海地区的气温变化序列中,中世纪暖期、现代小冰期以及近百年增温均有明显表现。研究时段内,岱海地区中世纪暖期比当代30年的年均气温高1℃以上;在公元1240年左右突然降温过程表现特别突出,在其后约60年的时段内气温下降1.8℃;小冰期最大降温幅度2℃以上,大于华北其它地区。不同于我国西部古里雅冰芯的记录,岱海地区近百年增温程度仍没有达到中世纪暖期水平,预示气候变暖对我国西部地区的影响将大于东部。     

湖泊碳酸盐氧同位素记录的古温度定量研究

同位素地质温度计的概念一经提出,便被应用于海洋古水温恢复。该方法被部分学者运用到湖泊领域,利用湖泊碳酸盐氧同位素记录,对古湖水温做定量研究,进而定量反演古气温。在利用湖泊碳酸盐氧同位素记录进行古温度定量研究时,需要考虑如下因素:气温对湖泊碳酸盐氧同位素值变化的影响机制;介形虫Sr/Ca与古盐度的关系;湖泊沉积碳酸盐成因及种类鉴定等等,做了相应评述。     

青海湖介壳与无机碳酸盐氧同位素组成差异的环境意义

青海湖Q14B沉积物柱芯560~415 cm(约14.0~10.5 ka B.P.)段,介壳1δ8O高于无机碳酸盐1δ8O可能反映了此时青海湖表层水温高于底层水温;介壳1δ8O与无机碳酸盐1δ8O之间的较小差值可能揭示了此时青海湖水位很浅,气候干冷;介壳1δ8O变幅大于无机碳酸盐1δ8O变幅,则可能源于此时青海湖水位大幅度波动导致的底层水温变幅超过表层,以及无机碳酸盐1δ8O测自全碳酸盐所致。在利用湖泊碳酸盐1δ8O进行气候及环境变化研究时,有必要分别测试不同种属介形虫及不同无机碳酸盐矿物的同位素值。     

青藏高原兹格塘错沉积物介形虫壳体同位素

兹格塘错是位于藏北高原腹地的封闭型湖泊,其变化过程可直接反映区域气候变化。对一支深727 cm沉积岩芯中介形虫进行了壳体同位素分析,发现介形虫壳体氧同位素变化主要取决于壳体形成时的湖水氧同位素组成和湖水温度的变化;封闭湖泊湖水的氧同位素组成主要取决于降水和蒸发比值的变化。兹格塘错介形虫壳体碳、氧同位素变化特征表明两者可能受控于不同的环境因子。介形虫壳体同位素记录反映了全新世气候环境变化的整体特征,同时对晚第四纪特征气候事件都有明确记录,包括8.2 ka冷事件、Roman暖期、中世纪暖期以及小冰期等,在响应全球气候变化的过程中又记录了区域间的差异响应。     

末次冰盛期时吉兰泰盐湖的湖泊状态与古气候特征

通过现代季风边缘区的吉兰泰盐湖钻孔JLT11-A孔沉积岩芯的矿物分析,结合地层盘星藻的含量探讨末次冰盛期(LGM)时湖泊的状态和古气候特征。结果显示:在LGM时吉兰泰湖泊沉积矿物主要是石英、长石为主的碎屑岩沉积,含量在85%左右,显示出陆源碎屑矿物的高输入状态,可能指示区域寒冷干旱的环境;其次是以方解石为主的碳酸盐的沉积,含量约为10%;氯化物为主的石盐类矿物一般不足5%,但持续存在,指示湖泊仍然有较高的盐度,因此地层中的淡水藻类盘星藻可能是由河流输入。由于陆源碎屑矿物输入强烈,矿物组合可能难以直接指示吉兰泰盐湖湖水状态。区域的干冷的气候与大多数的古气候记录一致,而与新疆西部的冷湿的环境不同。对比邻近区域的古气候研究结果发现,本区域在LGM时段夏季降水相对于冰消期偏多,而相对于MIS3阶段晚期偏少,整体夏季风减弱。吉兰泰盐湖末次冰盛期到末次冰消期以来矿物组合的变化表明,湖泊环境可能受到夏季太阳辐射、全球与区域温度变化以及夏季风强弱变化的影响。     

柴达木盆地碱山深钻的硼同位素地球化学特征

沉积物硼(B)同位素组成可以反映其地质成因及经历的地质过程,因此在许多领域的研究中都有较为广泛的应用。通过对位于柴达木盆地碱山背斜顶部的SG-1b钻孔沉积物(7.3～1.6 Ma)水溶组分的B同位素研究,发现钻孔沉积物B含量在38.55～172.3μg/g之间,平均含量为87.6μg/g;δ~(11)B值的变化范围在3.61‰～16.26‰之间,平均值为10.65‰,B含量与δ~(11)B值具有一定的正相关关系。进一步分析表明,受到碱山背斜构造隆升以及晚新生代以来气候干旱化的影响,柴西古湖逐渐咸化萎缩,沉积环境以及碳酸盐含量、粘土矿物含量及其矿物组合等也在发生变化,B含量和δ~(11)B值自钻孔底部向上的逐步增加以及后期的急剧增加,与水溶离子含量以及矿物和粒度等的变化一致,这说明柴达木盆地晚中新世以来湖泊沉积物的B含量和δ~(11)B值可以很好地反映研究区气候和湖水的演化过程,共同指示了研究区自7.3 Ma以来气候的持续干旱化和湖水盐度的逐步增加,以及3.3Ma以来干旱化和湖水浓缩过程的加剧。     

湖泊沉积物中无机碳酸盐来源的确定

湖泊沉积物中无机碳酸盐可能具有多源性,包括源自湖泊流域的陆源碎屑碳酸盐和湖泊自生化学碳酸盐,二者对气候或环境的指示意义迥异,在利用湖泊碳酸盐进行古气候及古环境意义判读时,必须先进行碳酸盐来源的确定。针对前人不同的碳酸盐区分办法,进行了归纳和述评。     

全球变暖对青藏高原不同补给类型湖泊生产力的影响

研究以青藏高原阿翁错和托素湖湖泊沉积物为研究对象,通过多指标(总有机碳含量、有机碳同位素和有机碳埋藏速率等)综合分析,重建不同补给类型湖泊的生产力变化及碳循环过程。结果显示：全球变暖对不同类型湖泊的生产力的影响存在显著差异。在以降水和冰川融水为主要补给源的阿翁错,全球变暖造成冰川融水补给增加。当指示冰川融水补给量变化的δ¹⁸O_carb值逐渐偏负时,湖泊沉积物TOC含量逐渐升高;指示冰川融水输入造成湖泊面积持续扩张,营养物质增加,湖泊生产力提高;当湖泊面积扩张较快,即冰川融水在短时间内快速输入时,TOC含量下降,可能是由于当冰川融水输入过多,造成湖水温度下降过快时,底栖藻类生产力下降,进而湖泊固碳能力下降。对于受人类活动影响的托素湖,全球变暖对湖泊水文过程及生产力的影响较小,δ¹⁸O_carb值变化主要受控于农业灌溉活动引起的湖泊补给水量的变化。当δ¹⁸O_carb值升高时,TOC含量增加;推测是由于农业灌溉耗水量增加导致湖泊补给水量减少,湖泊水位下降,湖泊底部...