腕足壳体与碳酸盐岩全岩中碳、氧、锶同位素差异

利用碳酸盐岩中的地球化学信息反演是研究地质历史时期古环境、古气候变化的一种常用手段.上世纪八十年代前,学术界一直将碳酸盐岩全岩样品作为研究对象.近年来,腕足化石壳体引起了科学家的注意,认为相比碳酸盐岩全岩样品,腕足壳体能更为完好地保存原始的地球化学信息.研究通过对比四川龙门山泥盆纪腕足化石和碳酸盐岩全岩样品中碳、氧、锶同位素(黄思静、卢长武等人数据),发现腕足化石中氧同位素明显高于碳酸盐岩全岩;但碳、锶同位素基本一致.上述结果表明:相比腕足化石,碳酸盐岩全岩样品蕴含的地球化学信息虽有所差异,但在大多数情况下,尤其是缺乏腕足化石的时期,碳酸盐岩全岩蕴含的地球化学信息照样可以反演地质历史时期的古环境变化,尤其是碳、锶同位素.     

龙门山地区早泥盆世古海洋环境——来自腕足类壳体的地球化学证据

四川龙门山地区泥盆系是解决我国华南区与西北区及国外泥盆系对比的纽带,也是全球古生代气候变化对比研究的一个重要地区。但该地区早泥盆世古海洋环境研究一直缺乏同位素地球化学方面的证据,影响到该地区泥盆纪地球化学记录与世界其他地区的对比,进而影响全球范围内的古生代气候变化对比研究。针对这一问题,我们通过龙门山地区早泥盆世保存完好的腕足化石稳定同位素地球化学研究,对该地区早泥盆世海洋的古地理环境特征进行了探讨。保存鉴定结果显示:腕足化石壳体结构保存完整;阴极射线照射下壳体不发光或部分壳体呈微弱橙黄色;大多数壳体微量元素Mn < 250 μg/g、Sr > 400 μg/g。表明腕足化石保存完好,后期成岩作用影响微弱。同位素结果揭示龙门山地区δ18O值在-4.5‰ ~ -9.9‰(PDB下同)之间,明显低于该时期世界其他相同纬度地区的δ18O值 (-1.7‰ ~ -6.9‰);微量元素Fe、Mn含量变化与氧同位素组成变化呈反相关系。这说明龙门山海域当时处于海水同开阔海水交流不畅,海水化学成分受陆源淡水注入控制。这一发现从同位素地球化学角度对龙门山古海洋环境做出了判别,为龙门山地区同位素及微量元素研究在世界范围内进行短尺度对比提供依据。     

古海洋研究中的地球化学新指标

有机地球化学与微量元素地球化学古环境指标及其相关的同位素指标已成为追溯古全球变化与古海洋生物地球化学演化的有力工具。从古环境替代指标的示踪原理和应用的角度，综述了有孔虫碳同位素、有机地球化学整体指标、生物标志化合物、单体有机分子同位素、微量元素等在古海洋古环境研究中的应用及相关的研究动态与进展。指出古海洋研究正从以恢复古海洋的物理参数（温度、盐度、古洋流等）为主，向着揭示古水团演化、古生产力、古营养状况、碳贮库及碳循环等古生物地球化学演化过程方向纵深发展。     

本期文章导读

正非传统稳定同位素地球化学的建立与发展是本世纪地球化学领域的重要进展之一。镉(Cd)同位素分馏主要发生在蒸发/冷凝过程、无机吸附/沉淀过程及生物吸收利用过程。这些Cd同位素分馏效应被成功应用于构建海洋生物地球化学Cd循环体系、反演古海洋环境及初级生产力变化,硫化物矿床成矿流体演化、成矿物质来源示踪及不同成因矿床类型判别研究,环境体系Cd污染源的源区判别、农田面源Cd来源及其运移、循环及储存机制研究。在海洋科学、地球科学、环境科学及农业科学研究上展现出巨大的应用潜力。该文提出下一步应深入开展高精度Cd同位素分析方法研究,探讨Cd同位素分馏机制和分馏模型,尤其是应深入研究微生物作用下Cd同位素分馏效应,建立Cd同位素生物分馏地球化学示踪体系,推动非传统稳定同位素地球化学创新发展。     

湖相沉积物有机地球化学在古环境研究中的应用

湖相沉积物中的有机质蕴含着丰富的地球化学信息,是古环境研究中必要的基础资料之一。文章综述了近年来湖相沉积物有机地球化学在古环境研究中的应用,结果表明:1在应用有机地球化学信息探讨古环境时,首先要根据有机质组成特征区分其来源,不同来源的有机质,其地球化学特征存在差异;2有机质碳同位素(δ13Corg)是研究古气候变化的常用指标,在区分暖湿、暖干、冷湿、冷干气候类型时需结合沉积物中总有机质丰度(TOC)、总有机氮丰度(TN)、自生碳酸盐氧同位素(δ18O)等资料;3脂肪酸不饱和度可作为恢复古环境温度的定性指标,UK37和UK37'在定量恢复古湖水表层温度中有较好的应用效果,TEX86有望应用在古湖水表层温度的重建;4生物标志化合物可较好地区分沉积物中有机质的来源、沉积水体的盐度及氧化还原性。可见,有机地球化学是研究古环境常用且有效的技术手段,多项有机地球化学参数相互验证能够更精确地重建古环境并预测其演化趋势。     

生物壳化石地球化学的研究动态

生物壳化石地球化学是生物学和地球化学的边缘学科。五十年代以来,国内外学者先后应用生物壳化石微量元素、碳氧同位素组成,在研究古气候、古环境和进行年代对比等方面,开拓了一个新的学科领域。 一、科学依据 本文重点讨论陆相地层中,生物壳化石地球化学研究的科学依据和重要意义。 温度和降雨量是描述气候变化的主要参数。无论是哪种气候参数的改变,都可以使古湖盆中水体的酸碱度、盐度、水温、氧化—还原条件等发生改变,并且影响古生物组合面貌和沉积物特性。不同的古气候古环境     

河蚬壳体不同断面碳、氧同位素研究

生物壳体碳酸盐的稳定氧、碳同位素已经被广泛地应用在古气候、古环境研究中,在生物壳体就位分析中,壳体不同断面上同位素的差异将影响对壳体同位素所指示的环境意义的判断,从而对利用其提取气候环境信息造成不利影响。本文对河蚬壳体不同断面碳氧同位素进行了研究,结果表明:河蚬壳体碳同位素变化序列在不同断面上不存在显著差异,因此在做碳同位素时间序列研究时可以不考虑不同断面差异的问题,在取样过程中可以通过延长取样的长度来获得足够量的样品进行碳同位素的测定;而氧同位素变化序列在不同断面上存在差异,因此在进行壳体就位分析研究时,选取不同断面上氧同位素变化序列对研究结果影响较大,存在壳体断面选择的问题,而在取样过程中取样的长度应控制在一定范围内,避免同一生长环上距离较远位置粉末的混合。文中最后根据壳体不同断面同位素差异确定了在壳体就位分析中如何选取研究断面。     

海洋钙同位素分馏机制及其古海洋学应用

钙在海洋中是离子浓度仅次于钠和镁的金属元素,在海洋生物过程及矿物形成中都占据重要的地位。随着同位素分析仪器精度的提高,钙同位素等非常规稳定同位素的研究逐渐成为地球化学的热门,钙同位素在海洋环境中的分馏机制及其在古海洋学中的应用研究不断完善。系统介绍了钙同位素高精度分析的方法和原理,海洋环境中无机成因和有机成因2种钙同位素分馏的机制和应用;通过大量的文献调研综述了钙同位素地球化学研究在古海洋参数恢复上的应用。通过有孔虫Globigerinoides sacculifer的钙同位素具有对温度敏感、温感公式简单、后生成岩作用对其影响小和分析材料完整易得等优点,并同其他传统地质温度计联用,为古海洋研究提供精确的海洋表面温度(Sea Surface Temperature,SST);利用钙同位素值温度相关性较小的钙质壳体来恢复古海洋钙通量;利用无机成因碳酸盐岩盖帽的钙同位素恢复海水CO2-3浓度和研究甲烷渗漏对古海洋环境的影响。     

北京西山下苇甸第三统/芙蓉统界线附近碳酸盐岩地球化学特征及古环境意义

芙蓉世早期全球发生的生物绝灭事件与该时期古环境的变化可能存在着密切联系,但未有定论;相对于深水相区,浅水台地沉积物地球化学特征对古环境的变化有着更敏感的响应,有利于深化这一问题的理解。选取北京西山下苇甸剖面第三统崮山组和芙蓉统长山组碳酸盐岩沉积为研究对象,通过元素地球化学和同位素的分析,重建这一时期古环境的变迁过程,并探讨其与生命演化的关系。结果表明:崮山组和长山组沉积更替时期,古气候和古海洋环境有大的波动。海水由海平面低点快速海侵,水体还原性急剧增强,海水温度降至最低点,盐度升高至最高点,可能这是三叶虫生态崩溃及其灭绝的重要原因。长山组早期干热气候和温湿气候交替频繁,大规模海侵促使陆源碎屑物质输入的增加,海水中营养元素的富集促进了生物勃发;同时深水的还原性条件有利于有机质的保存,最终导致碳酸盐岩碳同位素的正漂。研究还表明,这次碳同位素正漂的发生与长山中晚期海平面的下降没有明显的成因联系。     

广西横县六景吉维特期腕足类Rhynchospirifer和Stringocephalus的环境元素和稳定同位素生物效应

利用现代生物学研究模式,对比了吉维特期不同层位中原地埋藏的Rhynchospirifer属壳体次生层（纤维层）与其围岩之间元素和碳、氧稳定同位素变化,探讨了不同时期同属腕足类的古环境元素和稳定同位素生物效应及其变化趋势;通过对比同层位Rhynchospirifer属和Stringocephalus属化石壳体次生层及其围岩之间的元素变化,探讨了同时期、同生境不同属腕足类的古环境元素生物效应。当环境元素含量发生变化时,Rhynchospirifer因其对各元素生态幅和耐受限度的差异而并不完全对环境中各化学因子的变化产生一致性的响应,而当跨越牙形石Lower varcus和Middle varcus亚带后,其属内适应性变异造成属内特异性选择发生一定程度的变化。Stringocephalus和Rhynchospirifer对其耐受限度较小的Al,K,Sc,Co等元素保持较高的属内有效性和特异性选择;对其耐受限度和生理有效性中等、可被其他元素替代的Mn,P,Ni,Cu等元素,其特异性选择有限,并可能与有效性原则和丰度作用相叠加;对于生态幅较宽的V,Cr,Sr,Pb等元素,属内的特异性选择弱化。当与同时期生态龛比邻属种对比时,彼此的生态幅发生部分重叠,部分元素如Mg,Na,As,Pb等的含量甚至较不同时期同属生物更加接近。Rhynchospirifer壳体次生层与其围岩碳、氧同位素比值分别保持着较好的同步性和一致性,即不存在碳、氧同位素生物效应。     

石炭纪海相碳酸盐岩的锶同位素演化及其意义

本文从马角坝剖面石炭系海相碳酸盐岩和腕足化石的锶同位素变化出发,讨论了锶同位素地层曲线的地质意义,并且指出海相碳酸盐岩和腕足化石的锶同位素组成可作为了解地球构造演化的工具。     

腕足化石古温度研究

温度变化研究是理解地球气候系统变化的关键环节之一.通过对海水温度变化的了解,可以系统地了解全球气候演化规律及其驱动机制.由于腕足化石具有保存完好以及分布年限长等优势,提取腕足化石中氧同位素信息进行古生代海水温度变化研究,已成为常用手段,但利用其Mg/Ca比值进行古温度变化的探讨却很少报道.通过对四川龙门山泥盆纪腕足化石中氧同位素以及Fe、Mn、Sr、Mg、Ca等微量元素的提取,结合微体结构观察、阴极发光等实验,在判定腕足化石保存良好的前提下,发现根据腕足化石中Mg/Ca(mmol/mol,下同)比值计算的温度相比氧同位素推算的温度,同生物学、古地理学证据显示的温度更为接近.此结果可能是由于利用氧同位素计算温度时古海水氧同位素未知及其不稳定性造成的.尽管腕足化石Mg/Ca比值温度计同样受海水的盐度以及pH等因素的影响,但计算结果显示,其反演的古温度比较接近真实的温度变化.      

生物标志化合物碳同位素地球化学研究的几个相关问题

生物标志化合物稳定碳同位素地球化学是８０年代末期新兴的研究领域。单个生物标志化合物碳同位素组成的成因解释是该领域至关重要的问题。本文综合讨论了与此有关的生物合成过程中脂类化合物碳同位素变化、细菌生物合成过程中碳同位素分馏及其脂类化合物碳同位素组成特征，从而为我国的生物标志化合物碳同位素地球化学研究提供了新的理论依据     

Boron isotope geochemistry of Paleozoic brachiopod calcite: Implications for a secular change in the boron isotope geochemistry of seawater over the Phanerozoic

Boron isotope composition of marine carbonates has been proposed as a paleo-pH proxy and potential tool to reconstruct atmospheric pCO₂. The precise knowledge of the boron isotopic composition of ancient seawater represents the fundamental prerequisite for any paleo-pH reconstruction. This contribution presents boron isotope values for Silurian to Permian brachiopod calcite that might be used to reconstruct pH or boron isotope composition of past oceans. All brachiopod shells were screened for diagenetic recrystallization by means of cathodoluminescence microscopy, trace element geochemistry (B, Fe, Mn, Sr) as well as SEM. Only nonluminescent shells revealing well-preserved microstructures, high strontium and boron concentrations as well as low iron and manganese contents were accepted for boron isotope analysis. The boron isotope ratios of Silurian, Devonian, Pennsylvanian and Permian brachiopod calcite range from 6.8 to 11.0‰, 7.3 to 14.9‰, 12.4 to 15.8‰ and 10.1 to 11.7‰, respectively. These δ¹¹B values are significantly lower in comparison to δ¹¹B values of modern biogenic carbonates and indicate that the Paleozoic oceans were depleted in ¹¹B by up to 10‰. Box modeling of the boron geochemical cycle suggests that the significant depletion of ¹¹B in the oceanic reservoir may have been initiated by an enhanced continental boron discharge. Our data support the earlier made conclusion that boron isotopes may not be used in the geological past as reliable paleo-pH proxy unless the boron isotopic composition of ancient oceans can be constrained by further studies.     

森林沼泽泥炭不同演化阶段气体碳氢同位素演化特征

煤层气的成因是石油地质学研究的热点.煤层气聚集存在着"累积聚气"和"阶段聚气"两种形式, 对于"阶段聚气" 的煤层气成因判识的地球化学研究还很薄弱.通过森林沼泽泥炭在不同温度下制备的样品进行热模拟实验, 首次获得了不同演化阶段甲烷、乙烷和二氧化碳的碳、氢同位素组成和演化规律.发现随着原始样品演化程度越高, 生成的甲烷和乙烷的碳、氢同位素组成具有变重的趋势; 同时, 甲烷和乙烷碳同位素组成明显地受原始样品演化程度的影响, 而氢同位素组成主要与成熟度密切相关.确定了成煤有机质在不同演化阶段生成的气体碳、氢同位素组成.首次获得了成煤有机质不同演化阶段热解气体碳、氢同位素组成与R_o之间的关系式.建立了甲烷与乙烷的碳、氢同位素之间的关系式, 形成了甲烷碳、氢同位素组成相关图.根据这些为研究不同成熟度区间生成的煤层气成因提供了科学数据, 为"阶段聚气"的煤层气地球化学特征认识及其成因判识提供了科学依据.并且, 将这些研究结果应用到我国沁水盆地南部煤层气研究, 认为该地区煤层气是在中侏罗世以后聚集而成, 具有"阶段聚气"的特征, 证明了热模拟研究成果对自然界煤层气成因的判识具有重要的科学意义.      

植硅体化学组成研究进展

现代植物植硅体化学组成研究有利于揭示植硅体的化学组成与细胞形态、植物种类及植物生长环境之间的关系,认识植硅体形成机制、植物分类及生态意义。植硅体化学组成测试方法多种多样,主要涉及植硅体化学元素组成及Si、O和C元素同位素组成测定,研究表明植硅体主要含二氧化硅和水,封闭有少量的有机成分及多种矿质元素。在植硅体封闭有机成分存在形式,部分元素的形成、迁移等循环机理,稳定碳同位素组成、分布及其生态指示意义以及^14C测年研究等方面取得一定认识。植物种类、组织部位、细胞微环境以及植物生长的环境因子能够影响植硅体的化学组成。植硅体化学组成研究对植硅体形成机制及碳、硅等元素循环具有重要意义,植硅体部分化学元素、植硅体稳定同位素组成及^14C测年具有较好的古环境及考古研究潜力。现代植物植硅体化学组成及其与环境因子的关系,以及植硅体电子探针微区研究有待于进一步深入开展。     

东天山康古尔金矿床成矿物源的同位素地球化学特征

康古尔金矿床属晚古生代火山岩区剪切带蚀变岩型金矿。同位素地球化学研究表明,矿石中铅为正常铅,热液系统硫同位素组成为陨石硫型,矿石中碳、钕同位素组成具深源特征,同时矿石与火山岩围岩中的Ｓｉ、Ｓｒ、Ｓ、Ｐｂ等同位素组成相近,说明成矿物质主要来自矿体围岩———火山岩,晚期有少量来自矿区附近的侵入岩。铅、锶同位素组成反映成矿过程中也有少量壳源物质的加入。     

行星地球不均一成因和演化的理论框架初探

地球是太阳系的一部分 ,研究地球的成因和演化必须要与太阳系的形成结合起来。文章在综合最新的地球化学、地球物理和天体化学研究资料的基础上 ,对地球的不均一成因进行了理论上的推导。对星子学说、地球的多阶段堆积模型和地球化学不均一性以及它们的相互关系进行了论述 ,从行星演化的角度阐述地球不均一成因的理论框架。根据行星起源的星子学说 ,以及天体化学、地球化学和深部地质地球化学和地球物理资料的多重限制 ,行星地球的增生经历了两个主要阶段 ,即原地球的形成阶段和晚期星子堆积形成上地幔镶饰层阶段。早前寒武纪岩石的铅、钕、氧同位素的研究表明 ,在地球形成的初期就存在化学不均一性 ,而这种不均一性很可能代表初始堆积星子化学组成的差异     

PROBLEMS IN STUDIES ON CARBON AND OXYGEN STABLE ISOTOPES IN CARBONATES

Carbon and Oxygen stable isotopes in carbonates have long been the important geochemical tracers. Studies on the isotopic compositions can provide insights into the paleoclimatic processes, the paleoceanic environmental processes and the geological processes as well. Researches of more than four decades in the field, especially from the early 1980s on, during which the analysis of the isotopes in fossil brachiopods and early diagenetic cements has contributed much to the knowledge, achieved appreciable progress. However, problems still remained with how to explain the data that already existed on the isotopic compositions of carbonates, on which there is a dichotomy between those who advocate that the data represent the original characteristics of the isotopes and those who argue that the data have been altered diagenetically; with how to select the samples of carbonate for analysis of the isotopic ratios, which has a set of criteria, namely, the microstructure, the Cathodoluminescence and trace elements, for tests of the sample preservations; with whether the fossil brachiopods′shells have vital effects on the isotopic compositions, on which there is a tendency toward the existence in recent years; with to what extent the living environment variations of the fossil affect their carbon and oxygen isotopic ratios and with the utilization of early diagenetic cement as analyzing samples. Along with the problem raising, this paper reviewed the
methods on, and new developing trends toward, the problem-solvings, as well as the up-to-date advances of studies on each problem.