冷水珊瑚氧、碳同位素——古水温重建与钙化机制

冷水珊瑚是开展中—深层海水高分辨率古海洋学研究的理想载体。不同于浅水珊瑚,冷水珊瑚受到生命效应的强烈影响,其δ~(18)O亏损4‰～6‰,δ~(13)C亏损约10‰,因此利用冷水珊瑚氧、碳同位素恢复古水温时需要校正。综述了利用冷水珊瑚氧、碳同位素重建中—深层海水古温度的原理和方法,以及现有的3种冷水珊瑚钙化模型及优缺点。提出需要进行进一步的微区分析及针对性实验来阐明冷水珊瑚的钙化过程。     

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。     

南海北部珊瑚高分辨率硼同位素组成及其对珊瑚礁海水pH变化的指示意义

造礁珊瑚是研究热带海洋高分辨率气候环境演变的重要载体。对采自海南岛南部三亚湾的活体滨珊瑚SY10进行了约为月分辨率的碳、氧、硼同位素组成分析,并利用珊瑚δ11B重建了海水pH。结果显示,所测量样品的δ13C变化范围为–3.32‰~–1.76‰,δ18O为–6.13‰~–4.78‰,δ11B为23.51‰~26.23‰,且这些珊瑚样品的碳、氧、硼同位素组成均存在明显的季节性周期波动。其中pH与δ18O之间存在明显的正相关关系,高的pH值更倾向于在低温的季节出现,这意味着短时间尺度该处珊瑚礁海水pH可能主要不是受海水CO2溶解度控制,而是与生物活动有密切的关系。利用SY10珊瑚样品硼同位素组成重建的海水pH值变化范围为7.77~8.37,并呈季节性周期波动,这种大幅度的周期波动与我们对三亚珊瑚礁海水pH进行现场观测所得到的结果以及前人的研究成果相符,说明了利用珊瑚δ11B重建海水pH记录是可靠的。     

南海北部造礁珊瑚碳同位素的时空变化及其影响因素

海南岛东岸和南岸两个礁区采集了3个活体滨珊瑚,沿珊瑚生长轴线切样进行月分辨率的氧碳同位素分析,目的是研究珊瑚碳同位素组成在季节、年际和年代际3个时间尺度上的变化与季风气候的联系.结果表明,珊瑚的δ18O值的季节性变化和年际变化在全年都基本上受表层海温的控制,基于这一相关变化可以建立同位素序列的时间标尺.在同位素的时间序列上,珊瑚δ13C值季节性变化与日照基本同步.由于日照变化主要受大气顶部太阳理论日照和云量变化的控制,而理论日照在某一地点随时间的变化是规律的,所以,云量变化是珊瑚碳同位素组成季节变化的主要因素.过去30年珊瑚δ13C值最明显的年代际变化特征是1986～1987年δ13C值的突然减小事件,这一事件与日照的变化在时间和统计特征上都有一致性,但与云量变化关系不大,可能与其他因素引起的日照变化有关.现代滨珊瑚碳同位素组成普遍存在着变小的趋势,这种年代际变化与大气CO2同位素变化一致,两者在机理上成因关系也说明,近代珊瑚碳同位素组成变小的趋势与大气CO2的变化有关.不同海区的珊瑚同位素记录对比显示,海水及其中的有机物的碳同位素组成决定着珊瑚δ13C值季节变化性在空间上的分异特征,它们在很大程度上受淡水注入量的影响;同时,日照起主要作用的光合作用也对珊瑚δ13C值的变化在空间上的分异有一定的贡献.     

晚泥盆世弗拉期-法门期(F-F)之交海洋氧化:来自华南垌村剖面碳酸盐岩Ce异常证据

晚泥盆世弗拉期-法门期(Frasnian/Famennian,以下简称F-F)之交的生物灭绝事件是显生宙以来五大生物灭绝事件之一,这次灭绝一般认为与全球海洋缺氧有关。华南广西桂林是我国F-F地层最为发育、研究程度最高的地区之一,本研究利用碳酸盐岩Ce异常指标,对桂林地区垌村剖面F-F期间的古氧化还原条件进行了重建。结果表明,F-F期间碳同位素的正漂移对应着表层海洋的氧化而非先前广泛认为的缺氧。将这一发现与先前同一地区的地球化学和古生物数据相结合并进行综合分析,我们认为气候快速波动在F-F期间生物与环境巨变中扮演了最为关键的角色。气候变冷使得海水氧溶解量增加和赤道—极地之间海水温度梯度变大,海洋表层环流和垂直翻转变得更加活跃,导致深水营养物质向海洋表层的输送量增多,有效促进表层海洋初级生产力和有机碳埋藏通量升高,进而引起全球海水碳同位素值的提高。因此,本研究支持全球气候快速变冷而非海洋缺氧导致了F-F大灭绝事件。     

末次冰期以来南海东北部陆坡-深海盆沉积有机质的来源及古环境意义

<正>利用有机地球化学方法可以从海洋沉积有机质中提取出丰富的用于重建海陆古气候和古环境的指标。其中海洋沉积物的总有机碳(TOC)、总氮(TN)含量及其稳定同位素组成(δ13Corg、δ15N)被广泛运用于判识有机质的来源,进而探讨海洋中碳、氮的生物地球化学循环过程以及地质历史时期的古气候/环境的变化。随着南海古海洋学研究的不断深入,已有学者对南海陆架—陆坡区末次冰期以来的沉积有机质的来源、组成变化以及控制因素等进行了探讨,发现沉积有机质的有机碳、氮含量及其稳定同位素在冰期/间冰期旋回中存在周期性变化规律。然而,对于南海超深水的下陆坡乃至深海盆区的沉积有机质尚未进行过此类研     

珊瑚钙化流体化学和珊瑚钙化率下降机制研究新进展

珊瑚礁的生态和经济功能依赖于珊瑚虫快速钙化所形成的文石碳酸钙骨架结构.近几十年来全球大面积珊瑚钙化率的下降虽然被认为同海洋变暖和酸化密切相关,但确切原因尚未得到证实.尤其是珊瑚碳酸钙骨骼不是直接从海水中钙化,而是在细胞包裹的半封闭、微米级厚度的钙化流体中沉淀,为相关研究带来极大困难.硼同位素-硼钙元素比体系是最近几年发展起来的研究珊瑚钙化流体化学的地球化学新手段.本文介绍了这一体系重建珊瑚钙化流体碳酸盐参数:pH、溶解无机碳(DIC)和CO32-的基本原理和可靠性,重点评述了该体系在珊瑚钙化流体重建和钙化率变化机制研究中的现状和最新研究成果,以及有望取得突破的方向.     

南海北部晚更新世以来的古海洋环境演化特征——来自N-31柱样的沉积记录

对南海北部N-31柱状样沉积物进行了浮游有孔虫定量分析鉴定、氧碳同位素、碳酸盐含量和粒度测试以及AMS14C测年,并采用古生态转换函数计算了表层海水古温度和温跃层深度,揭示了该海区约55 ka以来的古海洋环境特征.转换函数计算的表层海水古温度结果表明,夏季温度的变化范围为27.0～29.6℃,变化幅度为2.6℃,冬季温...     

完整极性脂质化合物对海洋微生物活动的指示及应用局限性

回顾了近10年来完整极性脂质化合物(IPLs)在海洋微生物研究中的应用及存在的问题,并展望了IPLs应用的发展前景。作为新的热点之一,对海洋水体悬浮颗粒物中IPLs的研究,不仅推进了人们对水柱中IPLs分布和转化的了解,同时也深化了对古环境指标TEX86适用性的认识,有助于更好地开展古环境重建研究。色谱和质谱技术的发展,新型化合物的发现以及IPLs单体碳同位素分析的应用,使得IPLs在示踪海洋环境中真核生物与微生物共生作用、微生物介导的好氧和厌氧氨氧化以及甲烷厌氧氧化作用、微生物的代谢状态等方面也取得了重要研究进展。需要注意的是,由于不同的IPLs降解速率并不一致,其中部分古菌糖脂的降解周期可能远大于微生物群落的更新周期,因此可能并不适于表征活体生物量;同时,环境中氧气含量及有机质浓度也会对IPLs的降解速率造成影响;另外,在微生物不同的生长阶段,或者微生物由于生长环境条件变化产生生理响应时,IPLs组成也可能会发生变化。因此,应用IPLs指示微生物活动和反演古环境时应注意指标的适用性。     

珊瑚碳酸盐团簇同位素研究进展

基于碳酸根离子内部重同位素(~(13)C和~(18)O)之间相互团簇成键的程度与温度的关系,珊瑚碳酸盐团簇同位素(以Δ47值量化)可以用来指示海水温度。然而受"生命效应"影响,多种浅水、深水珊瑚Δ47值与海温的关系显著偏离无机合成碳酸盐的Δ47-t校正曲线。解析珊瑚生命效应对Δ47值的影响机制是有效应用团簇同位素重建海温的重要前提。本文介绍了团簇同位素体系、珊瑚Δ47值的特征,综述了近期珊瑚碳酸盐同位素研究重要进展,从pH效应、CO_2扩散、水合/羟基化,生物控制的方面对生命效应的分馏机制进行剖析。已有结果表明,尽管珊瑚Δ47值受生命效应影响,但依然具有显著的温度效应。未来研究需要在珊瑚钙化机制的视角下深入理解同位素分馏的各种影响因素。     

深水珊瑚林

2018年在南海发现的深水珊瑚林,为底栖生物乃至碳循环研究弥补了重大空缺。受技术限制,以前深海底栖生物的研究主要局限在沉积覆盖的软基底,以为石质海底是一片贫瘠世界。1990年代中期,应用深潜技术首先在大西洋发现了深海珊瑚礁,为海洋科学开辟了新的研究方向。深海珊瑚包括两类:一类是属于六方珊瑚的石珊瑚,以其文石质的外骨骼形成珊瑚礁;另一类是以柳珊瑚为主的珊瑚林,柳珊瑚属于八方珊瑚,可以形成高镁方解石的骨骼。这些碳酸盐骨骼都能够记录深海的环境变化,是古海洋学研究的绝佳材料。太平洋由于文石补偿面过浅,不利于深水珊瑚礁发育,深水珊瑚林应当普遍发育,可惜至今尚未得到重视,绝大部分海域属于研究空白。通过对深水珊瑚礁和珊瑚林的组成以及分布的介绍,讨论深水珊瑚林在海洋生态学中的重要性及其在古海洋学再造中的意义。     

古大气CO2浓度重建方法技术研究现状

温室气候引起的全球气候变暖越来越引起人们的关注,大气中不断上升的CO2浓度被认为是导致气候变暖的主要因素.地史时期大气CO2浓度变化与温室气候可能存在类似的关系,可提供参考,因而古大气CO2浓度重建是首要任务.总结近年来古大气CO2浓度重建的进展,重点介绍GEOCARB模型模拟、植物叶片气孔参数和同位素指针的方法和技术.GEOCARB模型是反映全球古大气CO2浓度长期变化的碳相关模型;气孔参数方法是使用气孔比例来估计古大气CO2浓度;同位素指针包括成壤碳酸盐、浮游植物有机质生物标记物、钙质浮游有孔虫、古苔藓植物等,其中成壤碳酸盐碳同位素方法使用最为广泛.国内只是在叶片参数研究方面有一些进展,古大气CO2浓度重建工作任重而道远.     

海水化学演化对生物矿化的影响综述

显生宙非骨屑碳酸盐矿物经历了文石海和方解石海的交替,主要造礁生物和沉积物生产者的骨骼矿物与非骨屑碳酸盐矿物具有同步变化的趋势。这种长期的变化趋势可以用海水化学Mg/Ca摩尔比的变化来解释。流体包裹体、同位素和微量元素等证据也证实了海水化学在地质历史中经历过剧烈的变化。虽然生物诱导矿化和生物控制矿化的相对重要性一直存在争议,但古生物地层记录和人工海水养殖实验结果都表明,海水化学演化对生物矿化有重要的影响,体现在造礁生物群落的兴衰、生物起源时对骨骼矿物类型的选择以及微生物碳酸盐岩在地质历史中的分布等。这些为研究前寒武纪海水化学演化、古气候和古环境的重建、同位素地层对比以及碳酸盐的沉积和成岩等问题提供了新的思路。     

中更新世以来哈尔滨黄土有机碳同位素组成及其古气候意义

研究黄土-古土壤序列有机碳同位素组成与古植被和古气候的关系,对于重建第四纪环境变化过程有重要意义。然而,东北地区黄土有机碳同位素组成的研究尚未展开。本文对哈尔滨荒山岩芯开展了黄土-古土壤序列的有机碳同位素组成和磁化率分析。结果表明,中更新世以来有机碳同位素组成在古土壤层和黄土层的均值分别为–24.8‰和–25.1‰,整体上古土壤层有机碳同位素组成较黄土层偏正,而S0和S2古土壤层相对偏负。利用端元法恢复过去C_3/C_4植物的相对丰度,揭示出中更新世以来研究区C_3植物占绝对优势地位。通过与海面温度和深海氧同位素以及东北地区赤峰黄土的有机碳同位素进行耦合对比,发现荒山岩芯的有机碳同位素组成变化与温度呈正相关,表明温度是植物碳同位素组成变化的主控因素。然而在某些间冰期时期,比如S0、S2层以及S3古土壤层中部,降水可能成为主要因素。上述研究表明东北地区植物生长对气候响应具有复杂性。这些认识对于理解哈尔滨地区C_3植物的生长因子具有重要的借鉴意义。     

示踪全球环境变化的微生物代用指标

文章详细总结了示踪全球环境变化的一系列微生物替代指标。重建古温度的定量指标包括藻类长链烯酮的U、古菌甘油二烷基甘油四醚化合物(GDGTs)的TEX_(86)指标、细菌GDGTs的甲基化指数(MBT)与环化指数(CBT)的组合。古温度的定性指标有脂类单体的氢同位素组成、不饱和脂肪酸的相对含量、有孔虫和硅藻的组合及其生物体的同位素组成和微量元素比值。重建古水文的指标包括有壳变形虫组合、细菌GDGTs的环化指数CBT、细菌和古菌GDGTs的陆源输入指数BIT、古菌和细菌GDGTs的相对丰度R、直链脂肪族化合物的碳优势指数CPI、好氧与厌氧微生物的丰度。古大气CO_2分压的估算可采用藻类长链烯酮的碳同位素组成、有孔虫的硼同位素组成。认为这些微生物指标在古环境重建中潜力巨大,并对一些重要微生物指标的应用原理和限定条件进行了分析。有些指标因受多种环境因子和成岩作用的影响,在应用中需特别的注意,不能无限夸大其应用领域。     

古海洋生产力指标研究进展

寻求反映古海洋生产力变化的指标是古海洋学研究的重要内容。生物沉积物、营养元素、微量元素和同位素、古生物资料等与古海洋生产力具有一定的关系,常用于古海洋生产力的重建工作:(1)生物沉积物主要包括有机碳、生物碳酸盐和生物硅质沉积等,其埋藏速率在很大程度上受到古海洋生产力的控制,常常用作古海洋生产力的替代性指标;(2)在地质时间尺度上,古海洋生产力主要受到大洋中营养元素可利用程度的控制,因此营养元素的相关记录可以提供古海洋生产力状况的重要信息;(3)海洋中某些微量元素的地球化学行为或者与有机质的改造有关,或者受到氧化还原条件变化的控制,或者受到某种浮游生物的生长的影响,从而能够直接或者间接地指示古海洋生产力的变化;(4)海相碳酸盐和有机质的碳同位素记录,海相有机物的氮同位素比值也用以再造古生产率等古海洋学参数;(5)可以利用对微体化石丰度值及其组合反映古生产力的变化。     

生物标志物稳定氢同位素研究进展及在海洋古环境重建中的应用

生物标志物稳定氢同位素是一种比较新的古环境指标,越来越多的研究者利用生物标志物稳定氢同位素重建了陆地和海洋中古水循环的变化。在陆地上,生物标志物δD值可以用来重建降雨δD值、古海拔以及蒸散作用大小或者湖泊水的输入输出平衡。在海洋中,生物标志物δD值的变化能更好地反映与其相关的生物和环境信息。培养实验以及现场数据显示生物标志物δD值能很好地反映表层海水δD值以及表层海水盐度的变化。许多研究者也利用海洋中生物标志物δD值重建了长时间尺度降雨量以及表层海水盐度的变化。对近年来生物标志物稳定氢同位素的研究进展,尤其是在海洋古环境重建中的应用进行了总结。     

二次离子质谱微区原位牙形石氧同位素分析及其在古海表水温记录中的应用

利用生物成因磷灰石的氧同位素信息能够重建古海水温度,尤其是牙形石,结合其在生物地层学上的研究,它的数据解释具有明确的古环境意义。牙形石微小的个体一直是其精确地球化学分析的限制因素。作为对牙形石微区原位氧同位素测试方法的探索研究,本文利用Cameca IMS--1280 型二次离子质谱仪对牙形石进行了微区原位氧同位素组成测试,通过分析得到可靠的古表层海水温度 ( SST) 记录,表明从晚二叠世到早三叠世SST 存在明显的上升过程。相比常规Ag3PO4 实验方法,牙形石微区原位氧同位素分析方法更加快速,而且能够有效避免牙形石易受到污染的部位,获得更为可靠的牙形石氧同位素组成的测定结果。     

四川盆地宣汉渡口和重庆北碚下三叠统海相碳酸盐碳同位素组成与演化

早三叠世海水的碳同位素组成与演化是二叠纪—三叠纪生物群体灭绝事件之后全球生态萧条与重建时期地球碳循环的重要记录,为地学界长期高度关注。文中测试了四川盆地宣汉渡口和重庆北碚下三叠统及相邻地层258个海相碳酸盐样品的碳、氧同位素组成,以便探讨早三叠世海水的碳同位素组成与演化。这些样品对海水碳同位素组成具有不同的保存性,飞仙关组及嘉陵江组第一、三段保存较好,而嘉陵江组第二、四段保存较差。基于氧同位素可以更为敏感地反映海相碳酸盐成岩蚀变性的原理,在碳、氧同位素相关性分析的基础上,以δ18O-7.5‰为剔除标准,筛选出近200个有效数据建立了碳同位素演化曲线,该曲线与前人在贵州建立的同期曲线具有很好的可对比性。曲线显示出海水碳同位素组成的巨大波动,变化幅度达8.55‰,包括2个完整的上升—下降旋回,第1个旋回由飞仙关组和嘉陵江组第一段组成,第2个旋回由嘉陵江组第二段、第三段和部分第四段组成,同时还包括若干短周期的次级旋回。利用曲线形态与前人建立的同期曲线进行了岩石地层与年代地层单位的对比,飞仙关组可大致与Induan阶对应,嘉一段可大致与Smithian亚阶对应,嘉二段、嘉三段和嘉四段下部可大致Spathian亚阶对应;绿豆岩作为下—中三叠统界线其位置可能偏高,下—中三叠统界线应该位于绿豆岩之下的嘉四段内部。早三叠世海水碳同位素组成高频率大幅度的波动指示了生物大灭绝后环境的不稳定性,其中菌藻类等微生物灾后过度繁盛,可能导致了有机碳在短时间内的快速埋藏和海水碳同位素的正漂移;而碳同位素大规模的负漂移可能与甲烷水合物释放带来的轻碳有关。研究认为,白云岩所在的地层段往往具有更高的δ13C值,这可能说明微生物活动、白云岩形成和海水δ13C值升高之间的有机联系。下三叠统的白云岩、尤其是嘉二段和嘉四段的白云岩可能是微生物成因的,嘉陵江组有机碳的生产和埋藏可能主要是与白云岩形成有关的微生物的贡献,具最高δ13C值的嘉二段的烃类在一定程度上可能具有自生自储的特点。     

黄土高原古气候变化定量重建的新进展

中国黄土- 红黏土沉积是可与深海沉积媲美的陆相沉积载体,记录了晚新生代东亚大陆气候环境变化历史。基于中国黄土的多种理化指标,重建了黄土高原地区构造- 千年尺度东亚季风变化历史,为探讨区域与全球气候的联系提供了关键证据。近年来,黄土高原古气候变化研究逐步从定性描述拓展到定量重建,本文旨在回顾基于中国黄土定量重建古温度和古降雨变化取得的重要进展。首先,梳理了古气候要素定量重建的指标和方法,古温度重建指标包括植硅体、碳酸盐耦合同位素、微生物脂类代用指标等;古降水变化敏感指标包括磁化率、白云石/方解石含量、生物微钙体Sr/Ca比值、有机碳同位素以及10Be等。然后,汇总了典型黄土剖面定量重建的古气候变化序列,分别从构造、轨道及千年时间尺度上探讨了古温度和古降雨的变化特征。结果表明,基于生标重建的不同时间跨度的土壤古温度变化序列,在冰期—间冰期尺度上的波动特征基本一致,但在冰盛期—冰消期时段出现了增温超前现象,说明陆地植被对土壤温度变化有重要调制作用。然而,不同指标重建的降水变化幅度差异较大,主导周期也存在差异,说明定量重建降水变化仍有较大挑战。最后,简要总结了黄土高原古气候定量重建存在的问题,明确了区分温度和降水季节性变化的重要性,指出加强地质记录与模拟结果的对比同化,将有助深化对多尺度季风变化动力学的理解。