沉积地球化学在古气候研究中的应用

　

(成都理工大学　四川　成都　610059)

引言

现代新技术、新方法的不断诞生与应用，使得古环境、古气候的高分辨率重建领域的研究异常活跃，利用常量元素和有机质特征元素的含量及比值的升高或降低来指示沉积时期湖泊流域温度、降水量等气候变化并建立湖泊演变的气候干湿波动曲线，也可以获得沉积时期元素迁移变化的过程，特别是近十年来沉积有机质分子与稳定碳-氢同位素地球化学技术的引入，使研究对象从经典的宏观-微观化石(孢粉、藻类等)向分子化石发展。相对于海洋沉积记录所揭示的大时间尺度、大区域背景古气候、古环境演变而言，湖泊沉积则是地区性古环境、古气候变迁的最佳载体，它完整地记录了地质历史时期区域气候、植被以及人类活动的演化轨迹，对区域气候变化的响应尤为敏感，是区域高分辨率古环境、古气候重建的理想场所，也是当前全球变化研究的焦点所在。

一、湖泊沉积物中常量元素特征值的环境意义

沉积物的常量元素地球化学特征可以指示其形成环境，不同的地球化学特征是不同沉积环境的产物，可以指示沉积时期湖泊流域温度、降水量等气候变化并建立湖泊演变的气候干湿波动曲线，也可以获得沉积时期元素迁移变化的过程。目前在湖泊沉积的环境演变研究中具有特征指示意义的元素有：Si、Al、Fe、Ca、Na、K、Mg、Mn、Ti、Sr、Ba 等。

(一)CaO/(MgO+Al2O3)

目前普遍认为，浮游生物光和作用引起的二氧化碳同化作用是湖泊内生碳酸钙沉淀的重要因素。随着湖泊沉积环境的温度升高，水体中的浮游生物光合作用逐渐增强,需要的CO2量逐渐增加，通过化学反方程式:

Ca2+++2HCO3-=CaCO3+H2O+CO2，CaCO3的含量增加。同时，随着气温的升高，湖水的蒸发量也会升高，即有利于碳酸钙的沉淀。因此，湖泊沉积物中自生碳酸钙的高含量指示着当时沉积环境的高气温；反之，自生碳酸钙的低含量指示着当时沉积环境的低气温。湖泊外源碳酸盐主要来源于湖盆流域的母岩，不能反映湖泊现代沉积的环境信息。因此，只有自生碳酸盐才真正具有气候变化指示意义。对于湖泊沉积物中的碳酸盐沉淀来说，包括流域侵蚀带来的陆源碎屑成分和湖泊自生碳酸盐成分，所以定量区分自生碳酸钙和外源碳酸钙比较困难。湖泊沉积物中碳酸盐矿物主要包括方解石和白云石。在淡水湖泊中，白云石(CaMg[CO3]2)的主要来源是流域侵蚀带来的陆源碎屑，一般不属于自生沉淀；而方解石(CaCO3)不仅来源于流域风化带来的外源组分，还来源于湖泊自身碳酸钙的沉淀，特别是在水生植物茂盛或湖泊蒸发量很强的湖泊环境下，自生碳酸钙沉淀占了相当比重。因此，沉积物中 MgO/CaO 的比值变化近似反映了白云石和方解石的比值变化，并可以近似地反映湖泊中自生碳酸钙沉淀的相对多少，进而可以反映出当时环境气温的高低。

(二)Sr/Ba 和 Ca/Mg

Sr、Ba、Ca、Mg的化学性质相似，都属于碱土金属。根据 SrSO4与 BaSO4的溶解度差异，指示湖泊水体盐度的差异，进而可以指示湖盆流域的干湿气候。由于SrSO4的溶解度大于BaSO4，当湖泊水体盐度较低时，硫酸根离子的浓度相对较低，所以硫酸根离子会先与Ba2+结合形成 BaSO4沉淀，Sr则以游离态离子存在于水体中。反之，当湖泊水体盐度较高时，湖水中的 Sr2+才能与硫酸根离子形成 SrSO4沉淀并沉降至湖底。因此，沉积物 Sr/Ba 比值可以较好地反映湖泊水体盐度的变化。Ca/Mg 有与 Sr/Ba 比值相同的环境指示意义，当比值较低时，指示水体盐度较低，即指示气候湿润；反之，则指示气候干旱。

二、湖相沉积物中有机质的来源

湖相沉积物中的有机质有2种来源，分别为外源的陆生植物和内源的水生生物(Meyers et al.，1999)。不同来源有机质的含量受控于沉积物形成时的古大气温度、湿度、CO2浓度和生物属性等物源条件，河流、大气流动、生物活动等搬运条件，以及沉积水体的盐度、pH 值、Eh值等保存条件。

(一)外源有机质

湖相沉积物中的外源有机质主要是指陆生植物。按照光合作用固碳方式和初级产物的碳原子数不同可将其划分为 C3、C4和 CAM 植物。C3植物光合作用的最初产物为三磷酸甘油酯;C4植物光合作用的最初产物为四碳二羟酸;CAM 植物属于中间类型(Attendorn et al．，1988)。目前，有确凿依据的 C4植物出现的最早记录前推至晚中新世(Thomasson etal．，1986)，至于是否存在更早的 C4植物，仍是一个悬而未决的问题。不同类型植物的光合作用固碳方式有较大差异，所以其生理习性和同位素分馏效应也不相同。

(二)内源有机质

湖相沉积物中的内源有机质主要是指来源于湖泊中的动植物在死亡之后与陆源碎屑共同沉积埋藏在汇水盆地中的有机质。可根据在湖泊中的分布位置差异，将水生植物划分为挺水植物、浮游植物和沉水植物三类。挺水植物的根或根茎生长在湖泊的底泥之中，茎、叶挺出水面。它一般直接利用大气中的CO2进行光合作用，因此与陆生植物的碳同位素特征相近，特别是与陆生C3类植物的δ13C具有很好的可比性，通常为-30‰～-24‰(Aravena et al．，1992)。

浮游植物是指在水中以浮游方式生活的微小植物，通常就是指浮游藻类，包括蓝藻门、绿藻门、硅藻门、金藻门、黄藻门、甲藻门、隐藻门和裸藻门8个门类的浮游种类。若浮游藻类利用与大气保持平衡的湖水中溶解的CO2作为光合作用的碳源，则其δ13C值与陆生C3植物的δ13C值接近，最小可达-35. 5‰;若湖水中溶解的CO2严重亏损，浮游藻类将主要利用湖水中的作为碳源，则其 δ13C值显著偏正(Meyers et al．，1993)，通常比利用湖水中溶解的CO2进行光合作用获得的有机质δ13C值大约高7‰～8‰(Smith et al．，1971)，如某些藻类的δ13C值可达-24‰～-12‰(刘强等，2005a)。

三、湖泊沉积物中有机质特征元素的环境意义

地质体中有机质的丰度及组成与原始生物的种类及所处的气候环境变化密切相关，其中包含了丰富的古生态、古气候以及古环境信息。沉积物中的有机质与生物作用密切相关，且环境条件对生物活动有着直接的影响，所以有机地球化学元素的古气候、古环境研究具有重要的研究意义。目前分析比较多的有机质元素有：C、S、N。

四、结语

生态环境与气候是相互关联的一个动态过程，这种动态过程将直接记录在沉积有机质中，因此，可依据沉积有机分子记录建立定性定量的模型，来描述生态系统与气候环境的动态耦合过程，可以更深入地研究区域古气候古环境的演变史，对于古生态系统的恢复与环境社会的可持续发展具有重要指导意义。