沉积地球化学在古气候研究中的应用

孙向东

摘要：古气候和古环境研究的目的是找出规律，预测气候和环境的变化趋势。利用地球化学方法，通过对沉积岩或沉积物的各种元素和同位素特征的研究，达到追溯古代沉积环境，了解沉积特征的目的。气候和环境的差异会影响光合作用的类型和强度，植物种属和碳同位素的组成也就不同，可以据此进行古生态特征和气候环境的反演。水沉积物中元素的组成与地区乃至全球的气候条件相关，碳酸盐含量等代表不同的环境特征。作为古火灾的产物，炭屑是古环境信息的良好载体，是理解古气候、古环境和古地理的重要途径。Rb、Sr等元素具有独特的地球化学特征，为古环境演化研究提供了新的工具和方法。

关键词：地球化学；古气候恢复；同位素；沉积物

引言

古气候在古地理的恢复中具有重要的意义，对于古气候的研究与重建是了解地球环境发展历史与规律并预测未来环境发展趋势的基础。目前，古气候判别主要以矿物岩石学、古生物学、地球化学、古地磁学和地球物理学为基础。沉积地球化学是利用沉积岩或沉积物在沉积一成岩过程中相关元素迁移、积聚和分布规律来确定和恢复沉积环境的。

古气候载体主要包括冰芯、深海和湖泊沉积物以及黄土一古土壤等。不同的气候载体具有各自的替代性指标，一定程度上其反映的气候在全球范围内具有可比性，对研究气候演变规律及其驱动机制具有重要意义。

1.碳元素在古气候研究中的应用

1.1植物体碳元素及其同位素

由于不同类型的气候条件，造成生物代谢率、模式、产物及保存条件各不相同，沉积物中有机质的丰度、元素和同位素组成存在差异。这些差异可以用来反推古代气候的变化规律和演化趋势。

古气候综合反映了古温度和古湿度，可分为温暖，湿润，温暖，寒冷，湿润和干燥四种类型。气候和环境的差异直接影响植物光合作用的类型和强度，导致植物群体的不同特征。与不同植物种属搭配相应的碳同位素组成是不同的，影响到不同动物牙齿等化石的碳同位素组成，甚至相应无机碳同位素的变化。

根据光合作用碳固存方式的差异以及初级产物中碳原子的数量，植物分为C3、C4和CAM植物。其中，C3植物主要生长在低温、低日照、高降雨量和高土壤水分环境下；C4植物喜干旱，要求低土壤湿度，在有强光照射的高温环境能较好发育；CAM植物种类较少（如仙人掌科），干旱环境为其典型生长环境。

一般认为C4植物的出现和广布可能揭示地质历史时期内重要的气候和环境变化事件。在漫长地球历史上，首先出现并长期占据生态系统的是C3植物，C4植物的出现并广布于某些地区的生态系统反映了地球气候和环境的重大变化。Cerlingetal（1997）提出了生态系统由C3型向C4型转变的驱动机制，指出C4植被的出现和扩张受到全球C02浓度和温度的影响，生态系统类型的转变需要同时满足大气中C02浓度和温度的某些条件。

土壤和动物化石中的有机碳主要来自植物。随着从植物体到土壤有机质的分解过程，C值保留了植物生长期间的气候和环境信息，如大气中的C02情况、温度和降水等。因此，根据古土壤C值，可以推断C3和C4植被在区域地质历史中的组成和分布，推测当时的气候和环境状况。研究发现C3植物C值主要受温度和降水量的影响，分别同温度和降水量呈正相关和负相关。在湿润地区最重要的影响因素是温度；在干旱和半干旱地区，水分是主要限制因素。

1.2水体碳酸盐岩与沉积物

1.2.1海洋沉积

海洋沉积记录可揭示大时间尺度，广范围背景下的古气候和古环境演化。在古气候和古环境研究中常用的一种方法是分析海相碳酸盐岩中的C、0和sr同位素。大量研究表明，古代海相碳酸盐岩稳定同位素的组成大致反映了古代海洋稳定同位素的组成。海相碳酸盐岩稳定同位素组成的研究对了解古海平面变化、构造活动、全球变暖和气候变化以及古代海水温度和盐度起着重要作用。

在地质历史进程中，一些重要事件前后往往出现生物的空前繁盛后的大量绝灭，这将导致大气中二氧化碳浓度、海水中重碳酸根离子浓度以及碳同位素组成的明显变化，沉积有机质和沉积碳酸盐碳同位素组成发生相应的變化。这些记录保存在沉积地层中，是重建古气候的重要依据。

全球大规模、迅速的环境变化一般伴随全球碳循环以及海洋大气碳同位素组成的波动。在海相碳酸盐岩中，C值的增大表明古海洋的生产力提高以及可能引发的全球变暖和海平面上升；C值的减小表明古海洋的生产力下降以及潜在的全球气候变冷和海平面下降。

1.2.2湖泊沉积

湖泊沉积是区域古环境和古气候变化的最佳载体，反映了地质历史过程中区域气候、植被和人类活动的演变轨迹。湖泊沉积碳酸盐分为自生碳酸盐和外源碳酸盐。其中，自生碳酸盐来自湖水无机化学沉淀、沉积物早期成岩作用以及生物成因，可以体现湖的生物活动和物理化学作用强度，高值代表湖泊的盐碱化，低值则代表湖泊淡化，从而反映了干湿气候变化。另外，在短时间尺度上，温度可能是碳酸盐沉淀最重要的影响因素。不同地区湖泊沉积物中碳酸盐含量在气候上并不完全一致，与气候和区域水文密切相关。

湖相沉积物中的有机质含有丰富的地球化学信息，是古环境研究所需的基础资料之一。有机碳同位素是古气候变化研究的常用指标，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等数据可以区分不同的气候类型。湖泊沉积物中碳酸盐含量（TCC）及其同位素的变化记录了区域甚至全球气候变化过程，从中可以提取古气候参数。

1.3碳屑与古环境恢复

炭屑是植物组织不完全燃烧（或高温分解）产生的黑色无机碳化合物，形成于280℃～500℃的温度区间。埋藏在各种地层（煤层除外）中的炭屑称为古炭屑。

炭屑是恢复古火灾的重要手段之一，在认识古气候、古植被和古地理等方面发挥了重要作用。单次火灾的强度决定产生的木炭总量，气候条件、可燃生物量及其燃烧特性都会影响火灾的强度。火的强度和发生频率共同决定炭屑在一定时期的峰值。高炭屑浓度指示较强的火活动，与之对应，火灾越容易发生，频率越高，气候也就越干旱。

由植被燃烧产生的元素碳广泛分布在地质历史时期的大气、土壤、沉积物、巖石，水体和冰体中，含有大量关于古代环境的信息。火灾对古气候的响应以及对古植被的影响是环境变化中非常重要的因素，对于炭屑的研究可能有助于将人为因素的影响从全新世全球气候变化研究中剥离出去。

2.其他元素在古气候研究中的应用

Rb、Sr两种元素之间的化学活性存在差异，其比值可以用来揭示古气候环境的变化。近年来，有学者全面分析了Rb/Sr比值及其他环境替代指标和历史记录，发现湖泊沉积物Rb/Sr比值能较好地反映古气候/古环境变化。在源区的风化作用中，Rb是不活动的元素，Sr却有相当部分以残留态为主，容易被淋滤。一般来说，温暖潮湿、降水量大的环境会导致更大的地表径流量、更强的地表侵蚀以及更多细粒物质在地表的沉积。与此同时，炎热潮湿的条件更有利于化学风化作用进行，更多的Sr元素进入沉积环境，沉积物中Rb/Sr值降低；相反，在降水相对少、寒冷干燥的环境中Rb/sr值增加。研究表明，除了Rb/Sr值外，MgO/CaO值也具有反映气候变化的特性，干热天气呈现高值，潮湿气候呈现低值。

Re、0s同位素具有亲有机物质的独特地球化学性质，这使得Re-Os同位素成为研究古环境演化的一种灵敏工具，提供了关于古海洋、古气候演化过程的很多重要信息，可以较好地限制和确定与沉积有关的重大地质事件的时代。通过分析沉积岩的Re-0s同位素特征，可以反演古环境，这有助于进一步认识全球大气，海洋和气候的演变。

结论

古气候条件影响各种地质作用、沉积物和沉积矿产的形成。利用地球化学的方法，通过对沉积岩或沉积物中各元素及同位素特征等的研究有助于了解和重建环境发展历史与规律并预测未来发展趋势。

气候环境的差异影响光合作用的类型和强度，使植物组合及碳同位素组成不同。分析元素碳同位素指标，可用于反演古生态特征和古气候与环境。

水体沉积物中元素的组成与地区乃至全球的气候条件相关，具有不同的环境指示意义。海洋和湖泊沉积物的研究对重建气候变化的历史，探索气候变化机制以及预测未来气候变化具有积极作用。

作为古火灾的产物，炭屑是古环境信息的良好载体，是认识古气候、古植被和古地理的重要途径。此外，因独特的地球化学性质，Rb/Sr比值、Re-0s同位素特征等为古环境演化研究提供了新的工具与方法。