同位素与全球环境变迁4.ppt

4H和O同位素,自然界氢有两种天然稳定同位素，它们的丰度分别为1H99.985D2H0.015氢还有一种同位素氚（3H），它是由高空宇宙射线形成的，不属于天然稳定同位素。,,自然界氧有三种天然稳定同位素，它们的丰度分别为16O99.76217O0.03818O0.200,,天然水是以下不同类型同位素水分子的聚合体H216OHD16OD216OH217OHD17OD217OH218OHD18OD218O最轻的同位素水分子H216O，在天然水的含量中占绝对多数。,4.1蒸发与凝结,蒸发与凝结是在大气与大陆地表水和大气与海洋之间的一种H、O同位素的交换过程。当水蒸发时，由于较轻同位素的水分子的零点能较小，饱和蒸汽压较低，所以轻同位素分子优先进入空间，富集于汽相中，使得汽相富集轻同位素16O和1H组成的水分子。相对而言，留下的水中富集重同位素氢和氧组成的水分子。,,当水蒸发过程进行的很慢时，水/气界面处于同位素平衡状态。在25C时，水在同位素平衡分馏条件下蒸发的分馏系数是水-气（D/H）1.074水-气（18O/16O）1.0092δD-71‰δ18O-9‰,,如果水的蒸发速度进行得很快，水-气之间的同位素分馏就会出现不平衡状态。实际上太平洋上空水气平均为δD-94‰δ18O-13‰,,空气湿度对一个地区水蒸发过程中的同位素平衡有很大影响。例如，当空气中的相对湿度接近100％时，液相和气相之间的交换可能达到同位素平衡。但是，当空气湿度相对低时，一般呈非平衡蒸发状态。在海洋上空形成云时，多半处于相对湿度较低的条件下，液相和气相之间一般未达到同位素平衡。在云中的水蒸汽冷凝成雨滴过程中，多半处于相对湿度非常高的条件下，液相和气相之间可以达到同位素平衡。,,自然界最富集轻同位素的水是南极冰水δD-428‰，δ18O-55‰。,4.2水中的H和O同位素4.2.1大气降水,所有大陆地表水，例如江水，河水，湖水，冰川，地下水，以及一些沉积盆地的卤水和地热水，都是来源于大气降水。而大气降水的最终来源主要是低纬度海洋表面的蒸发。大气降水的同位素组成变化较大δD一般在50～-500‰δ18O一般在10～-55‰。,,影响大气降水H、O同位素组成的因素（1）纬度效应当从低纬度海洋表面蒸发水蒸汽时，水汽中亏损δD和δ18O，液相中富集δD和δ18O。随着纬度增高，海面蒸发水汽的不断降雨的过程，剩余的水汽中越来越亏损D和18O，降落的雨水和雪水中的δD和δ18O值也越低。,,,（2）高度效应高度上升，则大气降水的δD和δ18O值减少。一般，δD每升高100m，降低1.2～4‰；δ18O每升高100m，降低0.15～0.5‰。,,（3）离岸远近效应越向内陆，大气降水的δD和δ18O值越降低。例如，降雨的δD值广州-29‰昆明-76‰拉萨-131‰,,（4）季节效应大气降水δD和δ18O冬季或干季较高夏季或雨季较低这也称为降水量效应。随降水量增大，大气降水中的重同位素含量减少。这种现象在大多数热带地区最显著。下图显示印度新德里情形。,,4.2.2河水,河水有两种补给水源大气降水和地下水。大气降水形成径流和小河，这些小河的同位素组成反映大气降水的特征，具有季节性变化特征。大河水系是由小河汇集而成，所以大河的同位素组成要复杂得多。高山区的径流往往依赖于冰雪的融化，其河水的同位素组成显示出季节性变化。在夏季，大量冰雪融化，融水与夏季降雨相比亏损重同位素（D和18O），因而河水的值低；相反，冬季河水的值高。,,总之，纬度，高度，离岸远近，季节（温度）等因素都对河流体系的同位素组成有影响，这些综合因素的影响常常造成在一条大河水系中，从源头到各支流，一直到河流的下游，水的同位素组成都有变化。,4.2.3湖水,湖水的同位素组成与水源的补给类型、湖泊所处的地理位置和自然环境条件密切相关。湖水的补给源是大气降水、河水或地下水。在临近海洋的地区，还可以是海水。这些不同的补给源都可以给湖水的同位素组成带来差异。此外，湖水还受着蒸发作用的影响。由于蒸发作用的影响，湖水相对于补给源水一般都相对富集重同位素，这一现象尤其在干旱地带的内陆湖泊中最为突出。,4.2.4海水,现代海洋δD0，δ18O0（SMOW）组成变化小。,,影响海水H和O同位素组成的因素（1）海水表层的蒸发和扩散海水表层的δD和δ18O值一般大于零。由于表层海水优先逃逸轻同位素组成的水分子，所以表层海水相对富集重同位素。,,（2）两极的深海水流δD和δ18O值一般小于零。与海水同位素平衡的海冰的氧同位素分馏因子是1.002，所以，海冰重同位素（18O）丰度高于海水，其δ18O值约2‰（注大陆冰川的冰则相反，大陆冰川δD和δ18O值远小于零）。海冰的形成引起海水盐度的明显增加，海水密度增加，使得在南极附近的密度高的底部海水沿洋底向北流，而在北极附近的密度高的底部海水沿洋底向南流。大量海冰的形成引起两极的深海水δD和δ18O值小于零，,,（3）大陆冰川总体积影响（4）海底火山喷发和洋中脊热液作用影响（5）海洋沿岸的水受近岸大陆河水的影响（6）降雨量的大小，对表层海水的影响,4.3雨水线方程,全球雨水H、O同位素组成的一个重要特征是δD值与δ18O值间呈线性关系。由Craig（1961）对世界各地雨水测定结果如下图,,,该关系由Craig（1961）推导为如下公式δD8δ18O10雨水线方程,,在实际中，各地区雨水δD与δ18O的关系与上述雨水线方程稍有偏差。例如，我国八个城市雨水H、O同位素的关系为δD7.9δ18O8.2,,从雨水线方程可得到启示凡与雨水有关形成的矿物都有可能有类似的δD～δ18O的相关方程，即有一个直线的相关性，即平行于或接近平行于雨水线。例如粘土矿物δD～δ18O的相关关系如下图,,,在岩石风化和粘土矿物的形成期间，水是最重要的媒介。自生粘土矿物与同一温度之下的当地大气降水处于同位素平衡，因此大多数粘土矿物的δD和δ18O具有类似雨水线的线性相关性，它们落在与雨水线平行的直线上。上图中，除去绿泥石稍偏外，伊利石、高龄石、蒙脱石、蒙脱土和三水铝石等粘土矿物的直线均平行于雨水线，区别仅在于在X轴（δ18O）上的截距不同。,,粘土矿物的通用公式如下δD8δ18OA在粘土矿物中，斜率8不变，即表明当δ18O增加1单位时，δD增加8单位，即单位增量不变，但直线截距与雨水线不同。对于不同的粘土矿物，其继承的源矿物的结构氧的多少不同，引起直线截距A值的不同。,4.4氚,氚是氢同位素中的一种。氚在自然界产生的途径如下宇宙射线快中子（400Mev）与平流层中的氮原子作用14N71n0→3H112C6氚原子在大气中生成后，即与大气中的氧原子化合生成HTO的水分子。,,氚的半衰期很短，t1/212.43a。3H1→3He2βνQ已知近数万年以来，宇宙射线强度基本恒定，所以在平流层中产生恒定的氚通量约0.25～0.75atom/（cm2.s）。因此，氚可作为天然水循环的示踪剂。,4.5氧同位素古海水温度的测定,同位素平衡分馏的理论计算表明，在地表温度条件下，同位素分馏系数（α）与温度（T）有以下关系lnA-Bb/Tc其中b、c分别为常数已知同位素分馏系数（α）与值之间又有如下关系103lnA-BO18A-O18B由以上两式可以得到，O18A-O18B/103b/Tc,,假设A为海水中形成的碳酸钙，B为海水，即O18B0，所以，O18碳酸盐/103b/Tc最后为O18碳酸盐（b/Tc）X103这样，通过测定海洋碳酸盐的δ18O值，可以确定碳酸盐形成时的海水温度（T）。,4.5.1生物成因碳酸盐－海水,在实验室或在一定的海洋环境中，在已知温度条件下，对于具有钙质壳的生物进行的同位素测定试验得出以下的曲线,图中，----代表生物沉积文石，..代表生物沉积碳酸盐，代表无机沉积方解石。,,在上图中①这些是实验曲线，而非理论曲线。②对于大多数海洋自生碳酸盐氧同位素组成与温度之间的关系相类似。③曲线虽然类似，但并不完全一致，有一定的差别。④曲线的差别与同位素分馏程度、温度、生物种属等有关。,,对于与海水达氧同位素平衡分馏的生物碳酸盐和无机沉积碳酸盐，目前使用比较多的是由Epstein等（1953）得出，后经Craig（1965）修改的经验公式t℃16.9-4.2O18C-O18W0.13O18C–O18W2其中，O18C为碳酸盐与100磷酸在25℃时反应生成的CO2的18O值PDB，O18W为25℃时与碳酸盐沉积平衡的海水CO2的18O值PDB。,,应用该公式必需注意的是①必须已知古海水的18O值W代入公式。但该值往往难以准确确定，特别是古生代和前寒武纪的海水，这影响了对古海水温度的测定。,,②上面公式的前提条件是海洋生物碳酸盐必须与古海水处于氧同位素平衡分馏。一般认为与海水达氧同位素平衡分馏的生物碳酸盐有软体动物、腕足类、有孔虫。然而，某些生物碳酸钙沉积时往往是非同位素平衡分馏，这与碳酸盐沉积速率及生物种属有关。对非同位素平衡的生物碳酸盐应由实验来确定上述公式中的常数。与海水未达氧同位素平衡分馏的生物碳酸盐有珊瑚、棘皮动物、海星纲、蛇尾纲、百合纲等。,,③碳酸盐的原初氧同位素组成在深埋过程中必须保持封闭体系。,4.5.2非海洋碳酸盐,古海洋温度计的原理同样适用于各种淡水碳酸盐、地下水碳酸盐、洞穴碳酸盐、海洋生物成因硅酸盐、海洋生物成因磷酸盐等。但由于它们并不与水体处于同位素平衡分馏，所以必须分别做实验，以测定上述公式中的常数。,4.6第四纪冰期-间冰期旋回,在第四纪（距今大约260万年前至今）地球出现了明显的冰期－间冰期周期变化。距今约200万年以来发生了至少22次冰期，周期约10万年。,,最近一次间冰期-冰期循环开始于距今约13万年前。末次间冰期结束于距今约7.8万年末，次间冰期持续时间约5万多年。末次冰期开始于距今约7.8万年，结束于距今约1万年，末次冰期持续时间约7万年。末次冰期结束开始了全新世，全新世至今已1万年。,,在末次冰盛期（距今约1.2万年），北半球高纬度地区形成一系列大陆冰盖。例如，覆盖格陵兰和冰岛的格陵兰冰盖；覆盖整个加拿大并向南延伸到纽约的劳伦大冰盖；覆盖欧洲近一半地区、最大厚度约3千米的斯堪的那维亚冰盖等。此外，许多高山地区，如喜马拉雅山、阿尔卑斯山、高加索山等都出现了山地冰川。,,（2）TheLittleIceAge在全新世有几次次glacierexpansionandcontractionintervals。Theintervalsofglacierexpansionareabout900a.Theintervalsofglaciercontractionareabout1750a.LittleIceAge的最寒冷的时间发生在距今10500年，8000年，5300年，2800年，250年。目前地球正处于从250年前的最冷低谷的温度上升的一个旋回之中。,4.7古海水氧同位素的演化,1948年，Urey第一次以深海岩芯中的有孔虫壳为样品，测得其氧同位素组成是以下二个变量的函数a.海水温度，b.海水氧同位素组成。,,1955年，Emiliani测定了加勒比海和赤道大西洋深海岩芯中浮游有孔虫的氧同位素组成。第一次绘出了第四纪冰期－间冰期古气候波动图。通过计算他认为，冰期间冰期深海沉积物中浮游有孔虫的氧同位素变化的4/5是由海洋温度变化引起的，其余的1/5是由海水同位素组成的变化引起的。Emiliani认认为浮游有孔虫的氧同位素变化主要反映了seasurfacetemperature的波动。,,1973年，Shackleton和Opdyke测定了赤道太平洋V28－238钻孔浮游和底栖有孔虫氧同位素组成。如果海水温度是控制海水同位素组成的主要因素，底栖有孔虫的氧同位素记录应显示出比浮游有孔虫更小的变化，这是由于海底水温的变动要小得多。目前，深海水温在1～4C，深海与地球表面的温度波动呈相互隔绝状态。但是他的实验结果恰恰相反，底栖有孔虫的氧同位素组成显示出比浮游有孔虫更大的变化。,,由此，他们提出大陆冰体积的变化对海水氧同位素的组成的影响比海水温度大得多。地球上大陆的大部分淡水在南北极地区。例如，目前大陆的4/5淡水在两极地区。他们认为，极冰融化释放了富集轻同位素（16O）的淡水进入海洋，使得海水δ18O值下降。而极冰的形成和扩展，从海水中提取了更多的16O，使海洋的δ18O值上升。因此，他们认为海水氧同位素组成变化的记录主要反映了大陆冰体积的变化。,,现在一般接受了这个观点第四纪深海沉积物有孔虫氧同位素组成的波动主要反映了海水氧同位素组成的变化。δ18O正波动反映陆地冰体积增加、海平面降低和全球温度下降；δ18O正波动反映陆地冰体积减少、海平面升高和全球温度上升。,,1978年，Emiliani从几个覆盖70万年以来的加勒比海岩芯研究中测定了海水氧同位素组成变化曲线。这条曲线表明，冰期－间冰期循环有一个近似10万年的周期（见下图）。,向上的三角表明偏心率eccentricity最大，向下的三角表明偏心率最小，偏心率的变化周期约为10万年左右。向上的箭头表明黄赤交角或地轴倾斜角度obliquitysignal最大，向下的箭头表明黄赤交角最小，黄赤交角的变化周期约为4.1万年。,,依据深海沉积物中有孔虫氧同位素测定划分的氧同位素阶，最近20万年以来末第二次冰期对应于深海氧同位素阶6末次间冰期对应于深海氧同位素阶5末次冰期早期对应于深海氧同位素阶4末次冰期间冰段对应于深海氧同位素阶3末次冰盛期对应于深海氧同位素阶2全新世对应于深海氧同位素阶1,,下图显示大洋钻探（ODP）846孔有孔虫氧同位素变化曲线，该曲线反映距今6百万年以来海水18O变化趋势,,从上图可以看出大洋岩芯有孔虫氧同位素曲线从大约3Ma以来海水18O值总体上呈现逐渐上升趋势，反映全球冰川作用总体上增强，表明全球海水以及全球大气温度有总的下降趋势。,,然而，海洋有孔虫的18O值毕竟同时受两个因素控制（1）反映大陆冰川扩展与收缩的海水氧同位素组成，（2）海水温度。虽然第（1）个因素起主要作用，但是如果能寻找到独立反映深部海水温度变化的记录，那么就可以从海洋有孔虫的18O值的总体变化中去除温度的变化影响，从而获得更准确的大陆冰川体积变化的记录。,,实验证明，海洋有孔虫中的Mg进入无机方解石的分配系数强烈地与温度相关，由此建立了准确反映海水温度变化的Mg/Ca温度计。Lear等（2000）提出了使用底栖有孔虫方解石的Mg/Ca比取得过去50百万年深部海水温度记录。使用这个记录，从测定出的底栖有孔虫方解石18O记录中扣除由深部海水温度变化引起的底栖有孔虫方解石18O变化的那一部分，就可以获得准确反映大陆冰川体积变化的深部海水18O记录。,,上面左图从DSDPSite573、ODPSite926和ODPSite689获得的多种属深海有孔虫Mg/Ca比的综合记录得出的Mg温度记录。上面中图基于大西洋岩芯获得的新生代复合深海有孔虫18O记录。上面右图计算出的反映大陆冰川体积变化的海水18O记录。,4.8第四纪冰期-间冰期旋回的驱动力,在更新世以来发生冰期-间冰期旋回。然而，在地球历史上也有过多次冰期。从中生代，古生代，以及前寒武纪地层中发现的冰碛岩可以证明。冰期是全球气温下降，大陆冰川大规模扩展时期；间冰期是全球气温上升，大陆冰川大规模收缩时期。对于冰期形成的原因，研究人员一般有两种推测。,,第一种是地内原因。在联合大陆时期，所有大陆是联在一起的，全球洋流流动通畅和自由，赤道温暖的海水可以流到两极。联合大陆的破裂扰动了通畅的洋流，使得两极海水可能被隔绝，地球表面赤道附近的温暖的海水与两极的寒冷的海水之间的交换不好。这可能导致在地球两极形成大面积的厚的icesheets。因而，大陆和海洋古地理分布格局对于大陆冰川的扩张和收缩有影响。,,第二种是地外原因。早在十八世纪后期Croll就推测，由于Earthsorbitandspinaxis的变化，引起了太阳对地球辐射热通量的改变而引起冰期和间冰期的变化。南斯拉夫学者Milankovitch1920在研究第四纪冰期成因时提出，夏半年的日照量的小幅度变化可以对地球两极冰盖的消长起重要作用。,,日照量的变化是以下几个参数的函数太阳常数（S0）偏心率（e）地轴倾斜角度（ε）岁差（P）其中太阳常数（S0）变化很小，可忽略不计。,,（1）偏心率（e）地球绕日轨道是一个椭圆，太阳位于椭圆的一个焦点上。偏心率焦距/长轴在偏心率最大时，即地球绕日椭圆轨道的焦距为最大时，日照率季节的变化，即在近日点与远日点的日照量相对变化最大，可达30，这使全球气温会有大的变化。当前地球轨道的偏心率0.0167，在近日点与远日点的日照量相对变化约为7。偏心率变化的周期约为10万年。,,（2）黄赤交角（或地轴倾斜角度）（ε）地球绕太阳转动的面称为黄道面。黄道面与地球赤道平面的交角大小影响到地球上不同纬度和季节气候的差别大小。现在的ε值为23度27分，由于受行星摄动影响，ε值在系统变化，ε的变化周期约为4.1万年。,,（3）岁差或进动（P）地球不是园球形，由于地球旋转时离心力作用，在赤道附近鼓起。由于太阳与月球作用形成一个力矩，使穿过南北极的地轴围绕黄道面的法线作圆周运动。岁差使地球的近日点所处的季节发生变化。岁差周期约为2万年。,,在大洋沉积物中发现的在晚更新世冰川发生的一个主要周期是10万年，它与地球的10万年的偏心率周期相吻合。,,Ruddiman等1986，1989从深海钻探计划在中大西洋洋脊第607孔测定了年龄从2.75到1.60Ma的化石的18O值，他们发现了4.1万年的变化周期，与地球轨道的地轴倾斜角度或称黄赤交角的变化周期相一致。4.1万年的周期主要出现在从2.5Ma到1.5Ma，10万年的周期主要出现在从1Ma到现在。这些发现引起了人们从新重视南斯拉夫学者Milankovitch1920提出的行星轨道学说。,,将海洋氧同位素记录与行星轨道变化的时间尺度相联系，可以得到一个高度准确的气候变化的定年标准，依这个标准可以对许多大洋岩芯剖面、冰芯剖面，或地层剖面（例如黄土剖面）进行定年。,,第二种地外原因1994年，Muller提出在距今1Ma之前突然开始的冰期-间冰期变化可能是由于自那时起星际灰尘量呈周期变化的缘故。3He是地外的同位素，存在在星际灰尘中。Farley和Patterson（1995）测定了距今45万年到25万年的深海沉积岩芯中3He含量。他们发现，海底星际灰尘通量每10万年增加2-3倍，表明星际灰尘通量增高的时间与冰期时间基本相符。,