孫向東

摘要：古氣候和古環(huán)境研究的目的是找出規(guī)律，預(yù)測(cè)氣候和環(huán)境的變化趨勢(shì)。利用地球化學(xué)方法，通過(guò)對(duì)沉積巖或沉積物的各種元素和同位素特征的研究，達(dá)到追溯古代沉積環(huán)境，了解沉積特征的目的。氣候和環(huán)境的差異會(huì)影響光合作用的類型和強(qiáng)度，植物種屬和碳同位素的組成也就不同，可以據(jù)此進(jìn)行古生態(tài)特征和氣候環(huán)境的反演。水沉積物中元素的組成與地區(qū)乃至全球的氣候條件相關(guān)，碳酸鹽含量等代表不同的環(huán)境特征。作為古火災(zāi)的產(chǎn)物，炭屑是古環(huán)境信息的良好載體，是理解古氣候、古環(huán)境和古地理的重要途徑。Rb、Sr等元素具有獨(dú)特的地球化學(xué)特征，為古環(huán)境演化研究提供了新的工具和方法。

關(guān)鍵詞：地球化學(xué)；古氣候恢復(fù)；同位素；沉積物

引言

古氣候在古地理的恢復(fù)中具有重要的意義，對(duì)于古氣候的研究與重建是了解地球環(huán)境發(fā)展歷史與規(guī)律并預(yù)測(cè)未來(lái)環(huán)境發(fā)展趨勢(shì)的基礎(chǔ)。目前，古氣候判別主要以礦物巖石學(xué)、古生物學(xué)、地球化學(xué)、古地磁學(xué)和地球物理學(xué)為基礎(chǔ)。沉積地球化學(xué)是利用沉積巖或沉積物在沉積一成巖過(guò)程中相關(guān)元素遷移、積聚和分布規(guī)律來(lái)確定和恢復(fù)沉積環(huán)境的。

古氣候載體主要包括冰芯、深海和湖泊沉積物以及黃土一古土壤等。不同的氣候載體具有各自的替代性指標(biāo)，一定程度上其反映的氣候在全球范圍內(nèi)具有可比性，對(duì)研究氣候演變規(guī)律及其驅(qū)動(dòng)機(jī)制具有重要意義。

1.碳元素在古氣候研究中的應(yīng)用

1.1植物體碳元素及其同位素

由于不同類型的氣候條件，造成生物代謝率、模式、產(chǎn)物及保存條件各不相同，沉積物中有機(jī)質(zhì)的豐度、元素和同位素組成存在差異。這些差異可以用來(lái)反推古代氣候的變化規(guī)律和演化趨勢(shì)。

古氣候綜合反映了古溫度和古濕度，可分為溫暖，濕潤(rùn)，溫暖，寒冷，濕潤(rùn)和干燥四種類型。氣候和環(huán)境的差異直接影響植物光合作用的類型和強(qiáng)度，導(dǎo)致植物群體的不同特征。與不同植物種屬搭配相應(yīng)的碳同位素組成是不同的，影響到不同動(dòng)物牙齒等化石的碳同位素組成，甚至相應(yīng)無(wú)機(jī)碳同位素的變化。

根據(jù)光合作用碳固存方式的差異以及初級(jí)產(chǎn)物中碳原子的數(shù)量，植物分為C3、C4和CAM植物。其中，C3植物主要生長(zhǎng)在低溫、低日照、高降雨量和高土壤水分環(huán)境下；C4植物喜干旱，要求低土壤濕度，在有強(qiáng)光照射的高溫環(huán)境能較好發(fā)育；CAM植物種類較少（如仙人掌科），干旱環(huán)境為其典型生長(zhǎng)環(huán)境。

一般認(rèn)為C4植物的出現(xiàn)和廣布可能揭示地質(zhì)歷史時(shí)期內(nèi)重要的氣候和環(huán)境變化事件。在漫長(zhǎng)地球歷史上，首先出現(xiàn)并長(zhǎng)期占據(jù)生態(tài)系統(tǒng)的是C3植物，C4植物的出現(xiàn)并廣布于某些地區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)反映了地球氣候和環(huán)境的重大變化。Cerlingetal（1997）提出了生態(tài)系統(tǒng)由C3型向C4型轉(zhuǎn)變的驅(qū)動(dòng)機(jī)制，指出C4植被的出現(xiàn)和擴(kuò)張受到全球C02濃度和溫度的影響，生態(tài)系統(tǒng)類型的轉(zhuǎn)變需要同時(shí)滿足大氣中C02濃度和溫度的某些條件。

土壤和動(dòng)物化石中的有機(jī)碳主要來(lái)自植物。隨著從植物體到土壤有機(jī)質(zhì)的分解過(guò)程，C值保留了植物生長(zhǎng)期間的氣候和環(huán)境信息，如大氣中的C02情況、溫度和降水等。因此，根據(jù)古土壤C值，可以推斷C3和C4植被在區(qū)域地質(zhì)歷史中的組成和分布，推測(cè)當(dāng)時(shí)的氣候和環(huán)境狀況。研究發(fā)現(xiàn)C3植物C值主要受溫度和降水量的影響，分別同溫度和降水量呈正相關(guān)和負(fù)相關(guān)。在濕潤(rùn)地區(qū)最重要的影響因素是溫度；在干旱和半干旱地區(qū)，水分是主要限制因素。

1.2水體碳酸鹽巖與沉積物

1.2.1海洋沉積

海洋沉積記錄可揭示大時(shí)間尺度，廣范圍背景下的古氣候和古環(huán)境演化。在古氣候和古環(huán)境研究中常用的一種方法是分析海相碳酸鹽巖中的C、0和sr同位素。大量研究表明，古代海相碳酸鹽巖穩(wěn)定同位素的組成大致反映了古代海洋穩(wěn)定同位素的組成。海相碳酸鹽巖穩(wěn)定同位素組成的研究對(duì)了解古海平面變化、構(gòu)造活動(dòng)、全球變暖和氣候變化以及古代海水溫度和鹽度起著重要作用。

在地質(zhì)歷史進(jìn)程中，一些重要事件前后往往出現(xiàn)生物的空前繁盛后的大量絕滅，這將導(dǎo)致大氣中二氧化碳濃度、海水中重碳酸根離子濃度以及碳同位素組成的明顯變化，沉積有機(jī)質(zhì)和沉積碳酸鹽碳同位素組成發(fā)生相應(yīng)的變化。這些記錄保存在沉積地層中，是重建古氣候的重要依據(jù)。

全球大規(guī)模、迅速的環(huán)境變化一般伴隨全球碳循環(huán)以及海洋大氣碳同位素組成的波動(dòng)。在海相碳酸鹽巖中，C值的增大表明古海洋的生產(chǎn)力提高以及可能引發(fā)的全球變暖和海平面上升；C值的減小表明古海洋的生產(chǎn)力下降以及潛在的全球氣候變冷和海平面下降。

1.2.2湖泊沉積

湖泊沉積是區(qū)域古環(huán)境和古氣候變化的最佳載體，反映了地質(zhì)歷史過(guò)程中區(qū)域氣候、植被和人類活動(dòng)的演變軌跡。湖泊沉積碳酸鹽分為自生碳酸鹽和外源碳酸鹽。其中，自生碳酸鹽來(lái)自湖水無(wú)機(jī)化學(xué)沉淀、沉積物早期成巖作用以及生物成因，可以體現(xiàn)湖的生物活動(dòng)和物理化學(xué)作用強(qiáng)度，高值代表湖泊的鹽堿化，低值則代表湖泊淡化，從而反映了干濕氣候變化。另外，在短時(shí)間尺度上，溫度可能是碳酸鹽沉淀最重要的影響因素。不同地區(qū)湖泊沉積物中碳酸鹽含量在氣候上并不完全一致，與氣候和區(qū)域水文密切相關(guān)。

湖相沉積物中的有機(jī)質(zhì)含有豐富的地球化學(xué)信息，是古環(huán)境研究所需的基礎(chǔ)資料之一。有機(jī)碳同位素是古氣候變化研究的常用指標(biāo)，結(jié)合沉積物中總有機(jī)質(zhì)豐度（TOC）、總有機(jī)氮豐度（TN）、自生碳酸鹽氧同位素等數(shù)據(jù)可以區(qū)分不同的氣候類型。湖泊沉積物中碳酸鹽含量（TCC）及其同位素的變化記錄了區(qū)域甚至全球氣候變化過(guò)程，從中可以提取古氣候參數(shù)。

1.3碳屑與古環(huán)境恢復(fù)

炭屑是植物組織不完全燃燒（或高溫分解）產(chǎn)生的黑色無(wú)機(jī)碳化合物，形成于280℃～500℃的溫度區(qū)間。埋藏在各種地層（煤層除外）中的炭屑稱為古炭屑。

炭屑是恢復(fù)古火災(zāi)的重要手段之一，在認(rèn)識(shí)古氣候、古植被和古地理等方面發(fā)揮了重要作用。單次火災(zāi)的強(qiáng)度決定產(chǎn)生的木炭總量，氣候條件、可燃生物量及其燃燒特性都會(huì)影響火災(zāi)的強(qiáng)度?；鸬膹?qiáng)度和發(fā)生頻率共同決定炭屑在一定時(shí)期的峰值。高炭屑濃度指示較強(qiáng)的火活動(dòng)，與之對(duì)應(yīng)，火災(zāi)越容易發(fā)生，頻率越高，氣候也就越干旱。

由植被燃燒產(chǎn)生的元素碳廣泛分布在地質(zhì)歷史時(shí)期的大氣、土壤、沉積物、巖石，水體和冰體中，含有大量關(guān)于古代環(huán)境的信息?；馂?zāi)對(duì)古氣候的響應(yīng)以及對(duì)古植被的影響是環(huán)境變化中非常重要的因素，對(duì)于炭屑的研究可能有助于將人為因素的影響從全新世全球氣候變化研究中剝離出去。

2.其他元素在古氣候研究中的應(yīng)用

Rb、Sr兩種元素之間的化學(xué)活性存在差異，其比值可以用來(lái)揭示古氣候環(huán)境的變化。近年來(lái)，有學(xué)者全面分析了Rb/Sr比值及其他環(huán)境替代指標(biāo)和歷史記錄，發(fā)現(xiàn)湖泊沉積物Rb/Sr比值能較好地反映古氣候/古環(huán)境變化。在源區(qū)的風(fēng)化作用中，Rb是不活動(dòng)的元素，Sr卻有相當(dāng)部分以殘留態(tài)為主，容易被淋濾。一般來(lái)說(shuō)，溫暖潮濕、降水量大的環(huán)境會(huì)導(dǎo)致更大的地表徑流量、更強(qiáng)的地表侵蝕以及更多細(xì)粒物質(zhì)在地表的沉積。與此同時(shí)，炎熱潮濕的條件更有利于化學(xué)風(fēng)化作用進(jìn)行，更多的Sr元素進(jìn)入沉積環(huán)境，沉積物中Rb/Sr值降低；相反，在降水相對(duì)少、寒冷干燥的環(huán)境中Rb/sr值增加。研究表明，除了Rb/Sr值外，MgO/CaO值也具有反映氣候變化的特性，干熱天氣呈現(xiàn)高值，潮濕氣候呈現(xiàn)低值。

Re、0s同位素具有親有機(jī)物質(zhì)的獨(dú)特地球化學(xué)性質(zhì)，這使得Re-Os同位素成為研究古環(huán)境演化的一種靈敏工具，提供了關(guān)于古海洋、古氣候演化過(guò)程的很多重要信息，可以較好地限制和確定與沉積有關(guān)的重大地質(zhì)事件的時(shí)代。通過(guò)分析沉積巖的Re-0s同位素特征，可以反演古環(huán)境，這有助于進(jìn)一步認(rèn)識(shí)全球大氣，海洋和氣候的演變。

結(jié)論

古氣候條件影響各種地質(zhì)作用、沉積物和沉積礦產(chǎn)的形成。利用地球化學(xué)的方法，通過(guò)對(duì)沉積巖或沉積物中各元素及同位素特征等的研究有助于了解和重建環(huán)境發(fā)展歷史與規(guī)律并預(yù)測(cè)未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。

氣候環(huán)境的差異影響光合作用的類型和強(qiáng)度，使植物組合及碳同位素組成不同。分析元素碳同位素指標(biāo)，可用于反演古生態(tài)特征和古氣候與環(huán)境。

水體沉積物中元素的組成與地區(qū)乃至全球的氣候條件相關(guān)，具有不同的環(huán)境指示意義。海洋和湖泊沉積物的研究對(duì)重建氣候變化的歷史，探索氣候變化機(jī)制以及預(yù)測(cè)未來(lái)氣候變化具有積極作用。

作為古火災(zāi)的產(chǎn)物，炭屑是古環(huán)境信息的良好載體，是認(rèn)識(shí)古氣候、古植被和古地理的重要途徑。此外，因獨(dú)特的地球化學(xué)性質(zhì)，Rb/Sr比值、Re-0s同位素特征等為古環(huán)境演化研究提供了新的工具與方法。