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1、环境地球化学环境地球化学环境地球化学环境地球化学 第第第第1 1页页页页第五节第五节第五节第五节: :碳酸盐研究与全球变化碳酸盐研究与全球变化碳酸盐研究与全球变化碳酸盐研究与全球变化一、海相碳酸盐研究与全球变化一、海相碳酸盐研究与全球变化一、海相碳酸盐研究与全球变化一、海相碳酸盐研究与全球变化 （）氧同位素（）氧同位素（）氧同位素（）氧同位素 古海洋学研究中，一般都用碳酸盐中的氧同位素成分来研究古温度、古海洋学研究中，一般都用碳酸盐中的氧同位素成分来研究古温度、古海洋学研究中，一般都用碳酸盐中的氧同位素成分来研究古温度、古海洋学研究中，一般都用碳酸盐中的氧同位素成分来研究古温度、古气候、古盐度
2、等环境要素。古气候、古盐度等环境要素。古气候、古盐度等环境要素。古气候、古盐度等环境要素。环境地球化学环境地球化学环境地球化学环境地球化学 第第第第2 2页页页页第五节第五节第五节第五节: :碳酸盐研究与全球变化碳酸盐研究与全球变化碳酸盐研究与全球变化碳酸盐研究与全球变化1 1海水温度对海水温度对海水温度对海水温度对 1818OO的影响的影响的影响的影响碳酸钙从水溶液中沉淀出来进入生物壳体时，相互间发生同位素交换碳酸钙从水溶液中沉淀出来进入生物壳体时，相互间发生同位素交换反应，反应方程为：反应，反应方程为： 1/3CaCO1/3CaCO3 31616HH2 2OO18181/3CaC01/3C
3、aC03 31818HH2 2OO16 16 当反应达到平衡时，其平衡常数与温度间有确定的关系，即碳酸钙的当反应达到平衡时，其平衡常数与温度间有确定的关系，即碳酸钙的氧同位素组成是温度的函数。温度升高时，相对较轻的氧同位素组成是温度的函数。温度升高时，相对较轻的1616OO由于有较高的由于有较高的活性，易于迁移，在同位素交换反应中将优先被吸收进生物壳体内，致使活性，易于迁移，在同位素交换反应中将优先被吸收进生物壳体内，致使1818OO含量相对减少，含量相对减少， 18180 0值随温度的上升而下降。值随温度的上升而下降。最适用于有孔虫同位素分析的关系式：最适用于有孔虫同位素分析的关系式： t
4、t16.916.94.4(s4.4(sw)w)0.10(s0.10(sw)w)2 2式中，式中，ss：壳体中氧同位素值，：壳体中氧同位素值，ww：水体的氧同位素值：水体的氧同位素值环境地球化学环境地球化学环境地球化学环境地球化学 第第第第3 3页页页页第五节第五节第五节第五节: :碳酸盐研究与全球变化碳酸盐研究与全球变化碳酸盐研究与全球变化碳酸盐研究与全球变化2.2.海水同位素组分对海水同位素组分对海水同位素组分对海水同位素组分对 1818OO的影响的影响的影响的影响冰期效应与盐度效应冰期效应与盐度效应冰期效应与盐度效应冰期效应与盐度效应 vv壳体同位素组分不仅受到海水温度的制约，而且还受到海
5、水本身同位素组壳体同位素组分不仅受到海水温度的制约，而且还受到海水本身同位素组分背景值的影响。但从总体上来说，在开放性的大洋环境中，由于大洋环分背景值的影响。但从总体上来说，在开放性的大洋环境中，由于大洋环境的搅混与调节作用，盐度的变动极微，引起同位素组分的变动甚小（仅境的搅混与调节作用，盐度的变动极微，引起同位素组分的变动甚小（仅1 1的幅度），因而不是主要的影响因素。的幅度），因而不是主要的影响因素。 vv冰期效应，在地质历史时期中可以造成大洋水体同位素成分的明显变动。冰期效应，在地质历史时期中可以造成大洋水体同位素成分的明显变动。当当1818O O值向正值偏移时，意味着冰期的到来，向负值
6、偏移代表着向间冰值向正值偏移时，意味着冰期的到来，向负值偏移代表着向间冰期的转化。这种冰期效应可以通过生物壳体在大洋地层中留下明显的记录。期的转化。这种冰期效应可以通过生物壳体在大洋地层中留下明显的记录。vv目前一般认为，当以目前一般认为，当以 PDBPDB为标准时，底水温度变化为标准时，底水温度变化1 1o oC C时，相对于时，相对于18180 0值值0.260.26的变化；而的变化；而18180 0值值0.10.1的变化相对于盐度的变化相对于盐度0.20.2的变化或间冰期的变化或间冰期海平面海平面10m10m的变化。同位素测温的误差约在的变化。同位素测温的误差约在0.10.1的范围内，对
7、应于的范围内，对应于0.50.5o oC C的温度变化。的温度变化。环境地球化学环境地球化学环境地球化学环境地球化学 第第第第4 4页页页页第五节第五节第五节第五节: :碳酸盐研究与全球变化碳酸盐研究与全球变化碳酸盐研究与全球变化碳酸盐研究与全球变化3 3 3 3生命效应对壳体生命效应对壳体生命效应对壳体生命效应对壳体181818180 0 0 0值的影响值的影响值的影响值的影响生物在造壳过程中所吸取的氧同位素组分还受到生物自身的生长速率、生物在造壳过程中所吸取的氧同位素组分还受到生物自身的生长速率、新陈代谢、光合作用等多种生命效应的影响与干扰，即所谓新陈代谢、光合作用等多种生命效应的影响与干
8、扰，即所谓“ “生物个体的生物个体的分馏作用分馏作用” ”。只有当生物体内只有当生物体内18180 0值与海水的氧同位素达到平衡，才可有效指示古值与海水的氧同位素达到平衡，才可有效指示古海洋环境。有孔虫与软体动物壳体的海洋环境。有孔虫与软体动物壳体的18180 0值与海水基本保持平衡，因此值与海水基本保持平衡，因此常用来指示古海洋环境。常用来指示古海洋环境。环境地球化学环境地球化学环境地球化学环境地球化学 第第第第5 5页页页页第五节第五节第五节第五节: :碳酸盐研究与全球变化碳酸盐研究与全球变化碳酸盐研究与全球变化碳酸盐研究与全球变化4 4 4 4氧同位素应用氧同位素应用氧同位素应用氧同位素
9、应用（l l l l）查明地质时期海水古温度的变化趋势）查明地质时期海水古温度的变化趋势）查明地质时期海水古温度的变化趋势）查明地质时期海水古温度的变化趋势 通通过过生生物物氧氧同同位位素素研研究究法法确确定定了了自自晚晚白白垩垩纪纪（约约70007000万万年年前前）以以来来全全球球气气候有逐渐变冷的趋势。候有逐渐变冷的趋势。 EmilianiEmiliani（19541954）根据底栖有孔虫）根据底栖有孔虫18180 0值逐渐递增的趋势，确定了自白值逐渐递增的趋势，确定了自白垩纪以来，全球大洋深水平均温度曾从垩纪以来，全球大洋深水平均温度曾从1313o oC C逐渐下降到目前的逐渐下降到目
10、前的2 2o oC C左右。左右。由于在任何时候、任何地区，底栖有孔虫氧同位素温度始终低于浮游由于在任何时候、任何地区，底栖有孔虫氧同位素温度始终低于浮游有孔虫的氧同位素温度，表明大洋的底层水系由高纬地区的表层水下沉扩有孔虫的氧同位素温度，表明大洋的底层水系由高纬地区的表层水下沉扩散而来，所以，从新生代底层水的这种变冷趋势可以推出高纬地区的表层散而来，所以，从新生代底层水的这种变冷趋势可以推出高纬地区的表层水以致大气圈也存在着逐渐变冷的趋势。水以致大气圈也存在着逐渐变冷的趋势。环境地球化学环境地球化学环境地球化学环境地球化学 第第第第6 6页页页页第五节第五节第五节第五节: :碳酸盐研究与全球
11、变化碳酸盐研究与全球变化碳酸盐研究与全球变化碳酸盐研究与全球变化过去过去7000万年来，大洋深水（底栖有孔虫）氧同位素万年来，大洋深水（底栖有孔虫）氧同位素测定值测定值（标定的增量单位为（标定的增量单位为1Ma ）底栖有孔虫的氧同位底栖有孔虫的氧同位素测定值反映新生代素测定值反映新生代以来有阶梯状逐渐变以来有阶梯状逐渐变冷的总趋势。冷的总趋势。 南极海南极海冰大量冰大量形成形成南南极极冰冰盖盖形形成成北北半半球球冰冰盖盖形形成成环境地球化学环境地球化学环境地球化学环境地球化学 第第第第7 7页页页页第五节第五节第五节第五节: :碳酸盐研究与全球变化碳酸盐研究与全球变化碳酸盐研究与全球变化碳酸盐
12、研究与全球变化据据180值作出的值作出的7000万年以来大洋水温变化图万年以来大洋水温变化图太太平平洋洋低低纬纬度度表表层层水水温温南南大大西西洋洋中中纬纬度度表表层层水水温温南南大大西西洋洋深深部部水水温温环境地球化学环境地球化学环境地球化学环境地球化学 第第第第8 8页页页页第五节第五节第五节第五节: :碳酸盐研究与全球变化碳酸盐研究与全球变化碳酸盐研究与全球变化碳酸盐研究与全球变化经过修改综合的布容期古温度曲线经过修改综合的布容期古温度曲线经过修改综合的布容期古温度曲线经过修改综合的布容期古温度曲线曲线特征显示：在曲线特征显示：在7070万年期间，清晰地显示出波长大体相同、近十万年的周万
13、年期间，清晰地显示出波长大体相同、近十万年的周期变化；同时，期变化；同时，18180 0值的振幅十分相近，具有相近的极大值与极小值。值的振幅十分相近，具有相近的极大值与极小值。（2）揭示全球气候周期变化的趋势）揭示全球气候周期变化的趋势环境地球化学环境地球化学环境地球化学环境地球化学 第第第第9 9页页页页第五节第五节第五节第五节: :碳酸盐研究与全球变化碳酸盐研究与全球变化碳酸盐研究与全球变化碳酸盐研究与全球变化（3 3）建立大洋水柱的垂直温度梯度剖面）建立大洋水柱的垂直温度梯度剖面）建立大洋水柱的垂直温度梯度剖面）建立大洋水柱的垂直温度梯度剖面 原理：原理：原理：原理：基于古代灭绝的浮游有
14、孔虫也有类似于现生种那样的分层生活的习性，基于古代灭绝的浮游有孔虫也有类似于现生种那样的分层生活的习性，利用生活在不同水深处的浮游有孔虫以及栖息在不同洋底深度的底栖有孔虫利用生活在不同水深处的浮游有孔虫以及栖息在不同洋底深度的底栖有孔虫进行系统的氧同位素测定，从而重塑大洋某一时段自下而上温度结构的垂向进行系统的氧同位素测定，从而重塑大洋某一时段自下而上温度结构的垂向剖面，以了解古大洋水文结构中十分重要的古温跃层的深度以及温度变化的剖面，以了解古大洋水文结构中十分重要的古温跃层的深度以及温度变化的梯度梯度 。环境地球化学环境地球化学环境地球化学环境地球化学 第第第第1010页页页页第五节第五节第
15、五节第五节: :碳酸盐研究与全球变化碳酸盐研究与全球变化碳酸盐研究与全球变化碳酸盐研究与全球变化第三纪时期低纬度地区的垂直温度梯度变化图第三纪时期低纬度地区的垂直温度梯度变化图 环境地球化学环境地球化学环境地球化学环境地球化学 第第第第1111页页页页第五节第五节第五节第五节: :碳酸盐研究与全球变化碳酸盐研究与全球变化碳酸盐研究与全球变化碳酸盐研究与全球变化早上新世平均的早上新世平均的018值与深水的标绘图值与深水的标绘图误差栅线代表1标准偏差，编号为站位号 环境地球化学环境地球化学环境地球化学环境地球化学 第第第第1212页页页页第五节第五节第五节第五节: :碳酸盐研究与全球变化碳酸盐研究
16、与全球变化碳酸盐研究与全球变化碳酸盐研究与全球变化（二）碳同位素（二）碳同位素（二）碳同位素（二）碳同位素1.1.1.1.自然界碳同位素的分布及其在生物中的分馏作用自然界碳同位素的分布及其在生物中的分馏作用自然界碳同位素的分布及其在生物中的分馏作用自然界碳同位素的分布及其在生物中的分馏作用生物壳体的生物壳体的1313C C主要受极其复杂的生命效应所控制，物理的因素占相主要受极其复杂的生命效应所控制，物理的因素占相当次要的地位。当次要的地位。环境地球化学环境地球化学环境地球化学环境地球化学 第第第第1313页页页页第五节第五节第五节第五节: :碳酸盐研究与全球变化碳酸盐研究与全球变化碳酸盐研究与
17、全球变化碳酸盐研究与全球变化全球不同碳储存库的碳同位素：全球不同碳储存库的碳同位素：全球不同碳储存库的碳同位素：全球不同碳储存库的碳同位素：大气中大气中大气中大气中COCO2 2含碳含碳0.000069100.000069101616t t， 1313C C为为-7-7；大洋水体中溶解的大洋水体中溶解的大洋水体中溶解的大洋水体中溶解的COCO2 2含碳含碳 0.004100.004101616t t， 1313C C为为0 0；碳酸盐沉积层碳酸盐沉积层碳酸盐沉积层碳酸盐沉积层含碳含碳 7107101616t t， 1313C C为为0 0；沉积物中的有机质沉积物中的有机质沉积物中的有机质沉积物
18、中的有机质含碳含碳 2102101616t t， 1313C C约为约为- -2525；地球内部原生碳地球内部原生碳地球内部原生碳地球内部原生碳含碳含碳9109101616t t， 1313C C为为- -5.55.5碳同位素在天然物质中的分配（以13C ）C：还原碳；CO2：氧化碳环境地球化学环境地球化学环境地球化学环境地球化学 第第第第1414页页页页第五节第五节第五节第五节: :碳酸盐研究与全球变化碳酸盐研究与全球变化碳酸盐研究与全球变化碳酸盐研究与全球变化海水与无机碳酸盐中的海水与无机碳酸盐中的1313C C值均为值均为0 0，因此当碳酸盐从海水中沉淀，因此当碳酸盐从海水中沉淀出来时，
19、不会影响到海水原先的碳同位素值，即基本上不会引起碳同位素出来时，不会影响到海水原先的碳同位素值，即基本上不会引起碳同位素的分馏作用。但当有机物质从海水中析出时，由于两者相差悬殊，必然明的分馏作用。但当有机物质从海水中析出时，由于两者相差悬殊，必然明显地影响到海水中的显地影响到海水中的1313C C值。值。环境地球化学环境地球化学环境地球化学环境地球化学 第第第第1515页页页页第五节第五节第五节第五节: :碳酸盐研究与全球变化碳酸盐研究与全球变化碳酸盐研究与全球变化碳酸盐研究与全球变化地球表面碳同位素的分馏作用主要是由植物的光合作用引起。地球表面碳同位素的分馏作用主要是由植物的光合作用引起。
20、海生和陆生植物碳同位素效应是明显不同的。这是因为海水与大气交换过海生和陆生植物碳同位素效应是明显不同的。这是因为海水与大气交换过程中，趋于更多地逸散程中，趋于更多地逸散1212C C至大气中，致使大气中至大气中，致使大气中COCO2 2的的1313C C值明显偏低。值明显偏低。而在光合作用过程中，陆生植物主要是提取大气中的而在光合作用过程中，陆生植物主要是提取大气中的COCO2 2，因此植物体内，因此植物体内的的1313C C亦明显偏轻，通常为亦明显偏轻，通常为-23-23-35-35；而海生植物则是从海水中游；而海生植物则是从海水中游离的离的COCO2 2、COCO3 3-2-2、重碳酸根中
21、萃取碳元素，相对来说海水含、重碳酸根中萃取碳元素，相对来说海水含1212C C少，因而少，因而1313C C稍高，其变化幅度从稍高，其变化幅度从-17-17-30-30。其中，在水温小于。其中，在水温小于 1010o oC C的情况的情况下，其下，其1313C C值有随温度下降而更偏负的趋势，但在值有随温度下降而更偏负的趋势，但在1010o oC C以上时，其以上时，其1313C C限于限于-17-17-22-22，且不随温度而变化。因此，可以根据有机质的，且不随温度而变化。因此，可以根据有机质的1313C C值的差异作为判别海、陆相的一项指标。值的差异作为判别海、陆相的一项指标。环境地球化学
22、环境地球化学环境地球化学环境地球化学 第第第第1616页页页页第五节第五节第五节第五节: :碳酸盐研究与全球变化碳酸盐研究与全球变化碳酸盐研究与全球变化碳酸盐研究与全球变化2 2 2 2物理因素对壳体物理因素对壳体物理因素对壳体物理因素对壳体13131313C C C C值的影响值的影响值的影响值的影响与与对对氧氧同同位位素素值值的的影影响响相相比比，温温度度、盐盐度度等等物物理理因因素素对对壳壳体体1313C C值值分分馏作用的影响很小。馏作用的影响很小。一一般般说说来来，温温度度1 1o oC C的的变变化化可可引引起起1818O O值值O.2O.2 的的变变化化，但但仅仅能能使使1313
23、C C值值发发生生0.0350.035 的的变变化化。尽尽管管如如此此，在在一一定定条条件件下下，1313C C值值仍仍可可以以配配合合其其它标志作为推断古温度变化的一种辅助资料。它标志作为推断古温度变化的一种辅助资料。环境地球化学环境地球化学环境地球化学环境地球化学 第第第第1717页页页页第五节第五节第五节第五节: :碳酸盐研究与全球变化碳酸盐研究与全球变化碳酸盐研究与全球变化碳酸盐研究与全球变化3 3 3 3碳同位素的应用碳同位素的应用碳同位素的应用碳同位素的应用1 1 1 1）反映森林植被面积及冰期效应）反映森林植被面积及冰期效应）反映森林植被面积及冰期效应）反映森林植被面积及冰期效应
24、 冰期时，原间冰期的北方森林被冰雪覆盖，或成为冰原，而热带地区又变冰期时，原间冰期的北方森林被冰雪覆盖，或成为冰原，而热带地区又变得十分干旱，其森林面积也大为减少，因此森林总面积急剧下将，大量的得十分干旱，其森林面积也大为减少，因此森林总面积急剧下将，大量的1212C C转移到大气中，通过海水与大气的交换，直接影响到海水的碳同位素，转移到大气中，通过海水与大气的交换，直接影响到海水的碳同位素，1313C C值明显降低。与此相反，间冰期时，森林大规模复苏，海水的值明显降低。与此相反，间冰期时，森林大规模复苏，海水的1313C C值随之回升。值随之回升。环境地球化学环境地球化学环境地球化学环境地球
25、化学 第第第第1818页页页页第五节第五节第五节第五节: :碳酸盐研究与全球变化碳酸盐研究与全球变化碳酸盐研究与全球变化碳酸盐研究与全球变化2 2 2 2）指示水团的性质（肥力、含氧量）、来源及年龄）指示水团的性质（肥力、含氧量）、来源及年龄）指示水团的性质（肥力、含氧量）、来源及年龄）指示水团的性质（肥力、含氧量）、来源及年龄深海垂向剖面中，深海垂向剖面中，COCO2 2、1313C C、含氧量等存在规律性变化。、含氧量等存在规律性变化。大洋表层，作为初始生产者的浮游藻类，通过光合作用大量吸取水体大洋表层，作为初始生产者的浮游藻类，通过光合作用大量吸取水体中的中的COCO2 2使其含量大幅度
26、下降。同时，进行光合作用的过程中大量释放使其含量大幅度下降。同时，进行光合作用的过程中大量释放O O2 2，所以在表层水中的含氧量较高。据估计，目前大洋表层水中平均的，所以在表层水中的含氧量较高。据估计，目前大洋表层水中平均的COCO2 2分压（分压（29510295101111PaPa）仅相当于深水）仅相当于深水COCO2 2分压的（分压的（1000101000101111PaPa）1/31/3。由于。由于生物在吸收生物在吸收COCO2 2时倾向于萃取其中的时倾向于萃取其中的1212C C，因而随着，因而随着COCO2 2含量的下降，含量的下降，1313C C值值却明显升高，可达却明显升高，
27、可达1.81.82.02.0。随着深度加大，到达缺氧层，生物遗体。随着深度加大，到达缺氧层，生物遗体与碎屑在沉降过程中不断发生腐解，在转换成营养盐时，吸取与碎屑在沉降过程中不断发生腐解，在转换成营养盐时，吸取0 02 2，释放，释放COCO2 2，并使，并使1212C C回归到海水中，因而使这里的营养盐含量（肥力）与回归到海水中，因而使这里的营养盐含量（肥力）与COCO2 2含量含量明显增加，但含氧量及明显增加，但含氧量及1313C C值却大幅度地减少。再向下至中层及深层水值却大幅度地减少。再向下至中层及深层水体，有机物质减少，同时由于极地表层水为深层水带来体，有机物质减少，同时由于极地表层水
28、为深层水带来 O O2 2，致使深水团，致使深水团流经地区的含氧量及流经地区的含氧量及1313C C值再度上升。值再度上升。 环境地球化学环境地球化学环境地球化学环境地球化学 第第第第1919页页页页第五节第五节第五节第五节: :碳酸盐研究与全球变化碳酸盐研究与全球变化碳酸盐研究与全球变化碳酸盐研究与全球变化北大西洋水柱中，二氧化碳总量（北大西洋水柱中，二氧化碳总量（ COCO2 2），碳同位素（），碳同位素（ 1313C C），），溶解氧（溶解氧（0 02 2）及氧同位素（）及氧同位素（ 1818OO）的垂向剖面图）的垂向剖面图环境地球化学环境地球化学环境地球化学环境地球化学 第第第第202
29、0页页页页第五节第五节第五节第五节: :碳酸盐研究与全球变化碳酸盐研究与全球变化碳酸盐研究与全球变化碳酸盐研究与全球变化3 3 3 3）指示大气成分、生物量及有机碳堆积量的变化）指示大气成分、生物量及有机碳堆积量的变化）指示大气成分、生物量及有机碳堆积量的变化）指示大气成分、生物量及有机碳堆积量的变化大大气气COCO2 2含含量量以以及及地地球球表表面面反反射射率率的的变变化化是是增增进进气气候候变变化化的的两两个个强强化化剂剂。除除工工业业化化后后人人类类的的影影响响因因素素外外，全全球球各各种种自自然然条条件件，例例如如生生物物界界的的变变化化，洋洋底底热热水水活活动动强强度度的的变变化化
30、，都都能能直直接接或或间间接接地地引引起起大大气气中中COCO2 2含含量量的的变变化化，从从而而影影响到全球气候的变更。响到全球气候的变更。研研究究表表明明：当当大大气气中中COCO2 2的的浓浓度度比比现现在在增增加加一一倍倍时时，将将通通过过大大气气圈圈的的温温室室效应使全球的平均气温增加效应使全球的平均气温增加1.51.544。极极地地冰冰心心气气泡泡研研究究证证明明：地地质质时时期期内内COCO2 2曾曾发发生生过过巨巨大大变变化化且且这这种种变变化化与与气候变化之间的时差不超过气候变化之间的时差不超过20002000年。年。环境地球化学环境地球化学环境地球化学环境地球化学 第第第第
31、2121页页页页第五节第五节第五节第五节: :碳酸盐研究与全球变化碳酸盐研究与全球变化碳酸盐研究与全球变化碳酸盐研究与全球变化地质时期中，许多原因都可引起大洋大气系统中地质时期中，许多原因都可引起大洋大气系统中COCO2 2含量的变化。含量的变化。vv温度因素温度因素温度因素温度因素ClimapClimap（19761976）计计算算出出未未次次冰冰期期表表层层水水当当时时平平均均水水温温比比现现在在低低2.52.5o oC C左左右右。每每冷冷却却1 1o oC C将将使使表表层层海海水水的的COCO2 2分分压压下下降降13101310-1-1PaPa，因因此此冰冰期期时时COCO2 2分
32、分压压下下降降约约33103310-1-1PaPa，表表明明COCO2 2含含量量显显著著减减少少。但但与与此此同同时时，由由于于冰冰盖盖的的形形成成，使使海海水水盐盐度度上上升升约约0.90.9，由由此此造造成成海海水水COCO2 2分分压压相相对对升升高高，补补偿偿了了由温度引起的下降值约由温度引起的下降值约2/32/3。环境地球化学环境地球化学环境地球化学环境地球化学 第第第第2222页页页页第五节第五节第五节第五节: :碳酸盐研究与全球变化碳酸盐研究与全球变化碳酸盐研究与全球变化碳酸盐研究与全球变化vv冰冰期期与与间间冰冰期期对对碳碳酸酸盐盐溶溶解解作作用用的的影影响响不不同同，也也会
33、会引引起起海海水水中中COCO2 2总总含含量量的变化。的变化。经经计计算算，末末次次冰冰期期极极盛盛期期的的COCO2 2含含量量稍稍高高于于间间冰冰期期，两两者者的的比比值值为为1.150.51.150.5。这这样样，由由海海水水表表温温、盐盐度度、冰冰川川体体积积等等因因素素变变化化引引起起的的大大气气COCO2 2浓浓度度变变化化仅仅占占实实际际变变化化的的5 5。因因此此，如如果果当当时时不不存存在在其其它它海海水水化化学学性性质质的的变变化，则大气化，则大气COCO2 2含量将保持近于恒定。含量将保持近于恒定。事事实实上上COCO2 2含含量量却却存存在在着着大大幅幅度度的的变变化
34、化，可可见见大大洋洋表表层层水水体体必必定定发发生生过显著的变化。过显著的变化。环境地球化学环境地球化学环境地球化学环境地球化学 第第第第2323页页页页第五节第五节第五节第五节: :碳酸盐研究与全球变化碳酸盐研究与全球变化碳酸盐研究与全球变化碳酸盐研究与全球变化BroeckerBroecker（19821982）认为海水化学性质变化主要是由于大洋中）认为海水化学性质变化主要是由于大洋中POPO4 4含量含量变动引起的。变动引起的。海水中磷、氮等元素是生物赖以生存的营养物质，因此磷、氮等含量海水中磷、氮等元素是生物赖以生存的营养物质，因此磷、氮等含量的多寡，直接影响到生物繁殖量的增减，进一步也
35、就决定了海水表层的多寡，直接影响到生物繁殖量的增减，进一步也就决定了海水表层COCO2 2被提取的程度被提取的程度 。海洋生物量的变动可以通过深海区生物成因沉积物的沉积速率差异得海洋生物量的变动可以通过深海区生物成因沉积物的沉积速率差异得到证明。因此，大气中到证明。因此，大气中COCO2 2含量的变化不仅反映了气候的变动，还可以间含量的变化不仅反映了气候的变动，还可以间接地标志大洋生物量的变异。接地标志大洋生物量的变异。环境地球化学环境地球化学环境地球化学环境地球化学 第第第第2424页页页页第五节第五节第五节第五节: :碳酸盐研究与全球变化碳酸盐研究与全球变化碳酸盐研究与全球变化碳酸盐研究与
36、全球变化目前来讲，用以最直接量度古代目前来讲，用以最直接量度古代COCO2 2含量的手段是从极地冰心的气泡含量的手段是从极地冰心的气泡包裹体中直接测出地史时期大气的包裹体中直接测出地史时期大气的COCO2 2含量。含量。表层水中由于表层水中由于COCO2 2的减少，的减少， 1313C C值相应增大，但是深层储库中的值相应增大，但是深层储库中的 1313C C值由于不受表层生物量变异的影响，因此一般都保持不变，这样表层与深值由于不受表层生物量变异的影响，因此一般都保持不变，这样表层与深层水间碳同位素组分的差值（层水间碳同位素组分的差值（1313C C）可以作为大气）可以作为大气COCO2 2含
37、量变化的监察含量变化的监察器。器。环境地球化学环境地球化学环境地球化学环境地球化学 第第第第2525页页页页第五节第五节第五节第五节: :碳酸盐研究与全球变化碳酸盐研究与全球变化碳酸盐研究与全球变化碳酸盐研究与全球变化热带东太平洋V19-30柱状样15万年来浮游有孔虫N.dutertrei与底栖有孔虫U.sentioncosa碳同位素组分的差值（13C） 变化图左侧为与此相应的大气CO2含量的标尺，粗线为Nefvel等人推算的几万年来大气中CO2含量的编号范围环境地球化学环境地球化学环境地球化学环境地球化学 第第第第2626页页页页第五节第五节第五节第五节: :碳酸盐研究与全球变化碳酸盐研究与
38、全球变化碳酸盐研究与全球变化碳酸盐研究与全球变化南大西洋南大西洋DSDP525、528钻孔的新生代钻孔的新生代13C值记录值记录环境地球化学环境地球化学环境地球化学环境地球化学 第第第第2727页页页页第五节第五节第五节第五节: :碳酸盐研究与全球变化碳酸盐研究与全球变化碳酸盐研究与全球变化碳酸盐研究与全球变化新生代以来全球有机碳埋藏量的变化新生代以来全球有机碳埋藏量的变化 环境地球化学环境地球化学环境地球化学环境地球化学 第第第第2828页页页页第五节第五节第五节第五节: :碳酸盐研究与全球变化碳酸盐研究与全球变化碳酸盐研究与全球变化碳酸盐研究与全球变化生物量的变化不仅可用来恢复冰期一间冰期
39、的更替，而且对于地球演化史上重生物量的变化不仅可用来恢复冰期一间冰期的更替，而且对于地球演化史上重大地史事件的研究也具有较大的意义。当一次灾变事件发生时，除了造成许多种属大地史事件的研究也具有较大的意义。当一次灾变事件发生时，除了造成许多种属的生物灭绝，分异度骤然下降外，还直接引起生物量大幅度减少。这样，水体中的生物灭绝，分异度骤然下降外，还直接引起生物量大幅度减少。这样，水体中COCO2 2的消耗量降低，导致水体的消耗量降低，导致水体pHpH值下降，水质偏酸。因此生物的生态环境（主要是值下降，水质偏酸。因此生物的生态环境（主要是海洋化学方面）发生极大变化，形成一种灾变性海洋。在几千年至几万海
40、洋化学方面）发生极大变化，形成一种灾变性海洋。在几千年至几万a a的短暂时间的短暂时间内，浮游生物的生产率受到极大的抑制，甚至难以生存。因此，由浮游生物引起的内，浮游生物的生产率受到极大的抑制，甚至难以生存。因此，由浮游生物引起的碳同位素分馏作用近于停顿，表层水中碳同位素分馏作用近于停顿，表层水中1212C C大量增多，大量增多， 1313C C值急剧偏负。再通过表层值急剧偏负。再通过表层水与底层水的混合作用，可使整个大洋水柱从顶到底水与底层水的混合作用，可使整个大洋水柱从顶到底 1313C C值几乎一致。例如，在白值几乎一致。例如，在白垩系与第三系界线层处，在大约垩系与第三系界线层处，在大约3 35 5万万a a或更多一些时间内，有或更多一些时间内，有3/43/4的生物灭绝，表的生物灭绝，表层水的层水的 1313C C值可负偏到值可负偏到-2-2 -3-3 ，与底层水十分相近，显示出生物繁殖量极大，与底层水十分相近，显示出生物繁殖量极大地减少。地减少。
