碳酸盐岩碳氧同位素与古气候古环境

杨旅涵+廖容+程科

摘 要：在地球科学中碳氧同位素广泛应用于成岩成矿作用、古海洋、石油天然气成因研究。而碳氧同位素在反映古气候古环境中尚属比较新颖的应用，文章在阅读相关文章基础上，进一步阐明了不同环境下碳酸盐岩中的碳氧同位素反映古气候古环境的机理。

关键词：碳酸盐岩；碳氧同位素；古气候；古环境

引言

过去的几十年里，碳酸盐岩中的碳氧同位素相关研究日益增加，因为通过对湖相碳酸盐岩中碳氧同位素的数据分析，在一定程度上重新构建过去时期的古气候和古环境方面的变化。文章以湖湘碳酸盐岩，石笋中的碳酸盐岩以及黄土中的碳酸盐岩为例，较为具体说明了三种碳酸盐岩中的碳氧同位素的含量变化对应着怎样的环境气候（温度，蒸发降水量，植物种类茂盛程度）变化。

1 湖相碳酸盐岩中的碳氧同位素

（1）在湖泊沉积中，碳酸盐岩中δ18OPDB与δ13CPDB间的相关性，反映着湖泊水文条件，若δ18OPDB和δ13CPDB之间是呈正相关关系，则反映为封闭性的湖泊，如果它们之间相关系数大于0.70，则湖泊的封闭性是比较好的。例如由于丹麦Bliden Lake沉积碳酸盐岩中δ18O和δ13C之间相关系数为0.4，因此Olsen等认为丹麦Bliden Lake是开放性的。

（2）湖泊中的碳酸盐岩（或泥灰岩）δ13C含量变化主要与气候，蒸发，湖泊生产力有关。对于封闭性较好的湖泊，湖泊生物生产力以及蒸发作用（通过大气中CO2与湖泊水体间的交换）影响着沉积碳酸盐δ13C值。在开放性湖泊中沉积碳酸盐的δ13C的影响因素较多且较复杂，主要与气候，蒸发，湖泊生产力有关。例如青海湖，由于湖中水量远大于入湖水量，而且湖中DIC含量远大于入湖淡水中的DIC含量，故青海湖可以看做封闭性湖泊； 水生植物的光合作用和呼吸作用影响着δ13CDIC； 蒸发作用下，湖泊水体急剧减小，湖泊深层水与表层水将会加速混合而影响δ13CDIC； 由于水体中CO2和大气CO2交换导致湖水δ13CDIC的变化，反映着当时蒸发作用强弱（尤其当湖水CO2分压低于大气CO2分压时）。

（3）对于氧同位素组成的受控因素相关讨论比较少。在湖泊泥灰岩中，δ18O值的影响因素应该是蒸发，气候，气温，湿度等因素综合作用。a. 降水蒸发：湖泊降雨量和蒸发量与δ18OPDB的值密切联系，当降水充足时，湖水会增加大量贫δ18O的水体，因此湖水δ18OPDB值就较低；相反，如果蒸发量大于降雨量，此时湖水的氧同位素会发生分馏，导致湖水δ18OPDB值增加。例如北京石花洞石笋相关研究表明，在分辨率<10a的时间尺度上，石笋中δ18O的记录主要反映了降雨量的变化，降雨量增加，则δ18O值相应偏低。b. 气温的影响：在较高的湖水温度和较为温暖的气候阶段，δ18Ocar较低，而湖水温度较低的，天气比较寒冷的阶段，有高的δ18Ocar。

所以在封闭湖泊体系中湖泊中的沉积碳酸盐δ18O值的大小主要受降水/蒸发控制。而在开放性湖泊中主要是蒸发，气候，气温，湿度等因素综合影响。

2 石笋的碳氧同位素记录和古气候重建

（1）由于石灰岩其中的碳酸钙与溶有二氧化碳的水反应，会生成较容易溶解的碳酸氢钙，而生成的碳酸氢钙的水在温度升高或当压强突然变小条件下，它就会分解，重新沉淀出碳酸钙，同时放出二氧化碳。日积月累就会自下向上生长的是石笋，从上往下生长的是石钟乳。所以石笋中的碳酸盐岩碳氧同位素含量主要与温度，水量以及石灰岩中CO2有關联。

（2）对于氧同位素，由于大气降水的同位素组成同时受气温和降水量影响，而气温又与降水量有关，故石笋碳酸盐氧同位素的主要影响因素可以认为是受到降水量的影响。而对于碳同位素，由于石灰岩CO2的主要来源是植物根系的呼吸和植物有机质的分解，不同植物（C3植物和C4植物）有不同固碳方式，而不同气候下又有不同植物繁盛为主。所以可以间接认为碳酸盐岩中碳同位素反映着古气候。

（3）张美良将水南洞石笋碳氧同位素记录与海洋海水表面温度、深海海底生物的氧同位素记录、格陵兰冰芯的记录以及我国邻海、湖泊、黄土剖面以及北京周口店猿人洞堆积物等记录进行了对比，发现反映地古气候变化趋势基本一致。表现为冷湿或凉湿的气候阶段向表现为暖温湿润的气候环境转化，然后达到一个亚时段东亚夏季风极为强盛，气温明显升高的阶段。

3 黄土沉积物中碳酸盐的碳氧同位素组成特征与古气候

（1）黄土成因多种，比如风成说——反气旋风将荒漠或冰川区颗粒吹送到草原地带形成黄土；水成说——水搬运土物质堆积形成黄土；风化残积说——当地各种岩石在干燥气候条件下经过风化成土作用。其中风成说贡献最大，大量研究证实，黄土是风积而成。

（2）黄土中的碳酸盐有原生和次生之分。来源于源区的含有碳酸盐的碎屑颗粒，这些黄土中的碳酸盐即为原生碳酸盐；而在黄土堆积过程中，由于后期生物作用以及降水的淋滤作用形成的碳酸盐，叫做次生碳酸盐岩。能用于碳酸盐岩碳氧同位素指示古气候古环境的主要是次生碳酸盐岩。次生碳酸盐的特征中包含了黄土形成时的气候环境信息。

由于黄土中碳酸盐的氧同位素组分与大气降水的氧同位素组分有关。而大气降水δ18O值又与年平均温度正相关。所以，古土壤中碳酸盐δ18O值反映着气候温度。较高的δ18O值反映碳酸盐形成时期的气候处于较温和阶段，较低δ18O值表明气候处于较寒冷阶段。而古土壤中次生碳酸盐δ13C值主要受其形成时土壤溶液中δ13C的含量和温度影响。而植物根系的呼吸和植物有机质的分解又影响着土壤中CO2含量，同时不同植物（C3植物和C4植物）有不同固碳方式，而不同气候下又有不同植物繁盛为主。所以可以间接认为碳酸盐岩中碳同位素反映着古气候。

4 结束语

综上所述，碳氧同位素在环境地球化学的应用，尤其是在古环境古气候中的应用处于发展上升阶段，所以值得进一步推敲发展以及创新应用，尤其是与其他同位素结合来用。相信将来碳氧同位素将不仅会应用在海洋地球化学、环境地球化学中，还会在古地层学、古人类学等相关的研究中发挥越来越重要的作用。

参考文献

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作者简介：杨旅涵（1993-），男，四川大竹人，硕士研究生在读，研究方向：环境地球化学。