碳氧同位素在青藏高原新生代中晚期古环境研究中的应用

谢成晟

（成都理工大学，四川 成都610059）

1 碳氧同位素原理

1.1 碳氧同位素丰度表示方法

碳在自然界中存在2 种同位素，分别是12C、13C；氧的同位素则有3 种，分别是16O、170、18O。它们的同位素丰度的变异通常用R 值来衡量和比较（如公式1）。其中17O/16O 比值，仅用于研究地外物质

这里的R 值只代表同位素丰度的相对变化。反映R 值与标准值的关系，用δ 值表示。碳氧δ 值（如公式2-1，2-2）

1.2 碳氧同位素分馏方式

1.2.1 碳同位素分馏方式

（1）光合作用

植物的光合作用使大气中CO2进入植物机体形成有机分子。这种作用造成碳同位素的分馏，故在植物体或者地质时期生物成因的矿产都相对富集12C。

（2）热裂解作用

碳氢化合物裂解的动力效应导致较轻的12C 先富集在最先形成的轻化合物中。

（3）同位素交换反应

大气CO2气体与周围环境发生的同位素交换反应，亦可导致碳同位素变化。

（4）氧化还原反应

碳的氧化还原反应发生在强还原条件下。自然界中CH4转化成CO2反应可能发生在岩浆形成、火山喷气活动等强还原条件下。从而使CO2中富集了13C，CH4中富集里12C。

1.2.2 氧同位素分馏方式

（1）蒸发- 凝聚分馏

因为各种同位素分子的蒸气压与分子质量成反比，蒸汽相时富集H216O（轻的水分子）；而凝聚作用则多富集18O，这就是氧同位素的物理分馏。

（2）同位素平衡分馏

大气降水与岩石接触，可以使水与矿物中的氢氧同位素交换反应达到平衡。主要发生于CO2和碳酸盐岩中。

（3）矿物晶格的化学键对氧同位素的选择

研究表明，岩石中矿物的氧同位素有一个相应的分馏次序，矿物的晶体构造、化学成分、形成条件（温度，压力）等都影响同位素分馏的方向和分馏强度。

（4）生物分馏

植物的光合作用使重氧在植物体中富集，而释放出的氧气中则多16O。有机质、生物体、生物成因的岩石矿物等都具有较高的δ18O

2 影响δ13C，δ18O 值的因素

2.1 δ13C 影响因素

2.1.1 生物化学循环。由于浮游生物吸收大量的12 C, 这就导致13C 值相对趋于正, 因此, 沉积环境中若存在大量的生物沉积，则会造成沉积物中δ13C 较高。

2.1.2 再沉积作用。主要是沉积盆地周围输入物（植被、入盆水体、沉积物等）同位素组成的变化。若盆地中沉积了原来较高的13C 正值的剥蚀物就会在沉积区表现出13C 趋于正值。

2.1.3 盆地内的水和大气中CO2的交换。即同位素交换反应。

2.1.4 天然气溢露。在很多既有油田又有天然气田的地区，当甲烷从气田中向体表泄露时, 就可能使13C 值趋于更大的负值。

2.2δ18O 影响因素

2.2.1 有学者[1]经过研究发现，同位素组成与山脉古高度密切相关，且这种关系可以定量表示。据此可以根据氧同位素和海拔的关系，建立“氧同位素高程计”[2]。

2.2.2 成岩过程同样会造成氧同位素含量的变化。如，成岩阶段基质以微晶灰岩为主要成分，则氧同位素的成分会受影响。

2.2.3 湖盆处于长期封闭、气候干燥、蒸发强烈的条件下，导致湖水18O 强烈富集；同时使湖水中的CO2发生去气作用,形成富含13C 的碳酸盐物质。同时，碳- 氧同位素常同步变化。

以上为影响碳氧同位素值的主要因素，除此之外，还有湿度，大气环流，研究区不同等对其有影响。

3 碳氧同位素运用举例

3.1 在湖泊沉积中的应用

湖泊沉积中碳氧同位素方法是研究较多的。主要是根据碳氧同位素与湖泊发育期的古海拔高度呈现函数关系，即“同位素高程计”效应。吴珍汉[3-4]等研究发现青藏高原南部第四纪湖相沉积δ13C，δ18O 与现今海拔高度呈良好相关关系，建立了有效的古海拔高度计。该海拔高度计很好地揭示了青藏高原大部分地区在中新世早中期的古海拔高度。同时发现整个青藏高原的隆升表现出差异性，该时期藏北高原五道梁- 东昆仑南部平均高度约3500m，而柴达木盆地高度仅有2500m。除此之外，湖泊碳氧同位素也对古气候古环境反应敏感。陈诗越[5]等研究表明，δ13C 主要指示环境温度的变化。同时，δ13C 的变化，也可以一定程度上对应沉积岩性的变化。

3.2 δ18O 在冰芯研究中的应用

冰川，冰盖等是研究第四纪以来古气候和古环境最可靠的载体。在我国，青藏高原腹地的大陆性冰川和周缘的海洋性冰川是δ18O 冰芯研究的最理想地区。姚檀栋[6]通过柴达木盆地祁连山郭德冰帽冰芯δ18O 的分析，得到了该地区晚全新世气候变化序列，并揭示了温度和降水变化呈正相关关系。不同时间尺度上水热配置状况不同。

3.3 洞穴沉积物δ18O 研究

低纬度地区古环境载体相对中高纬地区明显偏少。热带海洋中的珊瑚，叠层石是理想的材料，但样本获取受到采样条件、复本量不足，成本高昂等因素造成样本不易获取，限制了对低纬地区古气候古环境的研究工作。测年方法的进步和精度的提高为石笋测年提供了基本的年代框架，使利用石笋氧同位素进行古气候古环境定量分析成为可能。洞穴滴水的氧同位素组成和洞穴沉积古温度是影响石笋中氧同位素变化的主要因素。降水与古温度通常呈正相关关系。同时受到夏季风强弱与温度高低限制。

3.4 树木年轮碳氧同位素研究

碳和氧广泛参与生物，尤其是植物的生理生态过程。植物的光合作用，不断进行着12C,13C,16O,18O 的同位素分馏过程，δ18O，δ13C 值的变化也反应了生物所在地区的生境变化。李强等，运用西藏亚东铁杉树轮样本，建立了树轮δ18O 变化序列与夏季相对湿度和降水之间的关系。通过周期分析，认为厄尔尼诺- 南方涛动（ENSO）控制了该地区水分因素的变化周期。