大洋缺氧事件的碳稳定同位素响应

大洋缺氧事件的碳稳定同位素响应 第 28 卷 第 1 期 成 都 理 工 学 院 学 报V o l. 28 N o. 1 . 20012001 年 1 月J an JOU RN A L O F CH EN GDU U N IV ER S IT Y O F T ECHN OL O GY () [ 文章编号 1005 29539 20010120001206 Ξ 大洋缺氧事件的碳稳定同位素响应 胡修棉 王成善 李祥辉 ()成都理工学院沉积地质研究所, 成都 610059 [ 摘要 ] 从碳稳定同位素组成及其分馏机理出发, 系统探讨了大洋缺氧事件与海相碳酸盐和有 机碳稳定同位素分馏之间的关系。 缺氧事件期间, 由于生物大批死亡和快速埋藏, 其分解消耗 12海水中大量的溶解氧, 引起大洋水体缺氧, 富含的有机质从而得以大量保存; 相应地大气和C 1313() 海水中富同期海相碳酸盐岩碳同位素 正偏。 在世界各地缺氧事件层内, 无一, 值 C ? ?C 例 外地 碳 酸 盐 岩 碳 稳 定 同 位 素 出 现 了 不 同 程 度 的 正 偏, 2界 线 偏 幅 达,C enom an ianT u ro n ian 2‰。 海相碳酸盐与有机质碳稳定同位素变化不仅可以提供地质历史中有机碳埋藏量的记录。研究全球碳循环变化, 还可能追溯有机碳风化和埋藏速率的变化, 定性地恢复大气 p 变化。 CO 2 [ 关键词 ] 碳稳定同位素; 大洋缺氧事件; 2同位素分馏 ; C enom an ianT u ro n ian [ 分类号 ] 595 [ 文献标识码 ] P A 18 中白垩世海相地层中有一种全球范围内广泛分 壤这几个生碳库总共含碳量仅为 3. 3×10, m o l 13133 , 布 的 富 有 机 质 的 特 殊 沉 积 物—— 黑 色 页 岩, 。 值为 7‰, 而大洋水的 值为 0‰大气 C ?C ?1 4和 于 1976 年提出了“大洋缺氧 Sch lan ge r J en k yn s 由此可知, 海相碳酸盐和有机碳是自然界碳的两大 () 事件”模式, 用以解释全球 O cean ic A no x ic E ven t s基本碳库。从碳同位素的这些赋存状态来看, 海水与 性分布的黑色页岩的成因。 缺氧事件与碳稳定同位 13无机碳酸盐中的 值均为 0‰, 当碳酸盐从海?C 素偏移存在一定的关系。一般来讲, 缺氧事件发生期 水 中析出时, 不会明显影响到海水原先的碳稳定同间 海 相 碳 酸 盐 和 有 机 质 碳 稳 定 同 位 素 均 发 生 正 位 素组成。从根本上讲, 碳循环及碳同位素演化实际2 偏。但是, 这种大洋缺氧事件与碳稳定同位素偏移 上 就是这两大基本碳库间碳的转化。 碳循环的关键之间的同位素分馏机制是什么? 本文将从碳稳定同 是 位素组成及其分馏出发, 系统阐述大洋缺氧事件与 12植物光合作用从大气 中优先吸收产生明显 , CO 2 C 碳稳定同位素分馏的关系, 在此基础上, 综合比较 的动力学分馏; 而生物的呼吸及死亡分解氧化又把 2界线缺氧事件的碳稳定同位 C enom an ian T u ro n ian 12富的碳返回到大气圈中, 这就构成了一个生物圈C 素响应。 2大气圈的碳循环。因此, 在一定的时间内, 一旦生物 氧化埋藏量发生明显的变化时, 由于有机质碳同位 ƒ ( ) 素值与海水同位素值相差悬殊 约- 25‰, 必然明 显地影响到海水及其同期海相碳酸盐岩同位素组 1 碳稳定同位素组成及分馏 12 成。 自 然 界 中, 碳 有 两 种 稳 定 同 位 素 组 成, 即C 在地质历史中, 碳稳定同位素组成是变化的。最13和其丰度分别为 98. 89% 和 1. 11% 。 从全球角 , C 5 近, 等在综合全球 2 128 个样品的测试数 V e ize r 度来说, 碳主要分布在几个主要的碳库中, 相应的碳 (据基础上, 获得了显生宙碳稳定同位素演化曲线 偏 18同位素值有所不同。碳酸盐岩中的碳为 5 200×10 )差分别为 68% 和 95% , 图 1。样品主要为具低镁方 1313( 其同位素相对富值平均为 0‰ 相, , m o lC ?C 解石和磷质壳的腕足、牙形石和箭石, 并以腕足为主, ) 对 于 , 下同; 沉积有机质中的碳为1 300 PDB 来源于除南极洲以外各大陆的层型剖面中 经 精 确 定 18 13׉; 大气2海洋2生物圈2土 25 10值约为- , m o l?C Ξ [ 收稿日期 ] 2000208225 ()[ 基金项目 ] 国家杰出青年科学基金资助项目 49625203 () ()[ 作者简介 ] 胡修棉 1974- , 男, 博士生, 沉积学与古海洋学专业. 2: @ . . E m a ilw c scd iteducn 135 图 1 显生宙低镁方解石化石壳 演化曲线 ?C 132. 1 F igP h ane ro zo ic ?C t rend to low M g ca lc ite sh e lls)(据 J. V e ize r 等, 1999 年的地层。 图中显示显生宙以来碳稳定同位素组成 , 新属种的有机碳生产量与衰亡的老属种在数 值时 总体有增高趋势, 叠加着快速下降上升期以及中新 量上达到平衡, 这是生态萧条的顶点。 以后, 适应环 ƒ 生代碳稳定同位素在现今值上下的振动期间。 境的新属种对有机质的生产量逐渐增加, 并在数量 上 超 过 老 属 种 的 生 产 量, 使 同 期 海 相 碳 酸 盐 岩 的2 碳稳定同位素与地质事件 13值向着正的方向移动, 反映着自然界生物重?C 从碳同位素分馏机理上看, 导致全球性碳酸盐 新 恢复生机。 13值偏移的主要原因是全球性重大地质事件的发 ?C 有机质碳稳定同位素近年来也用于研究地质事 生, 破坏了原先建立起的生物圈、水圈和大气圈之间 件。 海相碳酸盐与有机质碳稳定同位素变化可以提 的碳同位素动态平衡, 导致大气圈、水圈和生物圈内 供地质历史中有机碳埋藏量的记录, 还可能追溯有 各种含碳物质的碳同位素组成发生明显的变化。 海 相碳酸盐与同时期海水保持着同位素平衡, 其碳同 机碳风化和埋藏速率的变化。 碳酸盐岩和有机碳稳 位素值大体反映同时期海水碳同位素组成。因此, 我 定同位素平行采样, 不仅可以研究全球碳循环 们可以通过碳稳定同位素偏移来反映这种全球性的 8 变化, 而且可以定性地恢复大气 变化 。研究表 p CO 2 重大地质事件。 明, 海相有机质自白垩纪末- 28‰逐渐变为现代的研究表明, 碳稳定同位素负偏与生物兴衰息息 6 , 7 - 22‰, 这被认为是大气和海洋中 含量下降所 CO 2 相关。 黄思静在研究上扬子地台晚古生代海相 9 造成的。 据估计, 白垩纪大气 含量至少是现 CO 2 碳酸盐岩碳稳定同位素组成时发现, 在泥盆系石炭 ƒ10 11 今水平的 4 倍以上。等对浮游植物的养 D ean 系、石炭系ƒ二叠系和二叠系ƒ三叠系界线附近, 碳稳 13殖实验和温泉中藻类光合作用的观察发现, 藻类光 定同位素均出现了 值负偏移, 被认为是生物?C 合作用过程中, 含量对其碳同位素分馏具有重CO 2 绝 灭更替的结果。 当被环境淘汰的生物老属种大量 衰 亡, 或者由于地质事件造成生物大规模绝灭后, 适 应 新环境的属种在对有机质生产的数量上还没有取将导致同位素分馏系 要的分馏作用, 高含量的 CO 2 代 老属种的时候, 有机碳的埋藏量相对减少, 氧化量数的明显增大, 使海相有机质相对于海水溶解碳更 12加, 更多的进入大气, 溶解于海水, 最后进入同增 C 12富集。 因此, 可以通过研究碳酸盐与有机质碳同 C1313期 海相碳酸盐岩, 造成其 值负偏移。 值?C ?C 位素值的差异来反映大气2海洋 含量的变化。CO 2 负偏 移期间是自然界的生态相对萧条时期, 当达到 极小 3 缺氧事件与碳同位素偏移 海相碳酸盐岩碳稳定同位素与大气圈2水圈2生 物 圈中的碳循环密切相关, 主要受生物的生命效应 控制, 物理同位素如温度、盐度等占相当次要的 地位。海洋溶解氧含量与生物生长密切相关, 溶 解氧含量低的缺氧时期, 生物死亡后的躯体得 12( ) 以保存, 有机质 富大规模埋藏势必造成海 C 13水中相对富。 由于海相碳酸盐岩与海水保持C 13同位素平衡, 海相碳酸盐岩 将正偏。溶解?C 12氧 含量偏高时期, 情况恰好相反, 富的生物C 12有 机体得以充分氧化, 相对而言海水更富海, C 1312 相 碳酸盐岩 降低。 因而, 碳稳定同位?C 素是 定性地 反 映 古 海 洋 溶 解 氧 含 量 的 有 效 手 段 之 一。 白垩纪地层中存在多次缺氧事件, 其中尤 以被称为 的 2缺氧 2 OA E C enom an ian T u ro n ian 事件研究最详, 先后在全世界范围内得到广泛 2 , 13证实 。 其沉积环境变化多样, 可为深海洋 14 盆、大陆斜坡、大陆架、海底高原、陆表海。 在世 界 各 地 2缺 氧 事 件 层 C enom an ian T u ro n ian 内, 无一例外地全岩碳酸盐岩碳稳定同位素均 15 ( )出 现了不同程度的正偏, 偏幅约 2‰图 2。 在 藏 南 岗 巴 地 区, 碳 稳 定 同 位 素 组 成 变 化 与 2期 全 球 海 相 碳 酸 盐 岩C enom an ian T u ro n ian 1313正偏移变化一致。碳稳定同位素值大?C ?C 体 呈 现 自 到 逐 渐 变 重 C enom an ian T u ro n ian 趋 13势。 晚 期 仅为- 0. 4‰, 向上 C enom an ian ?C 逐渐旋回上升, 至顶部出现骤增, 从+ 1. 2‰跃 至 + 2. 7‰, 正 偏 移 量 1. 6‰; T u ro n ian 期 又 回 16()图 2。 归与晚 期相当值 C enom an ian 13 ( ) 海 相 有 机 质 碳 稳 定 同 位 素 ?Co rg 在 2界线处也相应地出现了 C enom an ian T u ro n ian 12 , 19 () 正偏 图 3, 偏幅达 3‰, 4‰。 图 4 为美 缺 氧 事 国 W e ste rn In te r io r Seaw ay 地 区 C T ƒ件 高 频 碳 酸 盐 岩 和 有 机 质 碳 稳 定 同 位 素 记 20 , 21 录。 图 4 显示, C T 界线碳稳定同位素偏 ƒ 移之前的 C enom an ian 中晚期, 碳酸盐与有机碳 ( ) 稳定同位素之间的差值 约为- 28‰; 事件 ?B 1313期间, 增加 4‰, 而 仅增加 2‰, ?Co rg ?C ca rb 意 味着 降低到- 26‰。降低一般被认为?B ?B 12 15大是气 降低的结果 。据估计, ƒ缺氧事件 p C T CO 图 2 白垩纪缺氧事件的界定、海相碳酸盐岩碳同位素、有机碳埋藏量 2 13以及 9 个地质剖面的海相碳酸盐岩 演化 ?C 在短暂的不到 1 M a 内埋藏有机碳总量达 1. 6×F ig. 2 Com p ila t io n o f C re taceo u s t im ing o f g lo ba l“O cean ic A no x ic 18 13 E ven t s”, m a r ine ca rbo na te ca rbo n iso top e va lue s, m o de led g lo ba l 10年平均达 0. 32×10。大规模有机, m o lm o l2, o rgan icca rbo n bu r ia l f lux and ca rbo n iso top ic t rend s o f m a r ine 碳埋藏势必引起 降低, 温室效应的减弱。这 p CO ca rbo na te s f rom n ine sec t io n s 2 剖面地点: ?墨西哥 P e reg r ine C anyan; ?墨西哥 R ancho; ?英国 Isle 已被 C T 事件之后全球气候的持续稳定的降温ƒo f W r igh t; ?英国 D o ve r; ?英国 N o rf lo k; ?德国 O th f re sen; ?意大利 22 , 23Gubb io; ?英国 F e r r iby P it; ?中国西藏岗巴。 其中, 剖面?, ?, ?, 。 过程所证实17 ( ) ?, ?, ?和?来自 和 ; ?据 等 1980Scho lle A r th u r Sch lange r 2 16( ) ( ) 1987; ?据王成善等 1999 令人惊奇的是, 2界线处 C enom an ian T u ro n ian 碳稳定同位素正偏不仅反映在海相碳酸盐岩上和海 18 相有机质上, 同时还反映在陆相有机质中。 日本 北 海 道 2界 线 处 陆 相 有 机 质C enom an ian T u ro n ian 13正偏为, 2‰, 与全球海相碳酸盐岩碳稳定同?C 位 () 素正偏值相当 图 4, 这意味着全球海洋2大气系统 碳库碳稳定同位素整体变化值为, 2‰。CO 2 图 4 美国地区 W e ste rn In te r io r Seaw ay 2界线碳酸盐岩碳同位素 C enom an ianT u ro n ian 1313() () 与有机质碳同位素 演?C ca rb ?Co rg 化 2. 4 F igC a rbo n iso top ic excu r sio n in w ho lero ck ca rbo na te 1313() () ?C ca rb and to ta l o rgan ic ca rbo n ?Co rg a t th e)(1989 据 等, . . JM H aye2 s C re taceo u s C enom an ianT u ro n ian bo unda ry in th e W e ste rn In te r io r Seaw ay o f U S 中白垩世 2期全球海平面 C enom an ian T u ro n ian 24 大幅度上升, 发生中生代最大规模的海侵, 当时 海平面可能比现在高 350 以上, 足以淹没现代陆m 25 地面积的 35% 。短时期内大规模的迅速海侵势必造成生物因生存环境的改变而大批死亡和快速埋 藏。 生物死亡和有机质的不断沉降和分解必然消耗 12海水中大量的溶解氧, 短时期内产生的返回 CO 2 13( 到大气, 同期的海洋碳酸盐 相对负偏 这一?C 负 偏已在欧洲阿尔卑斯地区早侏罗世 期缺T o a rc ian 氧事件和早白垩世 2缺氧事件得以证 A p t ian A lb ian 26 实。之后, 由于生物分解消耗大量的溶解氧, 大洋 12水体缺氧加重, 富含有机质的生物从而得以大量 C 13保存, 相应地大气和海水中将富同期海相碳酸, C 13盐岩 正偏。另外, 生物埋藏后, 海底厌氧细菌?C 优 1312() 图 3 2界线有机质碳同位素 演化 C enom an ianT u ro n ian ?Co rg 先还原海水中溶解的二氧化碳中的这就使得海 , C 13() . 3 F igO rgan ic ca rbo n iso top e ?Co rg t rend a t the1313 水中更富含从而更强化了碳酸盐岩 正, C ?C 2剖面地 C enom an ianT u ro n ian bo unda ry f rom seven sec iot n s 点: ?美 国 克 罗 拉 多 州; ?, , B r idge C reekD an ish C en t ra l G raben偏 丹麦; ?德国北部; ?意大利中部; ? , , W un sto rfGubb ioB ah lo u l 组, 突尼斯; ?日本; ?日本。其中, 剖面, , O ybub ar iT app u 移。12 () ?, ?, ?, ?和?来自 A r thu r 等 1988; 剖面?和?引自18尹观教授对本文提出了宝贵的修改意见, 特此 () 1997H a segaw a 致谢。 depo sit io na l m ech an ism s and env iro nm en t s o f anc ien t [ 参 考 文 献 ] 1994, 22: depo sit s [ J . 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