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冰期旋回中碳酸盐岩δ
由于关系到人类的生存和可持续性发展,全球变化,已成为当今最热门的话题和研究领域。将古论今,为了更好地了解和研究当今的全球变化,科学家对古冰川进行了大量的研究。在古冰川的研究中,研究者发现,冰川形成过程中,随着δ18O正漂移,碳酸盐岩中δ
1 δ
当海洋中的水蒸发时,含δ16O的水较易蒸发,含δ18O的水较不易蒸发。这样,就造成δ18O的分馏。由蒸发的水蒸汽凝聚而成的江河湖里的淡水,δ16O较高,δ18O较低。由蒸发的水蒸汽凝聚而成的极地冰川及山地冰川,δ16O也较高,δ18O较低。而海洋,则由于δ16O的蒸发减少而造成δ18O值升高。江河湖里的水,最终又会流入海洋。库存在江河湖里的淡水量相对较少,且量变化不大。而极地冰川和山地冰川,当冰川形成时,会造成大量淡水的滞留;而冰川消融时,原来滞留在极地和高山的冰川水,又会流入海洋。这样,就造成冰川形成时,海洋δ18O值正漂移,而冰川消融时,δ18O负漂移(Shackbeton, 1973)。
自然界中的碳,主要由两种稳定同位素组成,即
2 冰期旋回中的δ
2.1 冰期后碳酸盐岩帽中的δ
每一次冰川消融后,紧接着冰碛岩的上面,会形成一层厚厚的碳酸盐岩。这种碳酸盐岩像帽子一样盖在冰碛岩上,俗称碳酸盐岩帽。这种碳酸盐岩帽的厚度,与冰川期冰川的规模有关。冰川期形成的冰川规模越大,这种碳酸盐岩帽的厚度越大(有时达
紧接在冰碛岩上的碳酸盐岩的δ
这种现象,每一次冰期都会再现(Hoffman, et. al., 1998; Kennett, et. al., 2000; 李玉成和周忠泽,2002),但以新元古大冰期最为显著,漂移幅度最大(Hoffman, et. al., 1998)。冰期后碳酸盐岩帽形成和δ
2.2 冰期旋回中的δ
δ18O值的变化,与冰川的形成和消融密切相关,现已作为古冰川形成和消融的一种重要表征(Shackbeton, 1973)。
在地球演化的过程中,每一次的冰期的形成和消融,都伴随着δ18O的周期性变化(杨瑞东等,2003;Shackbeton, 1973; 李玉成和周忠泽,2002)。冰川形成过程中,δ18O值逐渐升高,冰川最大时,δ18O值最高。冰川持续期,只要冰川规模不变,总质量不变,δ18O的值也不会有太大的波动。冰川消融期,随着冰川的逐渐消融,δ18O值逐渐降低,至冰川完全消融时,δ18O值降至最低。在间冰期,δ18O值波动不大。冰期旋回中,δ18O正漂移的最大值,与冰川的规模密切相关。冰川规模越大(如新元古大冰期),δ18O的正漂移越强烈;冰川规模越小(如奥陶纪或比它更小的次一级冰期),则δ18O正漂移越弱。只要是没有冰川形成的间冰期,δ18O的值波动不大。
δ
δ
3 目前学术界对δ
目前为止,学术界对冰期后直接盖在冰碛岩上的碳酸盐岩帽里的δ
生物量变化说(Kimura, et. al., 1997; Kaufman, et. al., 1991; Derry, et. al., 1992);甲烷渗漏说(Dickens, et. al., 1995; Kennedy, et. al., 2001; Kennett, et. al., 2000);火山脱气说(Hoffman, et. al., 1998; Kennet and Stott, 1991; Zachos, et. al., 1993; Eldholm and Thomas, 1993; Zachos, et. al., 1994)。
坚持第一种观点的学者认为,冰期后形成的碳酸盐岩帽中的δ
坚持第2种观点的学者认为,由于受某种高温作用(一般均未说明是那一种来源的高温),海底冰冻层的以甲烷为主的天然气水合物大量气化释放,进入海洋或大气。在海洋或大气中,甲烷被氧化为CO2。这些CO2溶于海洋中,进一步和海洋里的钙、镁等离子结合,形成碳酸盐岩帽。因为甲烷的δ
坚持第3种观点的学者,以新元古大冰期为例,认为新元古冰期形成雪球地球,海洋被雪球封闭,没有被雪球封闭的陆地上的火山喷发和地震,产生大量CO2气体。这些CO2等温室气体越积越多,温室效应越来越强,最后造成雪球的解体。大量的CO2进入海洋或大气,使雨水呈酸性,加强了岩石的风化。陆地和海洋里的风化产生的大量金属离子结合,形成了碳酸盐岩帽[Hoffman, et. al., 1998]。这样,由于火山喷发和地震产生气体的相对负δ
4 对已提出解释的可行性分析
用生物光合作用的强弱变化和生物量的变化来解释δ
冰川形成后,随着温度降低,生物量的确会减少;即光合作用减弱,合成的有机物减少,而分解的有机物增多,导致总生物量减少。总生物量减少,也就是大量生物体被分解为水和CO2。导致构成生物体的δ
但是,据测算,现今全球碳库储量见表1(Falkowski, et. al., 2000)。
表1 全球碳库碳储量(Falkowski, et. al., 2000)
库 |
数量/Gt |
库 |
数量/Gt |
大气 |
720 |
陆地生物圈 |
2000 |
海洋 |
38400 |
活生物量 |
600~1000 |
总无机碳 |
37400 |
死生物量 |
1200 |
表层水 |
670 |
水生物圈 |
1~2 |
深层水 |
36730 |
化石燃料 |
4130 |
总有机碳 |
1000 |
煤 |
3510 |
岩石圈 |
|
石油 |
230 |
沉积碳酸盐 |
>60000000 |
天然气 |
140 |
油母质 |
15000000 |
其它(泥炭) |
250 |
从表1可见,陆地生物量总和为2000Gt,海洋生物量总和为1~2Gt,海洋有机碳为1000 Gt;大气CO2为720Gt,海洋总无机碳(主要为溶解的CO2和碳酸盐)为37400Gt (Falkowski, et. al., 2000; 王凯雄,2001)。以研究得较为清楚的新元古大冰期为例来说,因那时还没有陆地生物,只可能有海洋生物。假设那时的海洋生物量和现在相近,大气和海洋中的CO2量也和现在差不太多。那时的总生物量最多也只会有2Gt,总有机碳也只有1000Gt,这与大气和海洋中的CO2的和相差太多。就算光合作用一点有机物也不合成,所有的2Gt生物碳全部转化为CO2,甚至包括1000Gt总有机碳也全部转化为CO2,这也远不可能使δ
由于冰川的形成,引起海底火山喷发(见后述),的确有可能使海底冰冻层里天然气水合物,气化成甲烷等气体,进入海洋或大气中。由于甲烷的δ
但是,从表1可见,就现今来说,所有天然气的总量也只有140Gt,而仅大气中的CO2就是720Gt,海洋里溶解的CO2和碳酸盐(条件适宜时,会转化为CO2)则高达37400Gt;就算所有的天然气全是天然气水合物,就算所有的天然气水合物全部转气化成了甲烷,也远不可能使δ
相比较来说,火山脱气说正确的成分更多。综上所述,碳酸盐岩帽里的δ
从以上分析可见,造成冰期后碳酸盐岩帽δ
5 冰川形成对火山喷发和地震的影响
在冰川形成和消融过程中,的确有相应的火山形成,这已为大量的地质资料所证明(Kennet and Stott, 1991; Zachos, et. al., 1993; Eldholm and Thomas, 1993; Zachos, et. al., 1994; Renne, et. al., 1995; Clark, et. al., 1986; Jin, et. al., 2000; Zhou and Kyte, 1988)。但是,冰川的形成和消融如何引起火山喷发和地震?或者说,冰川形成和消融引发大规模火山喷发和地震的原因如何?这却很少有资料报道。
绿色植物的光合作用,导致CO2等温室气体的浓度降低,使大气温度下降。当两极及高山的温度下降至
地球表面是由地壳和上地幔围成的固态岩石圈。岩石圈内,则为具有一定液态性质的软流层。所以,在一定程度上,可以把地球看成是一个由固态岩石圈围成的液体球。在第四纪冰川时期,欧洲斯堪的纳维亚地区和加拿大哈得逊湾地区都存在过北极冰川。最近15000年以来,哈得逊地区抬升了大约
冰川和地壳的这种下降作用,会造成火山喷发和地震。下面,我们以现有的南极冰盖为例,来分析这种作用过程。
冰盖未形成时,岩石圈和地幔处于流体静力学平衡状态(见图1,a)。当南极冰盖形成时,2.64×
地球是一个密闭流体球体,岩石圈就是这个密闭流体的容器。根据流体力学原理,密闭流体在外力的作用下,流体不会或几乎不会被压缩;根据巴斯噶原理:“施加压强于密闭容器内的流体,此压强无变化地传到流体的各部分及容器的器壁”(赵景员和五淑贤,1981)。所以,当巨大质量的冰川引起南极岩石圈下陷时,将产生巨大的压强,流体地幔会把这个压强传至地幔的任何地方,并传至垂直于地壳的任何方向,且压强不变,方向向外(见图1,b)。这样,地球将在这个巨大作用力的作用下,向外膨胀(图1,c-f)。