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冰川造成地球演化的碳酸盐岩δ13C规律变化的证据

已有 2841 次阅读 2007-9-14 09:38 |个人分类:地球科学

冰期旋回中碳酸盐岩δ13C规律变化的证据

 

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δ13C逐渐正漂移,最大值可达+11;当冰川形成到一定程度时,δ13C强烈负漂移,最负值可达-7。紧接着冰碛岩有碳酸盐岩帽形成。随着δ18O出现强烈的负漂移,碳酸盐岩帽里的δ13C从强负值出现强烈正漂移。碳酸盐岩中δ13C的这种规律性漂移,幅度如此之大,是一种十分异常的现象,对此有很多争论Kimura, et. al., 1997; Kaufman, et. al., 1991; Derry, et. al., 1992; Hoffman, et. al., 1998; Dickens, et. al., 1995; Kennedy, et. al., 2001; Kennett, et. al., 2000; Bains, et. al., 1999; Kennet and Stott, 1991; Zachos, et. al., 1993; Eldholm and Thomas, 1993; Zachos, et. al., 1994。到目前为止,这种冰川旋回中碳酸盐岩δ13C规律变化,还没有一种能得到学术界公认的详细解释,一直是地学界的不解之谜(杨瑞东等,2003;钱迈平等,2000。冰川期的旋回,是全球变化的一种重要表征(张兰生等,2000。同时,冰川期旋回,也基本和造山旋回、成矿旋回、海平面变化旋回、CO2旋回、Er旋回相一致(龚一鸣,1997;汪品先,2002;翟裕生,2001。这个谜底的揭开,将直接面对以上问题的解决。所以,弄清冰期碳酸盐岩δ13C漂移的原因,是一个既复杂,又重要的问题。我们对现有地质、地球物理学、地球化学、冰川学、气象学等资料进行综合分析后,就这个谜提出了新的理论。

1  δ13Cδ18O的地质学特征

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12C13C,其丰度分别为 98 89%1.ll% Hoefs, 1982; Garrels and Lerman, 1984;胡修棉等,2001。绿色植物进行光合作用时,优先吸收δ12C,造成碳同位素分馏。植物、动物和微生物,都是直接或间接以植物为食的。所以,组成生物的有机碳,相对来说,含δ12C较多,而含δ13C较少。而留在大气或海洋中的CO2,则相对富积δ13C。由生物衍生而来的矿物有机物及天然气水合物等,也和生物相似,具有强烈的δ13C负值,如天然气水合物里的甲烷,δ13C值为-60~-65(杨瑞东等,2003Kvenvolden, 1995。从全球角度未说,碳主要分布在几个主要的碳库中,相应的碳同位素值有所不同。碳酸盐岩中的碳同位素相对富13Cδ13C值平均为0(相对于PDB标淮,下同)。沉积有机质中的碳δ13C值约为-25;大气δ13C值为7;大洋水的δ13C值为0‰;由地球去气作用形成的碳,δ13C约为-7Hoefs, 1982; Garrels and Lerman, 1984; 胡修棉等,2001

 

2  冰期旋回中的δ13Cδ18O变化规律

2.1 冰期后碳酸盐岩帽中的δ13Cδ18O变化规律

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400m);冰川规模越小,这种碳酸盐岩帽的厚度越小。组成这种碳酸盐帽的物质,主要为碳酸钙、碳酸镁组成的白云岩或灰岩;有时,也有碳酸锰等其它碳酸盐参与岩帽的形成(杨瑞东等,2002

紧接在冰碛岩上的碳酸盐岩的δ13C,呈现强负值,最负值可达-7。而δ18O呈现强正值。在冰碛岩上面,离冰碛岩越来越远,δ18O值逐渐负漂移,然后至正常为止。但冰碛岩上的碳酸盐岩帽里的δ13C,随着离冰碛岩的越来越远,δ13C呈现强烈的正漂移,直至正常为止(杨瑞东等,2003;张启锐等,2002

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δ13Cδ18O的规律性变化,具有全球普遍性和等时性Prave, 1999; Walter, et. al., 2000; Knoll, 2000

2.2 冰期旋回中的δ13Cδ18O变化的一般规律

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,2003Shackbeton, 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。

δ13C的值,也和冰川的形成和消融强相关Prave, 1999; Veizer, et. al., 1999。在冰川的形成过程中,δ13C值逐渐正漂移。但至冰川形成到一定规模时(不是冰川的最大期),δ13C达最大值(有时可达+11以上),开始急剧负漂移。这种负漂移很少一次性到位,至少要经两次或两次以上的阶梯Bains, 1999。其中最明显的一次负漂移在冰川形成期,另一次在冰川开始消融时的消融期。整个冰川期,δ13C都处于这种强负值期;或处于不断负漂移的过程中。冰川消融后,δ13C值急剧正漂移。整个间冰期,δ13C虽会有一些微量波动,但总的趋势是处于正漂移过程中。这种正漂移直至下一次冰川形成至一定规模为止(不一定是冰川的最大期)。

δ13C的这种漂移所达正、负漂移的最大绝对值的大小,也与冰川的规模强相关。冰川期形成的冰川规模越大,δ13C正漂移时所至的最大值也最大;紧接着的负漂移,负漂移至最负值时,最负值的绝对值也最大。冰川期形成的冰川规模越小,δ13C正漂移时所至的最大值较小,紧接着的下降,下降至最负值时,最负值的绝对值也较小。

 

3  目前学术界对δ13Cδ18O规律变化的解释

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δ13C从强负值开始强烈正漂,及整个冰期旋回中δ13C的规律变化,有很多种解释Kimura, et. al., 1997; Kaufman, et. al., 1991; Derry, et. al., 1992; Hoffman, et. al., 1998; Dickens, et. al., 1995; Kennedy, et. al., 2001; Kennett, et. al., 2000; Bains, et. al., 1999; Kennet and Stott, 1991; Zachos, et. al., 1993; Eldholm and Thomas, 1993; Zachos, et. al., 1994。归纳起来,主要有以下三种:

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δ13C负异常,是由于冰期形成,温度变低,进行光合作用的植物受温度的影响,生物量下降,光合作用减弱。通过生物分馏δ12C的能力下降。但生物体的分解并没有太多地减少,或甚至因大量生物的死亡而有所增加。这样,由于δ12C分馏能力减弱和生物体分解释放δ12C能力加强的共同作用,将造成δ12C相对地在大气和海洋里增加,从而造成δ13C的负漂移Kimura, et. al., 1997; Kaufman, et. al., 1991; Derry, et. al., 1992; 胡修棉, 2001

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δ13C强烈负偏,所以,这使海洋或大气中的CO2δ13C也出现强烈负漂移Dickens, et. al., 1995; Kennedy, et. al., 2001; Kennett, et. al., 2000; 杨瑞东等,2003

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δ13C值(-7左右),造成碳酸盐岩帽的δ13C值负漂移Hoffman, et. al., 1998。其它冰川期,也有类似新元古大冰期的现象发生Kennet and Stott, 1991; Zachos, et. al., 1993; Eldholm and Thomas, 1993; Zachos, et. al., 1994

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δ13C值从强正值向负漂移,理论根据不足。随着冰川的形成,由于温度的影响,植物的量的确会减少,光合作用也会随之减弱。光合作用减弱,只是光合作用对CO2中的δ12C的分馏作用减弱。分馏作用减弱,但并没有停止,仍在进行δ12C的分馏作用。这就是说,若大气和海洋里的CO2的供应和消耗没有太大变化的话。尽管光合作用减弱,随着光合作用(减弱后的)的继续进行,照样会进行δ12C的分馏,大气和海洋中的δ12C会继续降低,δ13C会继续上升。所以,冰川形成后造成的光合作用减弱,并不会导致δ13C的负漂移,只会使正漂移减弱而已。

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δ12C向大气和海洋释放,使大气和海洋中的δ12C浓度升高,δ13C浓度相对下降。冰川消融后,CO2浓度升高,温室效应增强,光合作用增强,合成的生物量大于分解的生物量。分馏(降低)δ12C的能力加强,而产生δ12C的能力减弱,将使δ13C正漂移。这样看来,总生物量的减少,的确能造成冰川形成过程中δ13C的负漂移,和冰川消融过程中的正漂移。

但是,据测算,现今全球碳库储量见表1Falkowski, et. al., 2000

1 全球碳库碳储量Falkowski, et. al., 2000

数量/Gt

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

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CO2720Gt,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δ13C值从+10负漂移至-7(张启锐等,2002。更何况,并不是所有的生物量都全部分解了,只是部分生物量的减少;而溶解在海洋里的有机碳,也不会因为生物的减少而急剧减少。所以,冰川形成时,由于温度下降造成的光合作用减弱,生物量减少,可能会使δ13C产生一点点负漂移,但产生的效果极其有限,绝不可能是使大气和海洋中CO2强烈负漂移的主要原因。

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δ13C值相当低,大量的甲烷气体的渗入,将使局部海洋或大气中的δ13C值急剧下降,引起δ13C的强烈负漂移。

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δ13C+10的值负漂移至-7。更何况,天然气水合物只占所有天然气的很少一部分;因火山喷发被加热气化成甲烷而渗漏入海洋和大气的,又仅是天然气水合物中很少的一部分。所以,一部分天然气水合物气化成甲烷渗漏入大气和海洋,只可能使局部海洋或大气的δ13C适当负漂移,绝不可能是冰川形成后所有碳酸盐岩帽里δ13C强烈负漂移的主要原因。所有碳酸盐岩帽的最强负漂移值也仅-7,这也间接证明,甲烷渗漏使碳酸盐岩帽δ13C负漂移的作用相当小,仅是一种极弱的补充作用而已。若真是以甲烷渗漏为主造成的,因为甲烷渗漏不是均匀分布的,甲烷的δ13C值相当低,低于-60,在甲烷强渗漏的局部区域,负漂移值,应远比-7更负,至少会出现比-10更负的现象。

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δ13C负漂移既不是因为生物体分解补充δ12C造成的(生物量变化说),也不是因为与生物有关的有机物分解补充δ12C造成的(甲烷渗漏说);那么,能给大气和海洋补充δ12C,使δ13C负漂移的,就仅只有地球的去气作用了。也即通过火山喷发和地震造成的地球去气作用,给大气和海洋补充了大量含δ12CCO2气体,使δ13C强烈负漂移。δ13C负漂移的最强负值,也只是-7左右,这也间接证明,δ13C的负漂移,就是因为地球去气气体而造成的。

从以上分析可见,造成冰期后碳酸盐岩帽δ13C强烈负漂,肯定是由冰川形成和消融,造成火山喷发和地震,使地球内部大量CO2气体排出而造成的。那么,这种大规模的火山喷发和地震是如何发生的呢?它和冰川形成和消融关系如何?这是火山脱气说所面临和急需解决的问题。

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0以下时,极地及高山冰川形成Berner, 1997; Berner, 1993

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300m,这一地区至今还保持着每年上升2cm的速度。经过计算,该区地面要恢复到冰期以前的原有高度,并重建地壳均衡状态,还需要再上升80m。斯堪的纳维亚地区,近万年来,其上升幅度达250m,至今仍以每年1cm的速度上升(陶世龙,1999Stacey, 1992。这说明,地球这个由固态岩石圈圈闭而成的液体球,具有一定的塑性。冰川形成时,冰川下的地壳和冰川一道,在冰川巨大质量的重力作用下会下沉。冰川消融时,由于这个巨大重力的消失,会反弹性上升。

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1a)。当南极冰盖形成时,2.64×1019kg的海洋水转移至南极,引起海退;海洋岩石圈上的重量将减少,南极大陆岩石圈上的重量将大大增加(见图1b)。在冰川形成时产生的巨大重力缓慢作用下,地球表现出明显的塑性(刘本培和蔡运龙,2000(见图1c-f),南极冰盖下的地壳将大幅度下降(见图1c-f)。

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1b)。这样,地球将在这个巨大作用力的作用下,向外膨胀(图1c-f)。

1. 南极冰川形成引起的造海过程.  A,岩浆从洋中脊涌出;B,南极冰川;C,老岩石圈;D,软流层;E,由洋中脊处涌出岩浆形成的新海洋岩石圈.→”示火山喷发

因为地球可看成一个密闭流体容器,若岩石圈的某处不破裂,冰川及冰川下地壳就不会下陷。北极冰川地区现在反弹性上升的事实告诉我们,北极冰川形成时,的确曾下陷过。这说明,北极冰川形成时,曾使地球膨胀而至地壳撕裂过。或者说,冰川形成时产生的重力,足够使地壳破裂。

地球向外膨胀时,地球表面积将增加;也就是说,冰川形成的巨大作用力,在岩石圈的某处(最易破裂处,一般为洋中脊),将其撕裂,这就是地震。为了释放压力,岩浆将会从破裂处喷出,这就是火山喷发。大量岩浆从洋中脊排出,也会使海底扩张,产生造海运动(图1d-f)。

因冰川的形成,是由于长期的光合作用,使大气中的CO2浓度过低,温室效应过弱而造成的Berner, 1997; Berner, 1993。所以,火山喷发喷时,大气或海洋中的CO2浓度,应是最低时。由于火山喷发和地震,将大量的CO2补充至大气或海洋中。当火山喷发和地震释放入海洋和大气中的CO2大于植物光合作用消耗的量时,海洋和大气中的CO2浓度停止下降,并开始升高。这时,冰川形成停止,地球进入冰期。

因这时大气或海洋中的CO2,主要以火山喷发和地震等地球去气作用产生的气体为主;而地球去气气体的δ13C值相当低,为-7左右。大量的去气气体进入大气和海洋,会造成δ13C负漂移。最负值接近或等于-7,说明这种CO2气体,几乎是由去气气体组成。在局部区域,若火山喷发时,造成了甲烷等天然气水合物的气化释放的话,有可能加速δ13C值负漂移。但是,和火山喷发及地震释放入大气和海洋中的CO2相比,天然气水合物释放出的甲烷量毕竟有限,不会造成δ13C值负漂移过强。

6  冰川消融对火山喷发和地震的影响

冰川的消融作用,也一样会造成火山喷发和地震。下面以北极冰川的消融为例,来分析这种作用。

当北极冰川消融时,情况刚好和冰川形成时相反。北极冰盖消失,大量的水注入海洋,海洋水面将升高,海水重量增加。极地冰盖消失,极地岩石圈将从原来的下降状态升起,地球的内部压力减少。地球将在以上两种力的共同作用下收缩,造成岩石圈皱缩,最终形成地槽。海洋岩石圈比大陆壳薄,这种皱缩形成地槽的作用,主要发生在海洋。

2. 地槽形成和造陆过程. A,岩石壳;B,早期沉积物;C,负压腔;D,后期沉积物;E,火山堆;F,类花岗岩岩浆层;G,类玄武岩岩浆层;H,玄武岩;“→”示火山喷发.

具体演变过程如下:

地球收缩,对岩石圈产生水平挤压,一旦岩石圈宽度超过其刚性范围,海洋岩石圈将发生形变,要么隆起,要么下降(见图2a-b)。若隆起,就成为地背斜(海山)。若下降,就成为海盆(地向斜)(见图2b)。由于海洋岩石圈的密度比较大,再加上冰川消融后形成的海水增加,地球内压下降,海洋岩石圈下降的面积将远大于抬升的面积,也就是说,海盆的面积远大于地背斜的面积(见图2b)。

海盆一旦形成,将有沉积物在海盆里沉积(见图2b)。随着冰川不断地消融,岩石圈严重收缩。海盆边缘受到严重挤压,因为海洋岩石圈刚性作用,海盆底部将不断下陷(见图2b-c)。同时,海盆里沉积的上km的沉积物,也进一步加剧了海盆的下陷(见图2b-c)。下降的海盆,将又会有大量的沉积物沉积(见图2c)。

海盆下降深度越来越深,盆口面积越来越小。海盆下陷到一定程度,就转变为地槽(见图2c)。

地槽下降越深,槽底洋壳的弯曲度就越大,当弯曲度越过海洋岩石圈的承受力时,槽底断裂产生地震(见图2d)。由于负压的作用,将造成大量玄武岩火山喷出(见图2d-e)。

随着地槽的下陷,地背斜将被抬升。通过地背斜的抬升,来达到地槽和地背斜共同构成的浮力和重力平衡(见图2b-c)。

随着地背斜的抬生和地槽进一步下陷,将加剧地槽底部岩石圈和地背斜岩石圈的弯曲。当其弯曲程度超过连接它们海洋岩石圈的承受度时,将发生断裂。这就引起地震,引起地槽和地背斜的分离(见图2g)。

一旦地背斜和地槽分离,地槽因为失去两侧地背斜的牵扯,由于地幔的浮力而上升(见图2g-h);地背斜将因为没有地槽的支撑而下降,冲击下面的岩浆而引起火山喷发(主要为中性或酸性岩浆的喷发)(见图2g-h)。同时,地背斜岩石圈较重,地槽岩石圈较轻(地槽里沉积岩的比重小于火成岩性质的海洋岩石圈),地背斜和地槽岩石圈断裂时,地背斜岩石圈将向地槽下插入,这样,更进一步造成地槽抬升,形成中央隆起(见图2g-h)。从而形成地背斜和地槽之间的重新组合,产生造山作用,形成山脉,地槽作用完成(见图2h)。

综上所述(见图2),在冰川消融引起的地槽的形成和演化过程中,会形成大量的火山喷发和地震。这样,大气中由地球去气作用产生的CO2浓度,会因冰川的消融而进一步升高,δ13C值进一步负漂移。

受冰川形成和消融的共同作用,当去气作用造成的δ13C负漂移作用,大于光合作用的分馏作用造成的正漂移作用时,就造成大气或海洋中δ13C的负漂移,最终导致δ13C在冰期呈强负值。

随着大气中CO2浓度的不断升高,温室效应越来越强,导致冰川快速消融。冰川的消融,大量的冰碛岩沉积。

由于pH=1/2(pK1+pK2-logCco2(T)/Cco32-(T))郭锦宝,1997当大气中的CO2浓度升至最大值时,pH最低。低pH值造成大量硅酸盐风化,产生大量的钙、镁等金属离子。

CO2浓度升高,温室效应增强,温度上升,绿色植物大量繁殖,生长繁茂,光合作用越来越强。硅酸盐风化时,使硅酸盐最终变成二氧化硅沉淀,吸收大量氢离子使海洋pH值上升;光合作用吸收大量CO2,形成大量的矿物有机物,使pH值上升。由于pH = 1/2(pK1 + pK2 - logCco2(T)/Cco32-(T))郭锦宝,1997,随着pH值上升,Co32-浓度上升。

由于Ksp=αCa2+( Mg2+)(T)×αCO32-(T)郭锦宝,1997,碳酸盐岩的Ksp主要由金属离子的浓度和Co32-的浓度决定。当海洋中这两种离子的浓度都上升时,Ksp<αCa2+( Mg2+)(T)×αCO32-(T) ,将造成碳酸盐岩沉淀。 这就是造成紧接冰碛岩上碳酸盐岩大量沉积的原因。

 

7  火山喷发和地震造成δ13Cδ18O的规律性变化的证据

7.1黄铁矿形成的证据

黄铁矿,是硫和铁在还原环境下形成的化合物。在碳酸盐岩帽及其附近,有时会有这种矿物大量出现,冰川期形成的冰川规模越大,这种矿物越多(杨瑞东等,2003;张启锐等,2002Wright, et. al., 1997。这说明,在冰川形成过程中,曾有过强还原环境存在。从地球演化早期至今,强还原环境,都是由地球去气气体造成的。地球去气时,大量的氢、硫化氢等强还原性气体的排出,是造成这种强还原环境的主要因素。随火山喷发形成的热液为强酸性液体,溶有大量铁等矿物元素。当这些矿物元素和去气作用产生的硫化氢化合,就形成黄铁矿等硫化物矿床。这说明,冰川形成过程中,地球曾有过强排气作用。这也说明,碳酸盐岩帽中的δ13C强烈负漂移,是由于火山喷发引起的地球去气作用造成的。

7.2微量稀土元素的证据

δCe通常作为古海洋氧化-还原条件的示踪剂Wright, et. al., 1997。对上扬子区新元古宙南沱冰期后碳酸盐岩帽(贵州铜仁和湖南大庸)的δ13CδCe进行测定发现,碳酸盐岩帽下部δ13C值低,往上δ13C值逐渐向正迁移。碳酸岩盐帽的下部(和冰碛直接接触)含黄铁矿泥灰岩、薄层白云岩的δ13C-7.06~-3.27δCe-0.04~0.069,表示它们为弱还原-弱氧化环境下形成的产物。上部的中-厚层纹层白云岩的δ13C-3.58~-0.13δCe-0.22~-0.105,说明形成于氧化环境(杨瑞东等,2003。这就证明,碳酸盐岩帽里的δ13C强负值(-7.06~-3.27),是在还原条件下形成的。δ13C由负值向正值漂移的过程,就是由还原性环境向氧化性环境转化的过程。这说明,δ13C的强负漂移,的确是火山去气作用形成的。

 

7.3造山作用的证据

每一次冰川的形成和消融,都会引起相应的造海和造山作用,冰期旋回,总是和造山旋回一致(龚一鸣,1997;汪品先,2002。通过以上的分析(见图1和图2),我们知道,在冰川形成时,会引起造海作用;在冰川消融时,会引起造山运动。所以,和冰川旋回一致的造海和造山运动,都是由于冰川的形成和消融引起的。这间接证明,我们以上的推论是正确的。也证明,碳酸盐岩帽中的δ13C的负漂移,是由于火山喷发引起的。

7.4碳系统演化的证据

从表1可见,地球上,现已沉积了6×107Gt碳酸盐岩、1.5×107Gt矿物有机物(干酪根Kerogen,80-90%)地球形成的早期,没有碳酸盐岩沉积。太古宙晚期,开始有少量碳酸盐岩沉积。大量碳酸盐岩的沉积,是从元古代以后开始的。所以,这巨量的碳酸盐岩和矿物有机物,都是由CO2逐渐转化来的。若构成这巨量的碳酸盐岩和矿物有机物的碳,在地球演化早期(碳酸盐岩形成前),就存在于地球的原始大气中。由于温室效应,地球的温度肯定远高于现在的金星,会在500以上。地球上根本就不会有生命演化和存在。既然现在地球上有生命演化,这说明,形成巨量碳酸盐岩和矿物有机碳的CO2,肯定是后来逐渐从地球内部排出的。即地内系统,不断地将地内含δ12C较多的CO2补充在地表系统里。火山喷发和地震,是地球排气的主要方式。所以,现在地球上巨量的碳酸盐岩和矿物有机物,是由火山喷发和地震逐渐排出的CO2形成的。而甲烷渗漏和生物量变化,只会造成地表碳再循环,不会造成地表系统里的碳的绝对量逐渐增加。甲烷渗漏和生物量变化造成冰期旋回中碳δ13C的规律性变化,与地史资料不符。所以,冰期旋回中碳δ13C的规律性变化,肯定是由火山喷发和地震等地球去气作用造成的。

 

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各位若想了解这方面有关的详细情况,请各位参见廖永岩著,海洋出版社2007年5月版的《地球科学原理》(28.00元)一书。也可以在以下网址找到这本书的详细目录:http://www.sciencenet.cn/blog/user_content.aspx?id=7010

也可以在以下网址找到有关这本书的部分相关内容:http://www.sciencenet.cn/blog/user_index.aspx?userid=3534

注:本文摘于廖永岩著《地球科学原理》一书。

广东海洋大学

廖永岩著
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