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地球科学原理之16 冰期旋回中δ13C规律变化的解释和分析
广东海洋大学
廖永岩
(电子信箱:rock6783@126.com)
上一回我们已分析了冰期旋回中δ
1 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
2 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
未完,待续。
下回预告:地球科学原理之17 冰川对火山喷发和地震的影响
参考文献:
胡修棉,王成善,李祥辉. 大洋缺氧事件的碳稳定同位素响应. 成都理工学院学报, 2001, 28(1):1-6
杨瑞东,王世杰,董丽敏,
王凯雄. 水化学. 北京:化学工业出版社. 2001. 257-323
张启锐,储雪蕾,张同钢,
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Hoffman P F, Kaufman A J, Halverson G P. et al. Neoproterozoic snowball earth Science, 1998, 281: 1342-1346
Kaufman A J, Hayes J M, Knoll A H, et al. Isotopic compositions of carbonates and organic carbon from upper Proterozoic successions in Namibia:stratigraphic variation and the effects of diagenesis and metamorphism. Precambrian Research, 1991, 49: 301-327
Kennedy M J, Christie-Blick N, Sohl L E. Are Proterozoic cap carbonates and isotopic excursions a record of gas hydrate destabilization following Earth’s coldest intervals?Geology, 2001, 29: 443-446
Kennet J O, Stott L D. Abrupt deep-sea warming, paleoceanographic changes, and benthic extinctions at the end of the Paleocene. Nature, 1991, 353: 225-229
Kennett J P, Cannariato K G, Hendy I L, et al. Carbon isotopic evidence for methane hydrate instability during Quaternary interstadials. Science, 2000, 288: 128-133
Kimura H, Matsumoto R, Kakuwa Y, et al. The Vendian-Cambrian
Zachos J C, Lohmann K C, Walker J C G, et al. Abrupt climate change and transient climates during the Paleogene: a marine perspective. J. Geol., 1993, 101: 191-213
Zachos J C, Stott L D, Lohmann K C. Evolution of early Cenozoic temperatures. Paleoceanography, 1994, 9: 353-387
(注:本“地球科学原理”系列,是根据廖永岩著,海洋出版社(2007年5月)出版的《地球科学原理》一书改编而来,转载者请署明出处,请不要用于商业用途)
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