甘肃西峰黄土-古土壤剖面的碳酸盐与有机碳的碳同位素差值(Δδ13C)的变化及其古环境意义

选取位于黄土高原中部的甘肃西峰剖面作为研究对象, 分析了该剖面末次间冰期以来土壤有机碳和全岩碳酸盐的碳同位素组成变化. 该剖面的土壤有机碳同位素组成(δ¹³C_SOM)变化范围为−23.8‰~−20.2‰, 间冰期偏高, 冰期偏低. 全岩碳酸盐的碳同位素组成(δ¹³C_TC)变化范围为−8.5‰~−3.6‰, 但总体显示出与δ¹³C_SOM值相反的变化趋势, 即δ¹³C_TC值在冰期偏高, 而在间冰期偏低. 土壤无机碳酸盐碳同位素与有机碳同位素的差值(Δδ¹³C)的变化范围为14.1‰~19.4‰, Δδ¹³C值的大小反映了源区原生碳酸盐物质在全岩碳酸盐中所占相对比例的多少. 据此, 计算了西峰剖面源区碳酸盐的贡献: 在黄土沉积阶段, Δδ¹³C值较大, 源区碳酸盐与次生碳酸盐的相对比例最高可达6:4; 而在古土壤(弱古土壤)阶段, Δδ¹³C值较小, 原生碳酸盐物质的相对比例低. 同时, 由于风尘颗粒包含了原生碳酸盐物质, 研究认为黄土沉积中的Δδ¹³C值变化指示了粉尘对黄土高原的贡献程度.     

食物控制的陆生蜗牛碳同位素组成

陆生蜗牛壳体化石碳酸盐(文石, CaCO₃)稳定碳同位素组成已被用于解释过去古植被C₃/C₄光合作用类型的变化, 但是蜗牛壳体碳同位素组成是否取决于其食物碳同位素组成一直是争议的问题. 对黄土高原等地现生蜗牛软体躯干有机碳和壳体文石无机碳同位素组成测量表明, 壳体文石无机碳同位素δ¹³C_a分布范围为-13.1‰ ~ -4.3‰; 对应的软体躯干有机碳同位素δ¹³Corg分布范围为-26.8‰ ~ -18.0‰, 两者之间存在显著的相关关系(δ¹³C_a = 1.021 δ¹³C_org + 14.38; R = 0.965; N = 31), 壳体文石¹³C相对于躯干平均富集(14.2 ± 0.8)‰. 由于蜗牛软体和食物碳同位素组成一致, 这样结果表明黄土高原陆生蜗牛壳体碳同位素组成可以反映其食物的同位素特征和潜在生态背景. 进而认为: (1)蜗牛碳酸盐壳体中的碳主要来自于蜗牛代谢(呼吸)作用产生的CO₂; (2) 蜗牛休眠、壳体封闭时期壳内CO₂与体液HCO₃^-之间碳同位素处于平衡分馏状态; 蜗牛活动时期CO₂的释放, 壳体文石形成, 碳同位素动力分馏作用发生, 导致壳体文石¹³C富集程度显著高于同位素平衡分馏值.     

利用稳定氮和碳同位素分析渤海湾食物网主要生物种的营养层次

本研究利用稳定氮和碳同位素比值构建了渤海湾食物网主要生物种的营养层次. 其中, δ¹³C值范围为-25.38‰~-11.08‰, 并且在水生生物体内没有稳定的富集现象, 梭鱼的生活习性(洄游经济鱼种)和食性可能导致其δ¹³C值明显高于其他鱼种. δ¹⁵N值范围为4.08‰~13.98‰, 随营养层次升高有明显富集趋势, 富集因子为3.8‰. 利用δ¹⁵N建立了稳定同位素比值与营养层次的关系模型, 预测出浮游动植物、无脊椎生物、鱼类和海鸟的营养层次分别为1.46~2.10, 1.91~3.32, 2.55~4.23和2.98~4.28.     

陡山沱期古海水的硫和碳同位素变化

利用从碳酸盐岩中提取微量硫酸盐的方法, 实现了扬子地区陡山沱组海相碳酸盐岩地层连续的硫和碳同位素组成测定. 未受成岩作用改造的同一样品的硫和碳同位素分析结果能够同时给出扬子地区陡山沱期古海水的硫和碳同位素组成. 获得的高分辨率陡山沱期硫酸盐的硫同位素年代曲线可能反映了“雪球地球”事件之后全球古海洋的硫同位素变化趋势, 它与同时期的碳同位素年代曲线变化相似. 陡山沱期早期古海水的δ³⁴S值出现超过20‰的正漂移, 同期δ¹³C值也出现高达10‰的正漂移, 使古海水的δ³⁴S值和δ¹³C值分别达到+46.4‰和+6.9‰的高值. 在陡山沱期中期古海水的δ³⁴S值的变化幅度相对较小, 对应于较高的δ¹³C值. 随后, 古海水的δ³⁴S值呈现较强烈的振荡, δ¹³C值也有类似表现. 在陡山沱期末期海水的硫和碳同位素都出现了大幅度的负漂移, δ值分别降到-10.1‰和-5.7‰. 扬子地区陡山沱期古海水的硫和碳同位素组成与变化意味着南沱冰期之后的海洋环境发生了急剧变化, 环境十分有利于生物繁衍与活动, 那时的生物产率和有机碳埋藏速率曾达到很高的水平. 不过, “雪球地球”之后的环境并不稳定, 全球的气候与环境可能都曾发生过波动与反复. 发生在陡山沱末期海水的硫和碳同位素的负漂移是一次全球性事件, 可能与深部海水氧化有关.     

沉积物的单体异构和环烷烃碳同位素研究

对抚顺油页岩中异构和环烷烃进行了分离, 研究了单体碳同位素组成特征, 探讨了其生物地球化学意义. 结果表明, 使用5Å分子筛长时间冷络合的方法, 使其饱和烃中异构和环烷烃与正构烷烃完全分离, 满足了GC-IRMS的分析要求. 异构和环烷烃单体碳同位素组成指示了它们主要来自养光合藻类、化学自养细菌(δ¹³C值为−33.4‰~−39.0‰)和甲烷自养细菌(δ¹³C值为−38.4‰~−46.3‰), 只有高碳数2-甲基-异构烷烃δ¹³C值反映了高等植物的成因. C₃₀ 4-甲基甾烷碳同位素组成最重(δ¹³C值为−22.4‰), 表明其先质甲藻所利用的碳源或生长条件有所不同. 藿烷异构体之间δ¹³C值的变化规律说明它们异构化过程中富集¹³C的先质优先被异构化. 对甲烷自养细菌成因藿烷的认识揭示了有机质的生物地球化学强烈改造作用和有机碳的循环过程.     

广西桂林垌村上泥盆统碳同位素正偏移与全球一致性的记录

目前的研究显示, 欧、美等大陆晚泥盆世地层中普遍存在碳同位素δ¹³C的正偏移, 这种偏移已被推测为全球海洋有机碳埋藏速率快速增加的结果, 并与晚泥盆世弗拉阶(Frasnian)-法门阶(Famennian)之交发生的生物集群灭绝事件(简称F-F事件)密切相关. 华南上泥盆统是研究F-F事件理想地层之一, 其中是否存在δ¹³C正偏移, 直接关系到全球范围内是否存在与F-F事件有关的有机碳埋藏增强的问题.对广西桂林垌村具有生物地层控制的晚泥盆世剖面进行了高分辨率的碳酸盐稳定同位素分析, 结果表明: δ¹³C在F-F转换时期总体呈逐步增加趋势, 这种趋势由两次明显的d13C正偏移组成: 第1次正偏移出现在linguiformis带的底界, δ¹³C增加幅度达1.5‰; 第2次正偏移出现在triangularis/linguiformis带(F-F)的界线, 增幅达2.1‰. 与世界其他地区的同位素记录对比发现, 在生物地层时限上, 垌村剖面第1次出现的δ¹³C正偏移较晚, 而发生在F-F界线的第2次正偏移, 无论在生物地层上还是在变化幅度上都是基本一致的, 支持F-F时期全球性的有机碳埋藏增强的观点.     

东非大裂谷埃塞俄比亚段内C3植物叶片δ13C和δ15N及其环境指示意义

在中国科学探险协会的资助下, 对东非大裂谷埃塞俄比亚段内不同区域植物叶片稳定碳(δ¹³C)和氮(δ¹⁵N)同位素比率进行了分析, 探讨了植物叶片δ¹³C和δ¹⁵N的分布特征及其与环境要素之间的关系. 结果表明在冷湿环境下C₃植物叶片δ¹³C的平均值为(-26.7±0.4)‰; 温暖湿润环境下为(-29.7±0.6)‰; 干热环境下为(-26.9±1.2)‰. 植物叶片δ¹⁵N的分布区间为(-1.4±1.7)‰~(14.3±0.1)‰, 生长在干燥炎热环境的植物表现为较高的δ¹⁵N, 温暖湿润环境的δ¹⁵N居中, 高海拔冷湿环境植物δ¹⁵N最小. 植物叶片δ¹³C和δ¹⁵N之间的关系型可分为3类: 分别代表寒冷湿润、温暖湿润和干燥炎热的生长环境, 反映了植物生长环境的异质性. 植物δ¹⁵N与年均降雨量和海拔均为极显著负相关(P < 0.001); 与年均温度显著正相关(P < 0.01). 年降雨量每增加100 mm, 海拔每增加1000 m, 植物δ¹⁵N分别偏负1.0‰和2.0‰; 年均温度每增加1℃, δ¹⁵N平均值则偏正0.5‰. 降水和温度与氮同位素存在相关关系, 解释方差分别为53.6%和31.8%, 因此降水和温度对C₃植物氮同位素分馏起主要作用. 植物δ¹³C与年均温度呈弱正相关关系, 但与年平均降水和海拔的关系均表现为二次曲线型. 当降雨量低于1019.3 mm, 海拔低于2400 m时, δ¹³C随降雨量和海拔的增加而偏负, 而当降雨量与海拔高于此值时, δ¹³C随二者的增加而偏正. 研究结果说明海拔变化引起水热条件的改变对植物碳同位素分馏的影响存在一个转换点.     

新疆柯坪地区新元古代晚期地层碳同位素组成及其对比

新疆柯坪地区新元古代晚期海相碳酸盐岩地层的碳同位素测定结果表明: 奇格布拉克组和苏盖特布拉克组上亚组碳同位素组成总体以正δ¹³C值为主, 并且在奇格布拉克组下部出现了一个明显的 δ¹³C正漂移; 在寒武系与奇格布拉克组之间、苏盖特布拉克组上亚组顶部及底部等3个层位出现了3个δ¹³C负漂移. 这些特征与华南三峡地区新元古代晚期碳同位素变化特征相似, 表明苏盖特布拉克组上亚组和奇格布拉克组分别相当于三峡地区的陡山沱组中、上部和灯影组. 其中苏盖特布拉克组上亚组顶部的δ¹³C负漂移对应于三峡地区陡山沱组顶部的负漂移, 而苏盖特布拉克组上亚组底部的δ¹³C负漂移可同陡山沱组中部以及库鲁克塔格地区汉格尔乔克组冰碛岩顶部的δ¹³C负漂移对比.     

大别-苏鲁变质岩锆石微区氧同位素特征初探:离子探针原位分析

对大别-苏鲁高压-超高压变质岩地区包括榴辉岩等8个不同岩性的变质岩石中锆石进行了151次微区原位氧同位素分析, 结果表明存在明显的氧同位素不均一性, 不同岩石中锆石的δ ¹⁸O值变化范围从 -8.5‰到+ 9.7‰, 同一岩石不同锆石颗粒间δ ¹⁸O值差异达2‰~12‰, 在离子探针测定精度范围内, 没有观察到原岩岩浆(残留)锆石和变质增生(重结晶)锆石之间明显的氧同位素组成差异, 表明在高压-超高压变质作用中变质锆石基本上继承了原岩锆石的氧同位素组成. 研究发现, 根据变质岩的原岩时代, 可以把锆石氧同位素分成2组, 一组原岩年龄在19~27亿年, δ ¹⁸O值约为6‰~7‰, 另一组原岩年龄为7~8亿年, δ ¹⁸O值在0~2‰. 后者明显偏低的氧同位素组成表明, 在形成高级变质岩的原岩岩浆中有明显的大气降水氧同位素组成的卷入, 它可能和晚前寒武纪我国华南和全球范围雪球事件有关.     

好氧生物降解中烷烃单体稳定同位素分馏及其环境意义

通过气相色谱(GC-FID)监测了在好氧条件下微生物(石油降解菌GIM2.5和白腐菌Phanerochaete chrysosporium-1767)对正十二烷、正十五烷、正十六烷、姥姣烷、正十八烷以及正二十四烷烃等石油及其制品的常见组分以及原油样品的降解. 用色谱-同位素质谱(GC-IRMS)分析了降解过程中烷烃及原油中正烷烃组分(C₁₃ ~ C₂₅)的单体稳定碳、氢同位素组成. 结果发现, 在好氧微生物作用下, 上述烷烃的稳定碳 (δ ³C)、氢同位素(δ D)都较为稳定, 其同位素值变化基本上介于仪器的精确度以内, 尤其是nC₁₆以上正烷烃. 烷烃化合物δ ¹³C和δ D的稳定性和特定性可用于追索表生环境中石油类污染物的来源, 特别是当污染物风化严重, 常规的化学指纹技术难以明确判识时, 稳定同位素指纹(δ ¹³C和δ D)有望成为有效的环境污染源指示剂.     

杭州市大气PM2.5中有机碳元素碳的同位素组成

为了探讨杭州市区大气细颗粒物(PM2.5)中有机碳(OC)和元素碳(EC)的来源, 以离线分步加热法氧化提取了PM2.5中的OC和EC, 用质谱仪测量了两者的碳同位素组成. 分析结果显示, 春、夏、秋、冬4个季节的δ¹³C_OC平均值分别是-52.8‰, -48.1‰, -50.0‰, -52.5‰, 总平均值为-50.9‰ (-85.0‰ ~ -35.6‰). δ¹³C_EC在相应季节的平均值分别是-26.4‰, -26.9‰, -26.7‰, -25.9‰, 总平均值为-26.5‰ (-30.5‰ ~ -23.8‰). 表明杭州市区大气PM2.5中OC和EC的碳同位素组成有很大的差别. d 13COC值普遍偏轻, 变化幅度大. 春、冬两季δ¹³C_OC值最轻, 秋季次之, 夏季相对最重. δ¹³C_EC值普遍偏重, 变化幅度小, 4个季节的平均值基本一致.     

2 ka来苏干湖沉积碳酸盐稳定同位素记录的气候变化

选择位于柴达木盆地北缘的苏干湖作为研究对象. 利用²¹⁰Pb, AMS ¹⁴C以及常规¹⁴C等测年手段, 建立了苏干湖沉积岩芯2 ka以来的时间序列. 对湖泊沉积细颗粒中的碳酸盐进行碳、氧同位素分析. 结合流域地表水δ¹⁸O值的变化以及气温观测资料, 认为碳酸盐δ¹⁸O值指示了流域有效湿度的变化; δ¹³C值的变化与湖泊年内冰封湖面时期的长短有关, 间接指示了区域冬半年气温的变化. 在此基础上, 建立了2 ka来苏干湖地区气候变化序列, 其气候变化过程经历了5个阶段: 0~190 AD, 暖干; 190~580 AD, 冷干; 580~1200 AD(MWP), 暖干; 1200~1880 AD(LIA), 冷湿; 1880~1950 AD期间为冷干气候, 20世纪50年代以来, 气候变暖. 碳同位素反映的2 ka以来冬半年气温的变化与历史文献记录以及其他地质记录有很好的一致性, 表明苏干湖同位素记录的2 ka来气候变化具有普遍意义.     

墨西哥湾沉积物中PMID系列生物标记物及其碳同位素组成

在墨西哥湾海底沉积物中检测到一组含有1~5个不饱和双键、不规则2,6,10,15,19-五甲基二十烯烃(PMIΔ)系列化合物, 其在色谱图上分布在nC₂₂ ~ nC₂₄之间. 这些化合物具有极负的碳同位素组成, δ ¹³C比值在&#8722;86.7‰ ~ &#8722;115.5‰之间, 而与其伴生的正构烷烃化合物碳同位素比值在&#8722;28.4‰ ~ &#8722;34.6‰之间. 这些化合物是海底甲烷古细菌厌氧氧化活动所产生的特征生物标志物, 指示着海底存在天然气渗漏或有天然气水合物的产出.     

海南岛万泉河口沉积环境演变

根据对柱样沉积物²¹⁰Pb定年及有机碳、硫和有机碳同位素含量分析, 研究万泉河口沉积环境演变. 硫和δ¹³C均自19世纪初期开始持续减少, 硫从1.92%逐渐减少到0.36%, δ¹³C从&#8722;20.63‰减少到&#8722;23.64‰. C/S比在20世纪之前一直很稳定, 处于0.47~0.80之间, 有机碳与硫呈正相关; 在此之后, C/S比急剧增加, 至表层为3.94, 硫的含量与有机碳的增加没有相关关系. 结果表明在19世纪之前万泉河口尚为开阔的海湾, 处于正常海洋环境,未形成被沙坝围封的泻湖, 海水能够直接出入. 19世纪初期开始, 随着玉带滩沙坝向北发育, 河口逐渐被围拦成泻湖型, 进入的海水量逐渐减少; 在19与20世纪之交, 水体已开始明显淡化, 发展成为今天近乎淡水的泻湖.     

南海北部大陆坡冷泉碳酸盐结核的发现:海底天然气渗漏活动的新证据

对在南海北部大陆坡新发现的冷泉碳酸盐结核进行了研究. 结果表明, 碳酸盐结核由含铁白云石、菱铁矿、少量文石和方解石以及非碳酸盐矿物针铁矿、石英和黏土矿物组成．含铁白云石和菱铁矿呈微晶结构, 显示了直接从冷泉流体中沉淀出来的特征.含铁白云石/菱铁矿的δ¹³C值为-18.24‰~-36.07‰, δ¹⁸O值为0.42‰~2.76‰, 中等亏损的¹³C表明碳来源于热解成因气或混合气, 是指示该海域存在甲烷冷泉的重要证据．结核表面分布有管状蠕虫遗迹, 蠕虫生活环境与冷泉流体的存在有关.半固结结核中分布有蜂状排溢孔和流体通道, 其未被碳酸盐或沉积物充填．研究表明, 碳酸盐结核区海底可能存在孔径为200~600 μm仍在喷溢的天然气微渗漏系统.     

甘肃武都万象洞滴水与现代石笋同位素的环境意义

初步研究了青藏高原与黄土高原过渡带的甘肃武都万象洞中滴水的氢氧同位素和洞穴现代石笋碳酸钙的氧同位素组成, 发现万象洞内滴水的δ¹⁸O_dw和δ D_dw位于全球降水同位素网数据建立的地方性大气降水线范围之内, 说明滴水δ¹⁸O_dw与降水δ¹⁸O有密切关系. 利用δ¹⁸O_dw和洞内中部到距洞口较远处的现代管状钟乳石下部的δ¹⁸O_mc数据和碳酸盐古温度等式计算的温度范围在8.9~12.4℃之间, 平均值为10.7℃, 其中计算出距洞口较远处8个位置的温度在10.1~12.4℃的范围之内, 平均值为11.5℃, 这个值与洞穴内的观测值(10.99℃)一致, 略低于当地年平均气温(14.4℃), 说明现代石笋形成在同位素平衡条件下, 它们的同位素组成可以近似地反映其洞外大气年均温度.     

大别-苏鲁造山带超高压变质岩原岩性质:锆石氧同位素和U-Pb年龄证据

对大别-苏鲁造山带榴辉岩和花岗片麻岩中的锆石进行了激光氧同位素分析、单颗粒U-Pb年龄测定以及阴极发光观察, 其中氧同位素分析样品覆盖面积达到大约20000 km². 结果表明, 大多数锆石具有大的岩浆成因核和窄的变质增生边, 岩浆成因核具有新元古代年龄(700 ~ 800 Ma); 氧同位素比值变化较大 (-10.9‰ ~ +8.5‰), 但是大多数具有比地幔锆石低的δ¹⁸O值. 由于锆石的氧同位素组成不受亚固相高温热液蚀变和麻粒岩相变质作用的影响, 因此这些低δ¹⁸O榴辉岩和花岗片麻岩的原岩分别为低δ¹⁸O的基性和酸性岩浆, 对应于扬子板块北缘与新元古代裂谷构造有关的双模式岩浆活动. 这种大面积新元古代低δ¹⁸O岩浆活动与Rodinia超大陆裂解和全球性冰川作用(雪球地球事件)具有准同时性, 因此具有一定的成因联系. 早期基性岩浆沿扬子板块北缘裂谷构造带侵位, 岩浆作为热源引起冰川融化并引起裂谷带内部地表水深循环和热液蚀变, 导致深部地壳酸性围岩和基性岩的氧同位素比值发生显著降低. 而水化岩石由于其熔点降低出现重熔, 结果产生了新元古代时期的扬子板块北缘的大面积双模式低δ¹⁸O岩浆活动, 然后从中结晶出低δ¹⁸O锆石. 因此, 大别-苏鲁造山带超高压变质岩中的大规模氧同位素负异常是从其原岩新元古代低 δ¹⁸O岩浆继承过来的, 其成因与Rodinia超大陆裂解、雪球地球事件和裂谷岩浆活动相耦合的高温大气降水热液蚀变有关.     

煤山二叠-三叠界线地层姥鲛烷相对富集及其碳同位素负偏的地球化学意义

对煤山P/Tr界线地层进行了分子及碳同位素地球化学研究, 给出了长兴组至殷坑组底部的异戊二烯烷烃分子及有机碳同位素地球化学剖面, 揭示了事件界线层附近存在着δ¹³C_kero与δ¹³C_mole的强烈变化及姥鲛烷相对富集的异常特征. 对界线附近姥鲛烷相对富集的成因提出一可能机制: 由相对富集姥鲛烷的海洋动物脂类及其代谢产物在某些特殊条件下(如动物集群快速绝灭及/或缺氧条件发育)得到保存并在有利相带聚集而形成. 对地质历史时期其它重要海洋缺氧沉积(与晚奥陶纪、泥盆纪末、早侏罗世及晚白垩世重要生物绝灭事件相关)富集异戊二烯烷烃及高Pr/Ph值的发现在一定程度上支持了上述关于P/Tr界线姥鲛烷富集机理的解释. 煤山剖面由24~26层δ¹³C_mole,δ¹³C_kero及δ¹³C_carb的一致性强烈负漂移, 指示了二叠纪末大气-海洋系统碳源在低幅快速变化的过程中存在一个陡然而强烈的变化阶段; 姥鲛烷相对富集与δ¹³C_mole及δ¹³C_kero负偏的耦合, 可能指示了甲烷水合物释放和海洋缺氧过程在二叠纪末生物大绝灭过程中的重要作用.     

西藏喜马拉雅冷杉年轮δ 13C与气候意义

对采自青藏高原东南部林芝地区的喜马拉雅冷杉进行交叉定年后, 分析了喜马拉雅冷杉年轮 δ ¹³C序列与气候要素之间的关系. 去除大气CO₂浓度升高导致大气CO₂中δ ¹³C下降和生长趋势的影响后, 建立树轮δ ¹³C值的残差序列Δ¹³C. 利用附近林芝气象站的气象资料, 分析了树轮Δ^{13C序列对气候要素的响应. 结果表明: 冷杉δ 13C的高频振荡与该地区前一年的9～11月降水和相对湿度存在较好的相关性, 并存在强的滞后效应. 通过建立回归方程重建了该区域的秋季(9～11)月相对湿度序列, 解释方差达37.9%. 重建相对湿度序列表明1800年前相对湿度变化周期较短、变幅较小, 1800～2000年则相反.}     

那曲河流域季风结束前后大气水汽中δ 18O变化特征

在青藏高原中部那曲河流域2004年8~10月收集了大气水汽样品. 研究结果表明, 该流域大气水汽中 δ ¹⁸O值存在一定的波动, 尤其在季风撤退前后, 波动最为显著. 而且大气水汽中δ ¹⁸O与露点温度的波动趋势是明显反向的. 降水事件对该流域大气水汽中δ ¹⁸O波动具有绝对的影响. 在整个大气水汽样品收集时段, 降水发生时, 大气水汽中δ ¹⁸O都为低值. 不同的水汽来源对该流域大气水汽中δ ¹⁸O具有一定的影响, 特别是强烈的西南季风活动带来的海洋性水汽导致该流域大气水汽中δ ¹⁸O出现相对低值, 而当该流域主要受大陆性水汽影响时, 大气水汽中δ ¹⁸O相对较高.