中国东部表土总有机质碳同位素和长链正构烷烃碳同位素对比研究及其意义

中国东部较高空间分辨率表土总有机质(TOC)碳同位素, 以及从中抽提的来自陆生高等植物的具有明显奇偶优势的长链正构烷烃碳同位素, 具有一致的空间变化趋势和显著的正相关关系. 两者都在北纬31°~40°之间较为偏正, 而在该区域以北和以南都较为偏负, 这一结果与中国东部表土植硅体碳同位素研究结果是一致的, 共同指示了中国东部地区北纬31°~40°之间区域的水热组合条件较适合C₄植物的生长. 来自华北同一研究地点相同植被类型(草地)下的12个表土, 其总有机质碳同位素和长链正构烷烃碳同位素变化幅度都很小, 两者之间的差异也很稳定. 这些研究结果说明, 在中国东部地区, 表土TOC碳同位素和长链正构烷烃碳同位素可以同等有效的作为上覆植被中C₃/C₄植物比例的指示器. 同时, 中国东部表土两类碳同位素的对比表明, -22‰和-32‰可以作为纯C₄和纯C₃植被下表土长链正构烷烃碳同位素组成的端元值(C27, C29, C31加权平均值)而应用于估计历史时期C4植物的相对生物量贡献.     

正构烷烃分子化石与孢粉记录的指示意义对比: 以华南地区为例

以我国华南地区高分辨率湖相-泥炭交互沉积序列为例, 开展正构烷烃分子化石与孢粉记录的对比研究, 探讨和分析了它们之间的异同性及其可能原因. 结果表明, 分子化石与孢粉不能完全对应起来, 其难以像孢粉一样能鉴别出具有不同生态意义的生物科属, 主要记录原地植被的变化过程, 而孢粉反映的是区域性植被的平均信号. 分子化石在植被种属的明确解释上可能要部分依赖于孢粉, 反过来分子化石也有助于提高孢粉分析中科属种的鉴定能力. 分子化石对细节变化的敏感度要优越于孢粉, 其正构烷烃C₃₁/(C₂₇+C₂₉+C₃₁)等指标显著地捕捉到了H1, B/A, YD事件, 以及约9850~9585和8590~7920 cal a BP两次早全新世的干凉事件, 这些事件可与周边地区环境变化格局对应, 响应了区域环境变化和全球气候突变事件. 通过这一实例的对比研究, 说明分子化石与孢粉的相互结合, 可弥补二者之间的不足, 有效验证和提高恢复气候、植被演化的分辨率和准确性.     

南海北部MD05-2904沉积柱状样26万年以来表层海水温度及陆源生物标记物记录

对南海北部MD05-2904沉积柱状样26万年以来的高分辨率分子有机地球化学记录进行报道. 通过U^k’₃₇方法所获取的古表层海水温度(SST), 最低21.5℃(MIS 2), 最高达28.3℃ (MIS5.5期), 是目前南海北部时间最长、分辨率最高的古温度记录. 烷烃总量及其堆积速率和烷烃参数碳优势指数(CPI)、平均链长(ACL)和C₃₁/C₂₇比值都具有明显的冰期高、间冰期低的趋势. 烷烃总量及其堆积速率的变化揭示陆源输入物质主要由海平面变化控制: 冰期时, 海平面下降, 陆架出露, 河流输送到陆坡的陆源物质增加; 间冰期时则情况相反. 烷烃参数CPI显示, 冰期时本区沉积的烷烃更能反映当时植被特征, ACL和C₃₁/C₂₇指示冰期时烷烃源区植被中草本含量增加, 间冰期时草本含量降低. MIS 3后期烷烃总量, CPI, ACL及C₃₁/C₂₇比值几个参数均出现最高值, 显示这是一个特殊时期, 最有可能是此时东亚夏季风增强, 使得南海北部陆地区比较潮湿, 植被茂盛引起.     

陇西黄土高原秦安地区全新世植被的讨论

前人曾报道黄土高原西部甘肃秦安地区全新世中期气候湿润, 湿地广泛分布, 发现以松属为主的针叶树花粉可高达80%以上, 推断当地发育森林植被. 依据前人报道的全新世湿地-冲积黄土剖面并补充了典型全新世黄土-古土壤剖面, 开展了分子标志化合物组分的研究, 发现所有样品正构烷烃的高碳数部分均具有显著的奇偶优势, 并且以表征草本植物的正构烷烃C₃₁为主峰, 且C₂₇, C₂₉, C₃₁这三个有机分子中C₂₇的含量最低(C₂₇2931), 与研究区草原植被现代表土结果一致, 而与以C₂₉为主峰的森林草原现代表土结果有别, 也不同于当地现代松科植物以C₂₉为主峰的正构烷烃分布模式, 表明研究区全新世以草原植被为主, 并非前人报道的森林植被. 研究说明, 若将孢粉和分子标志化合物指标有机结合, 可以弥补因孢粉传播等带来的古植被重建方面的问题, 更好地解释植被变化.     

环北太平洋地区现代植被中C3/C4植物相对丰度与气候条件关系研究

按照一个统一的方法, 即以−24‰和−14‰作为纯C₃和纯C₄植被下表土总有机质碳同位素组成(δ¹³CTOC)的端元值, 利用来自环北太平洋地区的中国东部、澳大利亚以及北美大平原地区的表土δ¹³CTOC 数据, 估算了这3个区域现代植被中C₃和C₄植物的相对生物量贡献比例, 并和这3个区域相应的主要气候因素(年均温和年降水量)进行了对比, 进而探讨了现代植被中C₃/C₄植物相对丰度与气候条件之间的关系. 结果表明, 温度条件对C₄植物生物量贡献具有决定性影响; 然而, 即使温度条件满足C₄植物生长的需要, 随着温度的进一步上升, 降水量应相应的下降, C₄植物方能保持其优势地位. 这一结果与对现代C₄植物种属地理分布调查获得的结论基本是一致的. 从而, 这一结果为上述区域过去地质历史时期C₃/C₄植物相对丰度变化记录的古环境解译提供了重要的参考资料.     

黄土高原中部晚第四纪以来植被演化的元素碳碳同位素记录

黄土高原地质历史时期原生植被类型, C₃/C₄植物的时空演化规律等, 一直是黄土研究中争论较多的问题, 而黄土剖面元素碳碳同位素(δ¹³Cec)记录可能为植被演替变化提供新的依据. 元素碳(EC)是植被不完全燃烧的产物, 其碳同位素较先体植被变化很小, 从而可利用δ¹³Cec记录反演植被变化. 采用化学氧化法提取黄土高原中部灵台剖面黄土-古土壤序列中的EC物质, 并进行δ¹³Cec分析. 结果表明, 该地区为C₃, C₄植物混合植被类型, 大多数时段以C₃植物为主. 晚第四纪以来, 黄土高原C₃, C₄植物变化可能并不遵循简单的冰期-间冰期旋回变化模式, 而是呈现波动变化: L4时期C₃植物逐渐增多, S3时期C₃植物较多; L3~L2时期C₄植物增多; S1~S0时期C3植物再次增多. 在古土壤发育时期中, S3, S1时期C₃植物较多, S2和S0时期C4植物相对较多. 在黄土堆积时期中, L4和L1时期C₃植物较多, L3和L2时期C₄植物相对较多. 在冰期-间冰期旋回尺度上, δ¹³Cec揭示的植被变化与孢粉资料得到的结果较为一致; 与有机碳碳同位素(δ¹³Corg)所揭示的植被变化仅在末次冰期以来的时期较为一致.     

长链正构烷烃主峰碳数作为判别草本和木本植物指标的讨论: 来自表土和现代植物的证据

对我国范围内上百个表土的长链正构烷烃研究结果进行了总结(其中62 个为本项研究所获得), 发现尽管上覆的现代植被类型具有很大差别, 但表土中高等植物来源的长链正构烷烃主要以n-C₂₉ 和n-C₃₁ 为主峰. 同时, 对文献中报道的超过300 种现代植物长链正构烷烃研究结果的统计表明, 无论木本植物、草本植物还是灌木植物, 其长链正构烷烃同样主要以n-C₂₉ 和n-C₃₁ 为主峰. 综合对现代植物以及表土研究结果的分析, 认为表土中长链正构烷烃分子分布特征与来源植被之间的关系受多种因素的影响, 较为复杂, 两者之间的关系很难用一种简单的模式来确定.     

南极乔治王岛菲尔德斯半岛湖相沉积物的分子有机地球化学特征

报道了南极乔治王岛菲尔德斯半岛湖相沉积物的分子有机地球化学特征．冻土湖沼沉积物的正烷烃往往以C₂₃为其主峰,源自于苔藓植物有机质的优势输入;南极乔治王岛湖相沉积物中富含异构和反异构脂肪酸,反映沉积区的细菌作用较强;脂肪酸C_18:2/C_18:0与甾醇ACI指标的剖面相关性,表明 C_18:2脂肪酸源自内生藻类．脂肪酸C_18:2/C_18:0比值的剖面变化反映区内11/9和3 kaBP气温较低;首次在南极淡水湖盆沉积物中检出长链不饱和酮化合物,推测其生源为定鞭金藻属藻类,其高C_37:4相对含量与南极严寒气候对应．     

2002年华北沿海特大沙尘单体长链正构烷烃的碳同位素组成

利用气相色谱/质谱(GC/MS)和气相色谱/同位素比值质谱(GC/IRMS), 就2002年春季华北沿海青岛两次特大沙尘长链正构烷烃的单体碳同位素组成进行了分析和研究. 结果显示典型植物蜡源正构烷烃(C29和C31)单体碳同位素组成比典型人为源汽车尾气部分(C₂₁~C₂₃)明显偏轻. C₂₉非沙尘期碳同位素组成为－30.3‰ ~－31.9‰, 平均为－30.5‰; 特大沙尘期为－31.1‰ ~－31.5‰, 平均为－31.3‰. C₃₁非沙尘期碳同位素组成为－31.1‰ ~－33.0‰, 平均为－31.4‰; 特大沙尘期为－31.3‰ ~－32.6‰, 平均为－31.7‰. 研究区特大沙尘中的植物蜡主要来源于草本植物由长程输送而来, 本地源植物蜡主要来源于落叶植物和木本植物. 华北沿海特大沙尘期的植物蜡83.3%为C₃植物的贡献, 非沙尘期C₃植物对植物蜡的贡献可占80.0%, 表明现代气候环境下, 东亚沙尘向中国近海及西北太平洋输送的植物蜡主要源于C₃植物. 长链正构烷烃的分子和分子-同位素组成可作为东亚沙尘及西北太平洋沉积物中陆源有机质物源识别的有效指标.     

墨西哥湾北陆坡区冷泉碳酸盐岩脂肪酸及碳同位素特征

对墨西哥湾北部水深约540 m的上陆坡GC185区(GC-F样品)和水深约2200 m的下陆坡AC645区(AC-E样品)冷泉碳酸盐岩中的脂肪酸及其单体化合物的δ¹³C进行了分析. 在AC-E和GC-F冷泉碳酸盐岩样品中检测到了30多种脂肪酸化合物, 均以主峰碳为C₁₆的低碳数(<C₂₀)脂肪酸为主, 具偶碳优势, 主要包括正构脂肪酸、异构(i-)/反异构(ai-)脂肪酸以及带支链的(iso/anteiso)奇碳数脂肪酸. 其中n-C_12:0, n-C_13:0, i-C_14:0和n-C_14:0具有明显偏低的δ¹³C值(39.99‰~32.36‰), 可能来源于冷泉生物. n-C_18:2和C_18:1△⁹具有相同的碳同位素值, 可能来源于冷泉渗漏区贝氏硫细菌属/辫硫菌属. 支链奇碳数脂肪酸(iso/anteiso-C₁₃~C₁₇)具有特别负的δ¹³C值(63.95‰~44.17‰), 明显不同于其他类别脂肪酸的碳同位素值, 推断这类化合物是海底渗漏区甲烷厌氧氧化过程中的硫酸盐还原细菌生命活动的产物.     

青藏高原西南部湖泊沉积正构烷烃及其单体δD的气候意义

对青藏高原西南部-南部3个不同气候区9个湖泊的表层沉积物正构烷烃及其单体氢同位素分布特征进行了分析,并与流域植被的正构烷烃和气候要素进行了对比.结果表明,湖泊表层沉积物的n-C23主要来自水生植物,n-C27~n-C33来自陆生高等植物.湖泊表层沉积物正构烷烃n-C27~n-C33平均碳链长度(ACL27~33)与年均降水量正相关.陆生植物来源的高碳链n-C29和n-C31氢同位素比值分布范围分别为-169‰~-214‰和-185‰~-226‰,与年均降水量反相关,但与大气降水的年均-D变化一致,且n-C31的-D值与生长季节(5~9月)大气降水平均-D值相关性较强(R2=0.74).水生植物来源的n-C23的-D值较陆生n-C31偏高(平均约27‰),体现了青藏高原西南部-南部干旱-半干旱地区湖水由于强蒸发作用引起的较大气降水富集-D值的特点.-n-C25~31/p(高碳链表观分馏)平均值为-95‰,较欧洲湿润地区明显偏高(-128‰),其中εn-C31/p约为-116‰(SD=9较恒定,进一步说明湖泊表层沉积物n-C31对于环境变化具有较好的指示作用.     

应用GC-IRMS技术测定气源岩热解产物中轻烃的碳同位素组成

采用玻璃管真空热解方法，并结合色谱／同位素比值质谱(GC-IRMS) 技术对气源岩热解产物中轻烃碳同位素进行测定．热解产物中大量CO₂的存在对CH4碳同位素组成的测定具有明显干扰，初始温度设为－40℃能够有效排除CO₂对δ¹³C_CH4测定的影响；另外，加大进样量（二次进样）或通过NaOH溶液吸收CO₂有助于C₂₊轻烃组分δ¹³C的测定．通过采取上述措施可以获得热解产物中 C₁~C₇轻烃的碳同位素组成，对气／源对比以及天然气成因的研究具有重要的意义．     

青海湖现代沉积速率空间分布及沉积通量初步研究

考察了青海湖表层沉积物¹³⁷Cs活度及通量时空分布, 建立了湖泊沉积速率空间分布模式. 青海湖河口/岸边区域沉积物¹³⁷Cs通量高, 但平均¹³⁷Cs活度低; 湖中心区域¹³⁷Cs通量低但平均活度高. 河口/岸边区域沉积速率高, 沉积物陆源组分(如SiO₂, Fe₂O₃, Ti等)的含量及通量高. 湖中心区域沉积速率低, 化学/生物沉积组分(如次生碳酸盐)含量高. 因此, 决定青海湖沉积速率空间分布的主要因素是流域陆源物质的堆积速率. 根据本文获得的不同湖区沉积速率计算了青海湖平均质量堆积速率(0.0337 g•cm⁻²•a⁻¹), 并用Ca质量平衡方法检验了该平均值的合理性. 在此基础上, 估算了青海湖沉积通量及流域泥沙输入和大气粉尘对湖泊沉积的贡献.     

青藏高原干旱区湖泊正构烷烃氢同位素记录降水同位素

湖泊和海洋沉积物中正构烷烃氢同位素作为有潜力的古水文和古气候指标已经得到广泛应用,但是在干旱区由于蒸发强烈而严重影响正构烷烃氢同位素比值,因此其能否记录降水同位素变化受到质疑.本研究在青藏高原干旱区采集了21个湖泊表层沉积物(其中20个湖泊年平均降水量400 mm),发现其正构烷烃氢同位素(δD_(wax))与年均降水平均氢同位素(δD_(ann))呈现较强相关(r~2=0.84,P0.001),其与夏季降水平均氢同位素(δD_(sum))相关性更好(r~2=0.91,P0.001),说明降水是控制湖泊沉积物中正构烷烃氢同位素(δD_(wax))变化的主要因素,在干旱地区正构烷烃氢同位素(δD_(wax))仍然可以反映降水氢同位素(δD_p)信息.本研究中湖泊表层沉积物正构烷烃和降水之间的氢同位素表观分馏平均值(ε_(wax-p))为-113‰,较湿润地区偏正,可能是由于干旱区蒸发强烈引起.因此沉积正构烷烃氢同位素(δD_(wax))可以作为夏季降水平均氢同位素(δDp)的替代指标,记录夏季风强度和古水文变化.     

西藏纳木错湖芯正构烷烃及其反映的8.4 ka以来的环境变化

采用索氏抽提法提取纳木错NMLC-1孔湖芯沉积物中的正构烷烃, 利用GC/MS进行了测试. 在已经建立的深度-年代曲线基础上, 通过分析正构烷烃的组成与含量, 结合TOC, TN和CaCO₃等环境代用指标, 重建了纳木错湖区约8.4 ka以来的环境变化历史. 结果表明: 约8.4~6.7 ka BP期间, 环境较温暖, 降水呈增加趋势, 末期变冷干. 约6.7~2.9 ka BP期间可分为两个亚期, 早期温暖湿润, 至6.0 ka BP左右达到环境最适宜期; 晚期温度波动降低, 陆生植被和沉水植物退化, 以3.0 ka BP左右的冷事件结束. 约2.9 ka BP~现在, 冷暖交替, 1.4 ka BP左右开始趋于干燥, 600~400 a BP间的降温体现了小冰期特征.     

灵台红粘土-黄土剖面晚中新世以来钙质结核的碳同位素记录及其古植被指示意义

灵台红粘土-黄土剖面钙质结核的碳同位素记录表明:在东亚季风区,C₄植被至少在7.0Ma时已经存在;从4.0Ma开始,C₄植被逐渐扩张,但并未达到主导地位。与低纬地区相比,本区C₄植被的扩张滞后约3.0 Ma;晚中新世以来北美北纬37°以北地区C₄植被扩张要滞后于北纬37°以南地区,在东亚大陆区,此分界线似乎要更加靠南。从约2.0 Ma以来,黄土高原C₄植被又明显减少,这说明除CO₂含量和温度变化外,可能还有其他因素在对C₃/C₄植被的转换起一定作用。     

合同察汗淖(碱)湖沉积物中的长链不饱和酮及其古气候意义

我国内蒙古合同察汗淖 (碱 )湖浅层沉积物剖面中检出长链不饱和脂肪酮 .根据剖面中普遍存在的长链不饱和酮的组成和分布与以往文献报道的海洋沉积物中的具有相似性 ,推测其原始生物亦可能是金藻源 .研究发现 ,U^k'₃₇指数与自生钙、镁碳酸盐矿物的δ¹⁸O(‰ )值具有良好的对比性 ,从而说明长链不饱和酮指数U^k'₃₇对气候的指示作用也适用于碱性较强的高盐度湖泊环境     

柴达木盆地西部新生代盐湖相烃源岩中高支链类异戊二烯烃(C25HBI)的检出及其地质地球化学意义

发育于盐湖相环境的柴达木盆地西部第三系渐新统下干柴沟组是该盆地西部地区的主力烃源岩层. 在该组上段沉积有机质中检出了硅藻的特征性生物标志化合物——含25 个碳原子的高支链类异戊二烯烃(C₂₅HBI), 该化合物的检出对于揭示区域沉积有机质发育的生物地球化学背景具有重要意义. 研究结果表明, 柴达木盆地西部地区下干柴沟组上段烃源岩中的C₂₅HBI 碳同位素值介于-18‰到-20‰之间, 为典型硅藻生源特征. 由于沉积环境中硅藻生长在大量消耗水体溶解CO₂ 的同时, 必须利用无机碳酸盐碳才能维持其快速繁殖, 硅藻勃发代表了水体环境富营养、高生产率特征, 因此富重碳同位素C₂₅HBI 在沉积有机质中的检出有可能成为该地区优质烃源层发育的标志之一. 同时, 由于硅藻发育环境水体溶解CO₂处于胁迫状态, 将导致沉积有机质总体以富集¹³C 为特征, 可能是造成该地区第三系沉积有机质碳同位素偏重的原因之一. 作为该套烃源岩沉积有机质的生源之一, 硅藻生源高碳数正构烷烃(>n-C₂₅)具有无碳优势分布的特点, 使得该地区高碳数正构烷烃的生源和成因复杂化,在烃源岩有机质评价时应引起重视.     

硫酸盐型盐湖中的长链烯酮及古环境意义

研究了我国内蒙古、新疆和青海的9个硫酸盐型盐湖表层(0~10 cm)沉积物中的长链烯酮. 除干盐湖罗布泊外, 其他8个盐湖的沉积物中均检测出长链烯酮. 分析结果表明硫酸盐型湖泊中可能广泛存在长链烯酮. 多数湖泊现代沉积物中长链烯酮丰度变化顺序是C₃₇ > C₃₈ > C₃₉ > C₄₀. 通过对咸水湖、盐湖沉积物中长链烯酮不饱和度与湖区多年春、夏、秋、冬和年平均温度关系的分析, 发现咸水湖和盐湖中长链烯酮不饱和度()与湖区年平均温度相关性最好, 相关系数为0.88(R² = 0.88). 湖泊水体温度对长链烯酮不饱和度的控制机制可能与海洋中的相似, 可能会成为利用湖泊沉积物重建古温度的重要替代指标.     

现代土壤中含季碳支链烷烃的分布特征及环境意义

利用色谱质谱(GC-MS)技术对中国及蒙古国不同气候区的26个深约20 cm表层土壤中的类脂物进行了系统分析. 讨论了在现代土壤中首次发现的含季碳的支链烷烃系列化合物, 如5, 5-二乙基烷烃、6,6-二乙基烷烃、5-丁基, 5-乙基烷烃和6-丁基, 6-乙基烷烃等. 它们每个系列都只有奇碳或偶碳分布, 明显指示生物来源, 其碳数分布具有协变性. 其中5,5-二乙基烷烃的分布同正构烷烃一样具有规律性的空间变化趋势, 与气候和植被的空间分布有很好的一致关系. 在湿热的东南和西南地区其低碳数组分占优势, 主峰基本上为C₂₁或C₂₃; 而在寒冷干旱的西北地区及蒙古国高碳数组分丰度较高, 主峰基本上为C₂₉. 研究结果证明: 和正构烷烃的SC₂₁^-/SC₂₁⁺一样, 5,5-二乙基烷烃的高低碳数分布优势作为一个新的独立指标, 可以敏感地指示土壤生态和气候的变化.