地球化学9ppt课件
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含碳 7×1016t，δ13C为0‰； 沉积物中的有机质
含碳 2×1016t，δ13C约为25‰； 地球内部原生碳
含碳9×1016t，δ13C为-5.5‰
环境地球化学
碳同位素在天然物质中的分配（以δ13C ） C：还原碳；CO2：氧化碳
第13页
第五节:碳酸盐研究与全球变化
海水与无机碳酸盐中的δ13C值均为0‰， 因此当碳酸盐从海水中沉淀出来时，不会影 响到海水原先的碳同位素值，即基本上不会 引起碳同位素的分馏作用。但当有机物质从 海水中析出时，由于两者相差悬殊，必然明 显地影响到海水中的δ13C值。
环境地球化学
第4页
第五节:碳酸盐研究与全球变化
4氧同位素应用
（l）查明地质时期海水古温度的变化趋势
通过生物氧同位素研究法确定了自晚白垩纪（约 7000万年前）以来全球气候有逐渐变冷的趋势。
Emiliani（1954）根据底栖有孔虫δ180值逐渐递增 的趋势，确定了自白垩纪以来，全球大洋深水平均温度 曾从13oC逐渐下降到目前的2oC左右。
环境地球化学
第8页
第五节:碳酸盐研究与全球变化
（3）建立大洋水柱的垂直温度梯度剖面
原理：
基于古代灭绝的浮游有孔虫也有类似于现生种那样的 分层生活的习性，利用生活在不同水深处的浮游有孔虫以 及栖息在不同洋底深度的底栖有孔虫进行系统的氧同位素 测定，从而重塑大洋某一时段自下而上温度结构的垂向剖 面，以了解古大洋水文结构中十分重要的古温跃层的深度 以及温度变化的梯度 。
南极海冰 大量形成
冰形
盖成
形
成
底栖有孔虫的氧 同位素测定值反 映新生代以来有 阶梯状逐渐变冷 的总趋势。
过去7000万年来，大洋深水（底栖有孔虫）氧同位素测定值 （标定的增量单位为1Ma ）
环境地球化学
第6页
第五节:碳酸盐研究与全球变化
太 平 洋 低 纬 度 表 层 水 温
据δ180值作出的7000万年以来大洋水温变化图
第五节:碳酸盐研究与全球变化
一、海相碳酸盐研究与全球变化 （－）氧同位素 古海洋学研究中，一般都用碳酸盐中的氧 同位素成分来研究古温度、古气候、古盐度 等环境要素。
环境地球化学
第1页
第五节:碳酸盐研究与全球变化
1．海水温度对δ18O的影响
碳酸钙从水溶液中沉淀出来进入生物壳体时，相互间发 生同位素交换反应，反应方程为：
由于在任何时候、任何地区，底栖有孔虫氧同位素 温度始终低于浮游有孔虫的氧同位素温度，表明大洋的 底层水系由高纬地区的表层水下沉扩散而来，所以，从 新生代底层水的这种变冷趋势可以推出高纬地区的表层 水以致大气圈也存在着逐渐变冷的趋势。
环境地球化学
第5页
第五节:碳酸盐研究与全球变化
南
北 半 球
极 冰 盖
冰期效应，在地质历史时期中可以造成大洋水体同位素成分的明 显变动。当δ18O值向正值偏移时，意味着冰期的到来，向负值偏 移代表着向间冰期的转化。这种冰期效应可以通过生物壳体在大 洋地层中留下明显的记录。
目前一般认为，当以 PDB为标准时，底水温度变化1oC时，相对于 δ180值0.26‰的变化；而δ180值0.1‰的变化相对于盐度0.2‰的 变化或间冰期海平面10m的变化。同位素测温的误差约在±0.1‰ 的范围内，对应于±0.5oC的温度变化。
环境地球化学
第3页
第五节:碳酸盐研究与全球变化
3．生命效应对壳体δ 180值的影响
生物在造壳过程中所吸取的氧同位素组分还受到生 物自身的生长速率、新陈代谢、光合作用等多种生命效 应的影响与干扰，即所谓“生物个体的分馏作用”。
只有当生物体内δ180值与海水的氧同位素达到平衡， 才可有效指示古海洋环境。有孔虫与软体动物壳体的 δ180值与海水基本保持平衡，因此常用来指示古海洋 环境。
环境地球化学
第9页
第五节:碳酸盐研究与全球变化
第三纪时期低纬度地区的垂直温度梯度变化图
环境地球化学
第10页
第五节:碳酸盐研究与全球变化
环境地球Biblioteka Baidu学
早上新世平均的δ018值与深水的标绘图
误差栅线代表±1标准偏差，编号为站位号
第11页
第五节:碳酸盐研究与全球变化
（二）碳同位素
1.自然界碳同位素的分布及其在生物中的分馏 作用
1/3CaCO316＋H2O18＝1/3CaC0318＋H2O16 当反应达到平衡时，其平衡常数与温度间有确定的关系， 即碳酸钙的氧同位素组成是温度的函数。温度升高时，相对 较轻的16O由于有较高的活性，易于迁移，在同位素交换反 应中将优先被吸收进生物壳体内，致使18O含量相对减少， δ180值随温度的上升而下降。 最适用于有孔虫同位素分析的关系式： t＝16.9－4.4(δs－δw)＋0.10(δs－δw)2 式中，δs：壳体中氧同位素值，δw：水体的氧同位素值
环境地球化学
南 大 西 洋 中 纬 度 表 层 水 温
南 大 西 洋 深 部 水 温
第7页
第五节:碳酸盐研究与全球变化
（2）揭示全球气候周期变化的趋势
经过修改综合的布容期古温度曲线
曲线特征显示：在70万年期间，清晰地显示出波长大体相 同、近十万年的周期变化；同时，δ180值的振幅十分相近， 具有相近的极大值与极小值。
环境地球化学
第2页
第五节:碳酸盐研究与全球变化
2.海水同位素组分对δ18O的影响—冰期效应与盐度效应
壳体同位素组分不仅受到海水温度的制约，而且还受到海水本身 同位素组分背景值的影响。但从总体上来说，在开放性的大洋环 境中，由于大洋环境的搅混与调节作用，盐度的变动极微，引起 同位素组分的变动甚小（仅1‰的幅度），因而不是主要的影响因 素。
环境地球化学
第14页
第五节:碳酸盐研究与全球变化
地球表面碳同位素的分馏作用主要是由植物的光合 作用引起。
海生和陆生植物碳同位素效应是明显不同的。这是 因为海水与大气交换过程中，趋于更多地逸散12C至大 气中，致使大气中CO2的δ13C值明显偏低。而在光合作 用物过 体程内中的，δ陆13C生亦植明物显主偏要轻是，提通取常大为气-2中3‰的～CO-23，5‰因；此而植 海生植物则是从海水中游离的CO2、CO3-2、重碳酸根中 萃取碳元素，相对来说海水含12C少，因而δ13C稍高， 其变化幅度从-17‰～-30‰。其中，在水温小于 10oC 的情况下，其δ13C值有随温度下降而更偏负的趋势， 但在10oC以上时，其δ13C限于-17‰～-22‰，且不随温 度而变化。因此，可以根据有机质的δ13C值的差异作 为判别海、陆相的一项指标。
生物壳体的δ13C主要受极其复杂的生命 效应所控制，物理的因素占相当次要的地位。
环境地球化学
第12页
第五节:碳酸盐研究与全球变化
全球不同碳储存库的碳同位素：
大气中CO2 含碳0.000069×1016t，δ13C
为-7‰； 大洋水体中溶解的CO2
含碳 0.004×1016t，δ13C为 0‰； 碳酸盐沉积层
含碳 2×1016t，δ13C约为25‰； 地球内部原生碳
含碳9×1016t，δ13C为-5.5‰
环境地球化学
碳同位素在天然物质中的分配（以δ13C ） C：还原碳；CO2：氧化碳
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第五节:碳酸盐研究与全球变化
海水与无机碳酸盐中的δ13C值均为0‰， 因此当碳酸盐从海水中沉淀出来时，不会影 响到海水原先的碳同位素值，即基本上不会 引起碳同位素的分馏作用。但当有机物质从 海水中析出时，由于两者相差悬殊，必然明 显地影响到海水中的δ13C值。
环境地球化学
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第五节:碳酸盐研究与全球变化
4氧同位素应用
（l）查明地质时期海水古温度的变化趋势
通过生物氧同位素研究法确定了自晚白垩纪（约 7000万年前）以来全球气候有逐渐变冷的趋势。
Emiliani（1954）根据底栖有孔虫δ180值逐渐递增 的趋势，确定了自白垩纪以来，全球大洋深水平均温度 曾从13oC逐渐下降到目前的2oC左右。
环境地球化学
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第五节:碳酸盐研究与全球变化
（3）建立大洋水柱的垂直温度梯度剖面
原理：
基于古代灭绝的浮游有孔虫也有类似于现生种那样的 分层生活的习性，利用生活在不同水深处的浮游有孔虫以 及栖息在不同洋底深度的底栖有孔虫进行系统的氧同位素 测定，从而重塑大洋某一时段自下而上温度结构的垂向剖 面，以了解古大洋水文结构中十分重要的古温跃层的深度 以及温度变化的梯度 。
南极海冰 大量形成
冰形
盖成
形
成
底栖有孔虫的氧 同位素测定值反 映新生代以来有 阶梯状逐渐变冷 的总趋势。
过去7000万年来，大洋深水（底栖有孔虫）氧同位素测定值 （标定的增量单位为1Ma ）
环境地球化学
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第五节:碳酸盐研究与全球变化
太 平 洋 低 纬 度 表 层 水 温
据δ180值作出的7000万年以来大洋水温变化图
第五节:碳酸盐研究与全球变化
一、海相碳酸盐研究与全球变化 （－）氧同位素 古海洋学研究中，一般都用碳酸盐中的氧 同位素成分来研究古温度、古气候、古盐度 等环境要素。
环境地球化学
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第五节:碳酸盐研究与全球变化
1．海水温度对δ18O的影响
碳酸钙从水溶液中沉淀出来进入生物壳体时，相互间发 生同位素交换反应，反应方程为：
由于在任何时候、任何地区，底栖有孔虫氧同位素 温度始终低于浮游有孔虫的氧同位素温度，表明大洋的 底层水系由高纬地区的表层水下沉扩散而来，所以，从 新生代底层水的这种变冷趋势可以推出高纬地区的表层 水以致大气圈也存在着逐渐变冷的趋势。
环境地球化学
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第五节:碳酸盐研究与全球变化
南
北 半 球
极 冰 盖
冰期效应，在地质历史时期中可以造成大洋水体同位素成分的明 显变动。当δ18O值向正值偏移时，意味着冰期的到来，向负值偏 移代表着向间冰期的转化。这种冰期效应可以通过生物壳体在大 洋地层中留下明显的记录。
目前一般认为，当以 PDB为标准时，底水温度变化1oC时，相对于 δ180值0.26‰的变化；而δ180值0.1‰的变化相对于盐度0.2‰的 变化或间冰期海平面10m的变化。同位素测温的误差约在±0.1‰ 的范围内，对应于±0.5oC的温度变化。
环境地球化学
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第五节:碳酸盐研究与全球变化
3．生命效应对壳体δ 180值的影响
生物在造壳过程中所吸取的氧同位素组分还受到生 物自身的生长速率、新陈代谢、光合作用等多种生命效 应的影响与干扰，即所谓“生物个体的分馏作用”。
只有当生物体内δ180值与海水的氧同位素达到平衡， 才可有效指示古海洋环境。有孔虫与软体动物壳体的 δ180值与海水基本保持平衡，因此常用来指示古海洋 环境。
环境地球化学
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第五节:碳酸盐研究与全球变化
第三纪时期低纬度地区的垂直温度梯度变化图
环境地球化学
第10页
第五节:碳酸盐研究与全球变化
环境地球Biblioteka Baidu学
早上新世平均的δ018值与深水的标绘图
误差栅线代表±1标准偏差，编号为站位号
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第五节:碳酸盐研究与全球变化
（二）碳同位素
1.自然界碳同位素的分布及其在生物中的分馏 作用
1/3CaCO316＋H2O18＝1/3CaC0318＋H2O16 当反应达到平衡时，其平衡常数与温度间有确定的关系， 即碳酸钙的氧同位素组成是温度的函数。温度升高时，相对 较轻的16O由于有较高的活性，易于迁移，在同位素交换反 应中将优先被吸收进生物壳体内，致使18O含量相对减少， δ180值随温度的上升而下降。 最适用于有孔虫同位素分析的关系式： t＝16.9－4.4(δs－δw)＋0.10(δs－δw)2 式中，δs：壳体中氧同位素值，δw：水体的氧同位素值
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南 大 西 洋 中 纬 度 表 层 水 温
南 大 西 洋 深 部 水 温
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第五节:碳酸盐研究与全球变化
（2）揭示全球气候周期变化的趋势
经过修改综合的布容期古温度曲线
曲线特征显示：在70万年期间，清晰地显示出波长大体相 同、近十万年的周期变化；同时，δ180值的振幅十分相近， 具有相近的极大值与极小值。
环境地球化学
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第五节:碳酸盐研究与全球变化
2.海水同位素组分对δ18O的影响—冰期效应与盐度效应
壳体同位素组分不仅受到海水温度的制约，而且还受到海水本身 同位素组分背景值的影响。但从总体上来说，在开放性的大洋环 境中，由于大洋环境的搅混与调节作用，盐度的变动极微，引起 同位素组分的变动甚小（仅1‰的幅度），因而不是主要的影响因 素。
环境地球化学
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第五节:碳酸盐研究与全球变化
地球表面碳同位素的分馏作用主要是由植物的光合 作用引起。
海生和陆生植物碳同位素效应是明显不同的。这是 因为海水与大气交换过程中，趋于更多地逸散12C至大 气中，致使大气中CO2的δ13C值明显偏低。而在光合作 用物过 体程内中的，δ陆13C生亦植明物显主偏要轻是，提通取常大为气-2中3‰的～CO-23，5‰因；此而植 海生植物则是从海水中游离的CO2、CO3-2、重碳酸根中 萃取碳元素，相对来说海水含12C少，因而δ13C稍高， 其变化幅度从-17‰～-30‰。其中，在水温小于 10oC 的情况下，其δ13C值有随温度下降而更偏负的趋势， 但在10oC以上时，其δ13C限于-17‰～-22‰，且不随温 度而变化。因此，可以根据有机质的δ13C值的差异作 为判别海、陆相的一项指标。
生物壳体的δ13C主要受极其复杂的生命 效应所控制，物理的因素占相当次要的地位。
环境地球化学
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第五节:碳酸盐研究与全球变化
全球不同碳储存库的碳同位素：
大气中CO2 含碳0.000069×1016t，δ13C
为-7‰； 大洋水体中溶解的CO2
含碳 0.004×1016t，δ13C为 0‰； 碳酸盐沉积层