碳、氧同位素含量偏移的地质意义研究

另有十多篇我认真研读过的关于碳、氧同位素偏移分析的文献，在此就不一一列举。通过对这些文献的总结发现：碳、氧同位素的偏移不论是正偏还是负偏都对应着海平面的升降，海水温度的变化以及有机碳埋藏的速率变化等现象，其指示的意义可能是海水缺氧，海洋生态环境变化乃至大型生物灭绝等地质事件。通过对碳、氧同位素含量的定量测定能够对此类问题做出解答并依据数据进行逻辑推理从而了解地质历史时期的地质活动。
河南汝州、鲁山一带罗圈组冰积层之上的东坡组以页岩、粉砂质页岩及粉砂岩为主。而在对河南汝州一鲁山一带震旦系东坡组碳酸盐沉积的研究中，杜远生及张良等人发现了白云岩透镜体及白云质粉砂岩、砂岩。白云质粉砂岩具有பைடு நூலகம்东坡组页岩不协调的软沉积变形。白云岩透镜体和白云质粉砂岩具有明显的δ13C负偏。白云岩透镜体的δ13C为一4．19‰～一6．18‰。白云质粉砂岩的占δ13C大部分为一2‰～一4‰之间。因此认为，东坡组的白云岩透镜体及白云质粉砂岩、砂岩与华南震旦纪盖帽白云岩及南华纪Sturtian冰期冰积层之上的碳酸盐丘和菱锰矿类似，为冰积层中的天然气水合物泄漏释放的CO2和海水中的Mg+发生快速反应快速沉淀而成的，即东坡组的白云岩、白云质粉砂岩、砂岩为冷泉成因。
在对北京十三陵地区中元古代雾迷山组海平面变化的分析中，李任伟等人对白云岩进行了取样，分析以及检验发现：北京十三陵地区雾迷山组(1310～1207 Ma)白云岩的δ13C数值范围-1.5‰～1. 5‰(PDB)，δ18O数值范围一般为- 4‰～- 5‰(PDB)。它们碳同位素组成具有旋回性变化的特征。δ13C从地层层序的边界发生正偏移，至1. 5‰(PDB)，然后发生负偏移至- 1. 5‰(PDB)。有时，在δ13C为负值的层段δ18O数值较高，约为- 4. 0‰(PDB)。
碳酸盐和有机物碳同位素组成的分析已成为推断全球碳循环变化的有力工具，碳循环的变化通常与生物集群灭绝事件有关。碳同位素的正偏移，在一些地质学家看来被认为是有机碳埋藏速率增强的结果。而这种变化被许多科学家认为是由于海平面的变化或者海水温度的变化导致大量暖盐水体的形成，诱导海水缺氧，使得海水中有机物氧化速率降低，有机碳埋藏速率增加，导致CO2浓度降低，全球变冷，这一系列变化又导致了生物的大量灭绝。
中元古代雾迷山时期碳酸盐岩相对具有重碳同位素组成的层段与海侵相关。可以在新元古代，也可以在显生宙找到类似的例子。在白垩纪森诺曼阶-土仓阶、早侏罗世、中奥陶世晚期以及晚寒武世，人们都可以在海侵时期沉积的碳酸盐岩地层中发现δ13C数值的正偏移。原因在于此时的海洋有较高的有机产率和高的有机碳埋藏速率，由于沉积有机质从海洋中选择地吸收了轻碳同位素(12C)，结果造成海洋碳酸盐库对重碳同位素(13C)的相对富集。雾迷山组这种碳、氧同位素组成特征可以反映海平面的变化。在海侵体系域时期海水有相对高的有机产率和有机碳埋藏速率，在高位体系域时期的碳酸盐台地可能为滞流和蒸发环境，海水中微生物因呼吸而消耗有机质的作用比较强烈。
而陈兰等人对扬子地台湘黔地区旱寒武世黑色页岩有机碳同位素的组成变化进行野外地质观察与室内分析研究表明：研究区灯影组白云岩主要为碳酸盐台地沉积环境，牛蹄塘组黑色页岩主要为陆棚沉积环境，湖南地区有可能水体更深，过渡到斜坡相沉积区。通过分析，湘黔地区黑色页岩有机碳含量(TOC)为0．05～12．31，平均为4．97％。有机碳同位素(δ13Corg)组成的变化幅度很大，从-29．49‰～-34．41‰(PDB)，平均为-31．78‰，最大偏移量为4．3‰。牛蹄塘组黑色页岩的δ13Corg和TOC含量变化也很大，具有明显的3个升降旋回，代表海平面具有海进海退变化特征。而下伏地层灯影组白云岩占δ13Corg值相对比
较高，代表海平面下降。研究区两个典型剖面的有机碳同位素变化曲线反映了该期海平面变化，海洋原始生产率以及上涌洋流的变化情况，揭示湘黔地区早寒武世的古海洋信息。
卢鸿等人通过对轮南14井正构烷烃和类异戊二烯烃的单体碳同位素分析,证实该井奥陶系和石炭系油藏具有相同或相似的油源,均属奥陶系源岩产物。而三叠系油藏与奥陶系、石炭系油藏具有较大的碳同位素差异,反映其油源不同。无论是正构烷烃还是类异戊二烯烃的单体碳同位素值,均呈现出三叠纪油藏较轻、奥陶纪原油较重的分布,这与地史上原油碳同位素的长期变化规律相吻合。对于奥陶纪和三叠纪之间如此大的时间跨度,不宜于以常规的简单的母源、成熟度和沉积环境方面的差异来解释上述“异常”分布,而应该结合大气CO2浓度及生物生长速率等环境变化因素来解释。资料表明,地史中全球范围内的古环境大气CO2浓度变化和藻类生长速率演变共同造成了奥陶纪的正向变化和三叠纪的负向变化。
碳、氧同位素含量偏移的地质意义研究
在学习地球化学之前，我曾加入一个科研立项小组的科研工作中。这个科研项目的主题是“晚泥盆世弗拉斯—法门期之交( Fr/ Fa界线)所发生的全球性生物大绝灭事件”，我们对此项工作主要从牙形石分带，微球粒的基础研究及对碳酸盐含量，碳、氧同位素的含量偏移等方向展开。在加入到这个工作开始到学习完地球化学这门课止，我阅读了关于“碳、氧同位素含量偏移在重大地质事件中的指示意义”这一知识点的文献约十余篇。这些文献除了有部分对F—F事件的碳、氧同位素的规律总结之外，更有一部分是对其他重大地质事件诸如中元古代海平面变化、河南地区震旦系碳酸盐沉积、早寒武世黑色页岩、奥陶系—三叠系古环境变化、白垩纪缺氧事件等的系统归纳。本文即是对这些重大地质事件运用同位素含量分析的方法，对以往做过此方面工作的文献进行一次系统的梳理。
邹艳荣等人对我国业已发现的白垩纪大洋缺氧事件进行了对比研究。结果显示,我国河北滦平盆地高等植物叶腊碳同位素正偏,是weissert缺氧事件的陆地响应,weissert缺氧事件可能是全球性缺氧事件,而不是区域性的缺氧事件。叶腊烷烃单分子碳同位素正偏有两种不同的机制:早白垩世分子碳同位素正偏主要反映的是大气CO2水平增加;晚白垩世分子碳同位素正偏主要反映的是陆地植物类型的变化。