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402com永利1站:中国科学院地球化学研究所,钙华

2019-07-12 12:46

402com永利1站,钙华是岩溶区一种常见的次生碳酸钙沉积物,同时也是一种高分辨率的古气候环境载体。由于钙华具有较高的沉积速率(0.1~20mm/a),使得其重建古气候的分辨率可达年、季尺度。这有利于对突发且持续短的重大气候环境事件(如重大洪水或干旱事件、地震等)和年—百年尺度气候变化的揭露。

钙华是岩溶区一种常见的次生碳酸钙沉积物,同时也是一种高分辨率的古气候环境载体。由于钙华具有较高的沉积速率(0.1~20mm/a),使得其重建古气候的分辨率可达年、季尺度。这有利于对突发且持续短的重大气候环境事件(如重大洪水或干旱事件、地震等)和年—百年尺度气候变化的揭露。

近年来,钙华作为高分辨率古气候环境重建的重要载体,越来越受到第四纪研究者的重视。由于钙华具有较高的沉积速率,使得其重建古气候的精度可达年、季尺度。这有利于对突发且持续短的重大气候环境事件(如重大洪水或干旱事件、地震等)和年—百年尺度气候周期的揭露。

近年来,钙华作为高分辨率古气候环境重建的重要载体,越来越受到第四纪研究者的重视。由于钙华具有较高的沉积速率(0.1~20mm/a),使得其重建古气候的分辨率可达年、季尺度。这有利于对突发且持续短的重大气候环境事件(如重大洪水或干旱事件、地震等)和年—百年尺度气候变化的揭露。

古气候环境的变化可以通过钙华的微层厚度、微量元素比值以及同位素组成记录下来。其中,氧和碳同位素组成是最为常用的气候指代指标。由于影响因素复杂,氧和碳同位素组成都存在指向性模糊的缺点。钙是钙华中除氧和碳以外的另一个主量元素,然而目前却没有关于钙华钙同位素组成控制机理以及气候指代意义的研究。

古气候环境的变化可以通过钙华的微层厚度、微量元素比值以及同位素组成记录下来。其中,氧和碳同位素组成是最为常用的气候指代指标。由于影响因素复杂,氧和碳同位素组成都存在指向性模糊的缺点。钙是钙华中除氧和碳以外的另一个主量元素,然而目前却没有关于钙华钙同位素组成控制机理以及气候指代意义的研究。

在钙华包含的气候替代指标中,氧同位素记录无疑是人们关注的重点。这是因为在平衡条件下的方解石沉积过程中,氧同位素分馏与沉积温度呈负相关关系。国内外众多相关研究都以此平衡理论做基础来推算不同时期的气候环境温度。但值得注意的是,利用钙华沉积过程中氧同位素分馏来计算温度有一个前提条件,就是沉积过程中要达到氧同位素交换平衡。然而,越来越多的研究表明,自然沉积钙华的过程中氧同位素很难达到平衡分馏。由此造成的结果是,利用平衡分馏系数计算得到的温度和实际温度相差较大,有时甚至在10℃以上。因此,研究钙华沉积过程中的氧同位素动力分馏行为就成为钙华古气候环境重建领域中不可回避的首要任务。

然而,利用钙华进行高分辨率的古气候重建研究,首先必须了解钙华的形成机理及其气候替代指标与气候因子之间的关系。在气候替代指标中氧稳定同位素的记录无疑是人们关注的重点。然而,目前国际上普遍接受的Kim & O’Neil 氧同位素平衡分馏系数的适宜性和影响钙华氧同位素平衡分馏机制的研究还很缺乏。

中国科学院地球化学研究所环境地球化学国家重点实验室研究员刘再华带领的钙华研究小组通过对云南白水台钙华沉积渠道和钙华水池进行系统的监测取样,发现在钙华形成过程中,轻的钙同位素优先沉积下来,导致剩余水体中钙离子的同位素组成变重,从而表现出向下游增大的变化规律,钙华的钙同位素组成也继承了这个规律。由于泉水的钙同位素组成很稳定,因此在白水台地区,沉积水体和钙华的钙同位素组成主要受沉积的钙离子的量控制,也就是说,泉水流到某一地点钙离子浓度的减少量决定了该点水体和钙华的钙同位素组成。前期研究表明,钙离子的减少量与水动力条件有关,因此在白水台地区,钙华的钙同位素组成可用于反映水动力条件的改变。

中国科学院地球化学研究所环境地球化学国家重点实验室刘再华研究员带领的钙华研究小组通过对云南白水台钙华沉积渠道和钙华水池进行系统的监测取样,发现在钙华形成过程中,轻的钙同位素优先沉积下来,导致剩余水体中钙离子的同位素组成变重,从而表现出向下游增大的变化规律,钙华的钙同位素组成也继承了这个规律。由于泉水的钙同位素组成很稳定,因此在白水台地区,沉积水体和钙华的钙同位素组成主要受沉积的钙离子的量控制,也就是说,泉水流到某一地点钙离子浓度的减少量决定了该点水体和钙华的钙同位素组成。前期研究表明,钙离子的减少量与水动力条件有关,因此在白水台地区,钙华的钙同位素组成可用于反映水动力条件的改变。

中国科学院地球化学研究所环境地球化学国家重点实验室刘再华研究员带领的钙华研究小组通过对白水台两个低温钙华沉积系统水化学、沉积速率和钙华氧同位素的半年观测,发现两种不同水动力条件下的沉积系统中钙华氧同位素的控制机制显著不同。对于快速流的渠道系统,利用平衡系数计算得到的温度与实测的温度相差较大,表明渠道钙华沉积过程中氧同位素没有达到分馏平衡,其原因是较高的沉积速率和CO2逸出速率。同时,快速沉积也导致渠道钙华与重碳酸根离子不发生氧同位素分馏,并且由于后者受瑞利分馏过程控制,钙华氧同位素也呈现相同的往下游逐渐增大的趋势。这一过程引起的变化超过了由温度效应引起的反方向的变化,导致渠道下游钙华氧同位素组成不能用于温度重建。而对于慢速流的水池系统,重碳酸根离子和水之间达到了氧同位素交换平衡,利用Coplen的平衡分馏系数计算得到的温度与实测温度相当吻合,说明水池中形成的钙华可以用于古温度重建。最后,作者提出一个判断钙华氧同位素是否适合重建温度的简单方法,即对比BaCO3与理论HCO3—的氧同位素是否一致。

中国科学院地球化学研究所环境地球化学国家重点实验室刘再华研究员带领的钙华研究小组通过对云南白水台多个钙华池的钙华-水氧同位素分馏系数与钙华沉积速率的相关分析,发现分馏系数明显受沉积速率的控制:沉积速率越慢,钙华-水氧同位素的分馏越容易达到平衡。当钙华沉积速率低于0.38 mg cm-2d-1时钙华-水氧同位素近似达到平衡分馏,并建立了氧同位素分馏系数与钙华沉积速率之间的关系方程。此外,研究结果支持Coplen 的研究结论,即方解石-水氧同位素的平衡分馏系数大于之前普遍接受的Kim & O’Neil 提出的值。同时,研究结果也支持Dietzel et al. 的研究结论,即随着沉积速率的升高,动力分馏效应优先使轻的16O进入方解石晶体。

此外,研究还发现钙华与沉积水体间钙同位素分馏的大小与沉积速率有关:在渠道系统,沉积较快,两者的钙同位素分馏值约为-1.6‰,在池子系统,沉积较慢,分馏值为-1.2‰左右。这是首次用自然样品证实了沉积速率对碳酸钙沉积时钙同位素分馏有显著影响。通过对数据进行模拟,得到在碳酸钙沉积时钙同位素的平衡和动力分馏常数分别为1.0000 ± 0.0002和0.9983 ± 0.0002,这与前人实验研究(Tang et al., 2008)和野外研究(Nielsen & DePaolo, 2013)得到的结果一致,这意味着自然界中碳酸钙沉积过程导致的钙同位素分馏在-2~0‰之间。

此外,研究还发现钙华与沉积水体间钙同位素分馏的大小与沉积速率有关:在渠道系统,沉积较快,两者的钙同位素分馏值约为-1.6‰,在池子系统,沉积较慢,分馏值为-1.2‰左右。这是首次用自然样品证实了沉积速率对碳酸钙沉积时钙同位素分馏有显著影响。通过对数据进行模拟,得到在碳酸钙沉积时钙同位素的平衡和动力分馏常数分别为1.0000 ± 0.0002和0.9983 ± 0.0002,这与前人实验研究(Tang et al., 2008)和野外研究(Nielsen & DePaolo, 2013)得到的结果一致,这意味着自然界中碳酸钙沉积过程导致的钙同位素分馏在-2~0‰之间。

国际同行审稿专家认为,这是首次证实水动力条件对钙华沉积过程中的氧同位素分馏具有直接控制作用,提出了利用类似沉积物进行古气候研究的重要问题。

该研究指出,由于钙华沉积速率的季节变化非常明显,因此在利用钙华氧同位素记录进行古气候重建时,必须考虑钙华沉积速率对氧同位素季节变化重建温度的影响。对于表生钙华(系统CO2主要来源于土壤CO2),其沉积速率变化主要受温度控制,表现为夏-秋季高,而冬春季低,这样夏秋季较高的沉积速率就会使本就偏负的氧同位素进一步偏负,因此放大了氧同位素重建的温度季节变化幅度,使重建的古温度变化范围偏大。而对于内生钙华(系统CO2来源于深部成因CO2)而言,其沉积速率主要受稀释效应的控制,其沉积速率的季节变化正好与表生钙华相反,为夏-秋季低,而冬-春季高。冬春季温度较低,钙华氧同位素应该偏正,但是较高的沉积速率使其氧同位素值偏负,进而抵消或减弱了氧同位素的季节变化,使重建的古温度的变化幅度偏小。

相关成果发表在国际地球化学杂志Chemical Geology 上。

相关成果发表在国际权威地球化学杂志《Chemical Geology》上:

该成果发表在国际权威地球化学杂志《Geochimica et Cosmochimica Acta》上。

相关成果发表在国际权威地球化学杂志《Geochimica et Cosmochimica Acta》上。链接:

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