地球科学原理之 16 冰期旋回中 13 C 规律变化的解释和分析 广东海洋大学 廖永岩 （电子信箱： rock6783@126.com ） 上一回我们已分析了冰期旋回中 13 C 和 18 O 的变化规律。在这里，我们先来了解一下当今权威学术界对这一现象的的解释。 1 目前学术界对 13 C 和 18 O 规律变化的解释 目前为止，学术界对冰期后直接盖在冰碛岩上的碳酸盐岩帽里的 13 C 从强负值开始强烈正漂，及整个冰期旋回中 13 C 的规律变化，有很多种解释 （ Kimura, et. al., 1997; Kaufman, et. al., 1991; Derry, et. al., 1992; Hoffman, et. al., 1998; Dickens, et. al., 1995; Kennedy, et. al., 2001; Kennett, et. al., 2000; Bains, et. al., 1999; Kennet and Stott, 1991; Zachos, et. al., 1993; Eldholm and Thomas, 1993; Zachos, et. al., 1994 ） 。归纳起来，主要有以下三种： 生物量变化说 （ Kimura, et. al., 1997; Kaufman, et. al., 1991; Derry, et. al., 1992 ） ；甲烷渗漏说 （ Dickens, et. al., 1995; Kennedy, et. al., 2001; Kennett, et. al., 2000 ） ；火山脱气说 （ Hoffman, et. al., 1998; Kennet and Stott, 1991; Zachos, et. al., 1993; Eldholm and Thomas, 1993; Zachos, et. al., 1994 ） 。 坚持第一种观点的学者认为，冰期后形成的碳酸盐岩帽中的 13 C 负异常，是由于冰期形成，温度变低，进行光合作用的植物受温度的影响，生物量下降，光合作用减弱。通过生物分馏 12 C 的能力下降。但生物体的分解并没有太多地减少，或甚至因大量生物的死亡而有所增加。这样，由于 12 C 分馏能力减弱和生物体分解释放 12 C 能力加强的共同作用，将造成 12 C 相对地在大气和海洋里增加，从而造成 13 C 的负漂移 （ Kimura, et. al., 1997; Kaufman, et. al., 1991; Derry, et. al., 1992; 胡修棉， 2001 ） 。 坚持第 2 种观点的学者认为，由于受某种高温作用（一般均未说明是那一种来源的高温），海底冰冻层的以甲烷为主的天然气水合物大量气化释放，进入海洋或大气。在海洋或大气中，甲烷被氧化为 CO 2 。这些 CO 2 溶于海洋中，进一步和海洋里的钙、镁等离子结合，形成碳酸盐岩帽。因为甲烷的 13 C 强烈负偏，所以，这使海洋或大气中的 CO 2 13 C 也出现强烈负漂移 （ Dickens, et. al., 1995; Kennedy, et. al., 2001; Kennett, et. al., 2000; 杨瑞东等， 2003 ） 。 坚持第 3 种观点的学者，以新元古大冰期为例，认为新元古冰期形成雪球地球，海洋被雪球封闭，没有被雪球封闭的陆地上的火山喷发和地震，产生大量 CO 2 气体。这些 CO 2 等温室气体越积越多，温室效应越来越强，最后造成雪球的解体。大量的 CO 2 进入海洋或大气，使雨水呈酸性，加强了岩石的风化。陆地和海洋里的风化产生的大量金属离子结合，形成了碳酸盐岩帽 。这样，由于火山喷发和地震产生气体的相对负 13 C 值（ -7 左右），造成碳酸盐岩帽的 13 C 值负漂移 （ Hoffman, et. al., 1998 ） 。其它冰川期，也有类似新元古大冰期的现象发生 （ Kennet and Stott, 1991; Zachos, et. al., 1993; Eldholm and Thomas, 1993; Zachos, et. al., 1994 ） 。 2 对已提出解释的可行性分析 用生物光合作用的强弱变化和生物量的变化来解释 13 C 值从强正值向负漂移，理论根据不足。随着冰川的形成，由于温度的影响，植物的量的确会减少，光合作用也会随之减弱。光合作用减弱，只是光合作用对 CO 2 中的 12 C 的分馏作用减弱。分馏作用减弱，但并没有停止，仍在进行 12 C 的分馏作用。这就是说，若大气和海洋里的 CO 2 的供应和消耗没有太大变化的话。尽管光合作用减弱，随着光合作用（减弱后的）的继续进行，照样会进行 12 C 的分馏，大气和海洋中的 12 C 会继续降低， 13 C 会继续上升。所以，冰川形成后造成的光合作用减弱，并不会导致 13 C 的负漂移，只会使正漂移减弱而已。 冰川形成后，随着温度降低，生物量的确会减少；即光合作用减弱，合成的有机物减少，而分解的有机物增多，导致总生物量减少。总生物量减少，也就是大量生物体被分解为水和 CO 2 。导致构成生物体的 12 C 向大气和海洋释放，使大气和海洋中的 12 C 浓度升高， 13 C 浓度相对下降。冰川消融后， CO 2 浓度升高，温室效应增强，光合作用增强，合成的生物量大于分解的生物量。分馏（降低） 12 C 的能力加强，而产生 12 C 的能力减弱，将使 13 C 正漂移。这样看来，总生物量的减少，的确能造成冰川形成过程中 13 C 的负漂移，和冰川消融过程中的正漂移。 但是，据测算，现今全球碳库储量见表 1 （ Falkowski, et. al., 2000 ） 。 表 1 全球碳库碳储量 （ Falkowski, et. al., 2000 ） 库 数量 /Gt 库 数量 /Gt 大气 720 陆地生物圈 2000 海洋 38400 活生物量 600~1000 总无机碳 37400 死生物量 1200 表层水 670 水生物圈 1~2 深层水 36730 化石燃料 4130 总有机碳 1000 煤 3510 岩石圈 石油 230 沉积碳酸盐 60000000 天然气 140 油母质 15000000 其它（泥炭） 250 从表 1 可见，陆地生物量总和为 2000Gt ，海洋生物量总和为 1~2Gt ，海洋有机碳为 1000 Gt ；大气 CO 2 为 720Gt ，海洋总无机碳（主要为溶解的 CO 2 和碳酸盐）为 37400Gt （ Falkowski, et. al., 2000; 王凯雄， 2001 ） 。以研究得较为清楚的新元古大冰期为例来说，因那时还没有陆地生物，只可能有海洋生物。假设那时的海洋生物量和现在相近，大气和海洋中的 CO 2 量也和现在差不太多。那时的总生物量最多也只会有 2Gt ，总有机碳也只有 1000Gt ，这与大气和海洋中的 CO 2 的和相差太多。就算光合作用一点有机物也不合成，所有的 2Gt 生物碳全部转化为 CO 2 ，甚至包括 1000Gt 总有机碳也全部转化为 CO 2 ，这也远不可能使 13 C 值从 +10 负漂移至 -7 （张启锐等， 2002 ） 。更何况，并不是所有的生物量都全部分解了，只是部分生物量的减少；而溶解在海洋里的有机碳，也不会因为生物的减少而急剧减少。所以，冰川形成时，由于温度下降造成的光合作用减弱，生物量减少，可能会使 13 C 产生一点点负漂移，但产生的效果极其有限，绝不可能是使大气和海洋中 CO 2 强烈负漂移的主要原因。 由于冰川的形成，引起海底火山喷发（见后述），的确有可能使海底冰冻层里天然气水合物，气化成甲烷等气体，进入海洋或大气中。由于甲烷的 13 C 值相当低，大量的甲烷气体的渗入，将使局部海洋或大气中的 13 C 值急剧下降，引起 13 C 的强烈负漂移。 但是，从表 1 可见，就现今来说，所有天然气的总量也只有 140 Gt ，而仅大气中的 CO 2 就是 720Gt ，海洋里溶解的 CO 2 和碳酸盐（条件适宜时，会转化为 CO 2 ）则高达 37400Gt ；就算所有的天然气全是天然气水合物，就算所有的天然气水合物全部转气化成了甲烷，也远不可能使 13 C 从 +10 的值负漂移至 -7 。更何况，天然气水合物只占所有天然气的很少一部分；因火山喷发被加热气化成甲烷而渗漏入海洋和大气的，又仅是天然气水合物中很少的一部分。所以，一部分天然气水合物气化成甲烷渗漏入大气和海洋，只可能使局部海洋或大气的 13 C 适当负漂移，绝不可能是冰川形成后所有碳酸盐岩帽里 13 C 强烈负漂移的主要原因。所有碳酸盐岩帽的最强负漂移值也仅 -7 ，这也间接证明，甲烷渗漏使碳酸盐岩帽 13 C 负漂移的作用相当小，仅是一种极弱的补充作用而已。若真是以甲烷渗漏为主造成的，因为甲烷渗漏不是均匀分布的，甲烷的 13 C 值相当低，低于 -60 ，在甲烷强渗漏的局部区域，负漂移值，应远比 -7 更负，至少会出现比 -10 更负的现象。 相比较来说，火山脱气说正确的成分更多。综上所述，碳酸盐岩帽里的 13 C 负漂移既不是因为生物体分解补充 12 C 造成的（生物量变化说），也不是因为与生物有关的有机物分解补充 12 C 造成的（甲烷渗漏说）；那么，能给大气和海洋补充 12 C ，使 13 C 负漂移的，就仅只有地球的去气作用了。也即通过火山喷发和地震造成的地球去气作用，给大气和海洋补充了大量含 12 C 的 CO 2 气体，使 13 C 强烈负漂移。 13 C 负漂移的最强负值，也只是 -7 左右，这也间接证明， 13 C 的负漂移，就是因为地球去气气体而造成的。 从以上分析可见，造成冰期后碳酸盐岩帽 13 C 强烈负漂，肯定是由冰川形成和消融，造成火山喷发和地震，使地球内部大量 CO 2 气体排出而造成的。那么，这种大规模的火山喷发和地震是如何发生的呢？它和冰川形成和消融关系如何？这是火山脱气说所面临和急需解决的问题。如何利用冰川学说对以上问题进行解释？且听下回分解。 未完，待续。 下回预告 ： 地球科学原理之 17 冰川对火山喷发和地震的影响 参考文献： 胡修棉 , 王成善 , 李祥辉 . 大洋缺氧事件的碳稳定同位素响应 . 成都理工学院学报 , 2001, 28(1):1-6 杨瑞东，王世杰，董丽敏， 姜立 君，张卫华，高慧 . 上扬子区震旦纪南沱冰期后碳酸盐岩帽沉积地球化学特征 . 高校地质学报 ,2003, 9(1): 72-80 王凯雄 . 水化学 . 北京：化学工业出版社 . 2001. 257-323 张启锐，储雪蕾，张同钢， 冯连 君 . 从全球冰 到雪球假说关于新元古代冰川事件的最新研究 . 高校地质学报， 2002 ， 8 （ 4 ）： 474-481 Bains S, Corfield R M, Norris R D. Mechanisms of climate warming at the end of the Paleocene. Science, 1999, 285: 724-727 Derry L A, Kaufman A J, Jacobsen S B. Sedimentary cycling and environmental change in the Late Proterozoic, Evidence from stable and radiogenic isotopes. Geochim. Cosmochim. Acta. ， 1992, 56: 1317-1329 Dickens G R, O Neil J R, Rea D K, et al. Dissociation of oceanic methane hydrate as a cause of the carbon isotope excursion at the end of the Paleocene. Paleoceanography, 1995, 10: 965-971 Eldholm O, Thomas E. Environmental impact of volcanic margin formation. Earth Planet. Sci. Lett., 1993, 117: 319-329 Falkowski P et al. The global carbon cycle: A test of our knowledge of earth as a system. Science. 2000, 290: 291-296 Hoffman P F, Kaufman A J, Halverson G P. et al. Neoproterozoic snowball earth Science, 1998, 281: 1342-1346 Kaufman A J, Hayes J M, Knoll A H, et al. Isotopic compositions of carbonates and organic carbon from upper Proterozoic successions in Namibia ： stratigraphic variation and the effects of diagenesis and metamorphism. Precambrian Research, 1991, 49: 301-327 Kennedy M J, Christie-Blick N, Sohl L E. Are Proterozoic cap carbonates and isotopic excursions a record of gas hydrate destabilization following Earths coldest intervals ？ Geology, 2001, 29: 443 － 446 Kennet J O, Stott L D. Abrupt deep-sea warming, paleoceanographic changes, and benthic extinctions at the end of the Paleocene. Nature, 1991, 353: 225-229 Kennett J P, Cannariato K G, Hendy I L, et al. Carbon isotopic evidence for methane hydrate instability during Quaternary interstadials. Science, 2000, 288: 128-133 Kimura H, Matsumoto R, Kakuwa Y, et al. The Vendian-Cambrian 13 C record. North Iran: evidence for overturning of the ocean before the Cambrian explosion. Earth and Planetary Science Letters, 1997, E1-E7 Zachos J C, Lohmann K C, Walker J C G, et al. Abrupt climate change and transient climates during the Paleogene: a marine perspective. J. Geol., 1993, 101: 191-213 Zachos J C, Stott L D, Lohmann K C. Evolution of early Cenozoic temperatures. Paleoceanography, 1994, 9: 353-387 （注： 本地球科学原理系列，是根据廖永岩著，海洋出版社（ 2007 年 5 月）出版的《地球科学原理》一书改编而来，转载者请署明出处，请不要用于商业用途 ）
广东海洋大学 廖永岩 （电子信箱： rock6783@126.com ） 现在开始，我们来谈谈冰川的地质作用的地球化学证据。先来了解一下 冰期旋回中碳酸盐岩 13 C 规律变化的基本规律。 由于关系到人类的生存和可持续性发展，全球变化，已成为当今最热门的话题和研究领域。将古论今，为了更好地了解和研究当今的全球变化，科学家对古冰川进行了大量的研究。在古冰川的研究中，研究者发现，冰川形成过程中，随着 18 O 正漂移，碳酸盐岩中 13 C 逐渐正漂移，最大值可达 +11 ；当冰川形成到一定程度时， 13 C 强烈负漂移，最负值可达 -7 。紧接着冰碛岩有碳酸盐岩帽形成。随着 18 O 出现强烈的负漂移，碳酸盐岩帽里的 13 C 从强负值出现强烈正漂移。碳酸盐岩中 13 C 的这种规律性漂移，幅度如此之大，是一种十分异常的现象，对此有很多争论 （ Kimura, et. al., 1997; Kaufman, et. al., 1991; Derry, et. al., 1992; Hoffman, et. al., 1998; Dickens, et. al., 1995; Kennedy, et. al., 2001; Kennett, et. al., 2000; Bains, et. al., 1999; Kennet and Stott, 1991; Zachos, et. al., 1993; Eldholm and Thomas, 1993; Zachos, et. al., 1994 ） 。到目前为止，这种冰川旋回中碳酸盐岩 13 C 规律变化，还没有一种能得到学术界公认的详细解释，一直是地学界的不解之谜 （杨瑞东等， 2003 ；钱迈平等， 2000 ） 。冰川期的旋回，是全球变化的一种重要表征 （张兰生等， 2000 ） 。同时，冰川期旋回，也基本和造山旋回、成矿旋回、海平面变化旋回、 CO 2 旋回、 Er 旋回相一致 （龚一鸣， 1997 ；汪品先， 2002 ；翟裕生， 2001 ） 。这个谜底的揭开，将直接面对以上问题的解决。所以，弄清冰期碳酸盐岩 13 C 漂移的原因，是一个既复杂，又重要的问题。我们对现有地质、地球物理学、地球化学、冰川学、气象学等资料进行综合分析后，就这个谜提出了新的理论。 1 13 C 和 18 O 的地质学特征 当海洋中的水蒸发时，含 16 O 的水较易蒸发，含 18 O 的水较不易蒸发。这样，就造成 18 O 的分馏。由蒸发的水蒸汽凝聚而成的江河湖里的淡水， 16 O 较高， 18 O 较低。由蒸发的水蒸汽凝聚而成的极地冰川及山地冰川， 16 O 也较高， 18 O 较低。而海洋，则由于 16 O 的蒸发减少而造成 18 O 值升高。江河湖里的水，最终又会流入海洋。库存在江河湖里的淡水量相对较少，且量变化不大。而极地冰川和山地冰川，当冰川形成时，会造成大量淡水的滞留；而冰川消融时，原来滞留在极地和高山的冰川水，又会流入海洋。这样，就造成冰川形成时，海洋 18 O 值正漂移，而冰川消融时， 18 O 负漂移 （ Shackbeton, 1973 ） 。 自然界中的碳，主要由两种稳定同位素组成，即 12 C 和 13 C ，其丰度分别为 98 89% 和 1.ll% （ Hoefs, 1982; Garrels and Lerman, 1984 ；胡修棉等， 2001 ） 。绿色植物进行光合作用时，优先吸收 12 C ，造成碳同位素分馏。植物、动物和微生物，都是直接或间接以植物为食的。所以，组成生物的有机碳，相对来说，含 12 C 较多，而含 13 C 较少。而留在大气或海洋中的 CO 2 ，则相对富积 13 C 。由生物衍生而来的矿物有机物及天然气水合物等，也和生物相似，具有强烈的 13 C 负值，如天然气水合物里的甲烷， 13 C 值为 -60~-65 （杨瑞东等， 2003 ； Kvenvolden, 1995 ） 。从全球角度未说，碳主要分布在几个主要的碳库中，相应的碳同位素值有所不同。碳酸盐岩中的碳同位素相对富 13 C ， 13 C 值平均为 0 （相对于 PDB 标淮，下同）。沉积有机质中的碳 13 C 值约为 -25 ；大气 13 C 值为 7 ；大洋水的 13 C 值为 0 ； 由地球去气作用形成的碳， 13 C 约为 -7 （ Hoefs, 1982; Garrels and Lerman, 1984; 胡修棉等， 2001 ） 。 2 冰期旋回中的 13 C 和 18 O 变化规律 2.1 冰期后碳酸盐岩帽中的 13 C 和 18 O 变化规律 每一次冰川消融后，紧接着冰碛岩的上面，会形成一层厚厚的碳酸盐岩。这种碳酸盐岩像帽子一样盖在冰碛岩上，俗称碳酸盐岩帽。这种碳酸盐岩帽的厚度，与冰川期冰川的规模有关。冰川期形成的冰川规模越大，这种碳酸盐岩帽的厚度越大（有时达 400m ）；冰川规模越小，这种碳酸盐岩帽的厚度越小。组成这种碳酸盐帽的物质，主要为碳酸钙、碳酸镁组成的白云岩或灰岩；有时，也有碳酸锰等其它碳酸盐参与岩帽的形成 （杨瑞东等， 2002 ） 。 紧接在冰碛岩上的碳酸盐岩的 13 C ，呈现强负值，最负值可达 -7 。而 18 O 呈现强正值。在冰碛岩上面，离冰碛岩越来越远， 18 O 值逐渐负漂移，然后至正常为止。但冰碛岩上的碳酸盐岩帽里的 13 C ，随着离冰碛岩的越来越远， 13 C 呈现强烈的正漂移，直至正常为止 （杨瑞东等， 2003 ；张启锐等， 2002 ） 。 这种现象，每一次冰期都会再现 （ Hoffman, et. al., 1998; Kennett, et. al., 2000; 李玉成和周忠泽， 2002 ） ，但以新元古大冰期最为显著，漂移幅度最大 （ Hoffman, et. al., 1998 ） 。冰期后碳酸盐岩帽形成和 13 C 、 18 O 的规律性变化，具有全球普遍性和等时性 （ Prave, 1999; Walter, et. al., 2000; Knoll, 2000 ） 。 2.2 冰期旋回中的 13 C 和 18 O 变化的一般规律 18 O 值的变化，与冰川的形成和消融密切相关，现已作为古冰川形成和消融的一种重要表征 （ Shackbeton, 1973 ） 。 在地球演化的过程中，每一次的冰期的形成和消融，都伴随着 18 O 的周期性变化 （杨瑞东等， 2003 ； Shackbeton, 1973; 李玉成和周忠泽， 2002 ） 。冰川形成过程中， 18 O 值逐渐升高，冰川最大时， 18 O 值最高。冰川持续期，只要冰川规模不变，总质量不变， 18 O 的值也不会有太大的波动。冰川消融期，随着冰川的逐渐消融， 18 O 值逐渐降低，至冰川完全消融时， 18 O 值降至最低。在间冰期， 18 O 值波动不大。冰期旋回中， 18 O 正漂移的最大值，与冰川的规模密切相关。冰川规模越大（如新元古大冰期）， 18 O 的正漂移越强烈；冰川规模越小（如奥陶纪或比它更小的次一级冰期），则 18 O 正漂移越弱。只要是没有冰川形成的间冰期， 18 O 的值波动不大。 13 C 的值，也和冰川的形成和消融强相关 （ Prave, 1999; Veizer, et. al., 1999 ） 。在冰川的形成过程中， 13 C 值逐渐正漂移。但至冰川形成到一定规模时（不是冰川的最大期）， 13 C 达最大值（有时可达 +11 以上），开始急剧负漂移。这种负漂移很少一次性到位，至少要经两次或两次以上的阶梯 （ Bains, 1999 ） 。其中最明显的一次负漂移在冰川形成期，另一次在冰川开始消融时的消融期。整个冰川期， 13 C 都处于这种强负值期；或处于不断负漂移的过程中。冰川消融后， 13 C 值急剧正漂移。整个间冰期， 13 C 虽会有一些微量波动，但总的趋势是处于正漂移过程中。这种正漂移直至下一次冰川形成至一定规模为止（不一定是冰川的最大期）。 13 C 的这种漂移所达正、负漂移的最大绝对值的大小，也与冰川的规模强相关。冰川期形成的冰川规模越大， 13 C 正漂移时所至的最大值也最大；紧接着的负漂移，负漂移至最负值时，最负值的绝对值也最大。冰川期形成的冰川规模越小， 13 C 正漂移时所至的最大值较小，紧接着的下降，下降至最负值时，最负值的绝对值也较小。 了解 冰期旋回中碳酸盐岩 13 C 规律变化的基本规律后，我们就可以应用这些基本规律来分析目前学术界对 13 C 和 18 O 规律变化的解释的正确与否。那么，目前学术界对冰期旋回中 13 C 和 18 O 规律变化有哪几种解释？哪一种最可能正确呢？且听下回分解。 未完，待续。 下回预告 ： 地球科学原理之 16 冰期旋回中 13 C 规律变化的解释和分析 参考文献： 胡修棉 , 王成善 , 李祥辉 . 大洋缺氧事件的碳稳定同位素响应 . 成都理工学院学报 , 2001, 28(1):1-6 龚一鸣 . 重大地史事件、节律及圈层耦合 . 地学前缘 , 1997, 4(3-4): 75-84 李玉成 , 周忠泽 . 华南二叠纪末缺氧海水中的有毒气体与生物集群绝灭 . 地质地球化学 , 2002, 30(1): 57-63 钱迈平 , 袁训来 , 肖书海，厉建华 , 汪迎平 . 新元古代大冰期及其诱发因素 . 江苏地质 , 2000, 24(3): 135-139 杨瑞东，王世杰，董丽敏， 姜立 君，张卫华，高慧 . 上扬子区震旦纪南沱冰期后碳酸盐岩帽沉积地球化学特征 . 高校地质学报 ,2003, 9(1): 72-80 杨瑞东 , 欧阳自远 , 朱立军 , 王世杰 , 姜立 君 , 张位华 , 高慧 . 早震旦世大塘坡期锰矿成因新认识 . 矿物学报 , 200 汪品先 . 气候演变中的冰和碳 . 地学前缘 , 2002, 9(1): 85-93 2, 22(4): 329-334 张兰生，方修琦，任国玉 . 全球变化 . 北京：高等教育出版社 . 2000. 1-271 张启锐，储雪蕾，张同钢， 冯连 君 . 从全球冰 到雪球假说关于新元古代冰川事件的最新研究 . 高校地质学报， 2002 ， 8 （ 4 ）： 474-481 翟裕生 . 矿床学的百年回顾与发展趋势 . 地球科学进展， 2001 ， 16 （ 5 ）： 719-725 Bains S, Corfield R M, Norris R D. 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