黄土碳酸盐的环境地球化学研究

作     者：盛雪芬 

作者单位：南京大学 

学位级别：博士

导师姓名：陈骏;杨杰东

授予年度：2004年

学科分类：070903[理学-古生物学与地层学(含：古人类学)] 0709[理学-地质学] 070901[理学-矿物学、岩石学、矿床学] 07[理学] 

主      题：黄土高原 碳酸盐 微形貌特征 稳定同位素 古环境重建 地球化学 

摘      要：作为全球变化研究三大档案库之一的中国黄土沉积，在最近几十年间被广泛研究，其完整地记录了东亚季风气候的变迁历史，也体现了全球气候变化在东亚地区区域性的响应。其中碳酸盐是黄土沉积中最为特殊的矿物，已作为古环境变迁的信息载体被广泛加以研究。本文立足于黄土高原碳酸盐矿物的环境地球化学性质，在前人的基础上，对其进行较为细致的探索，所得的结论如下：\n 1.通过对环县、平凉、镇原、西峰、洛川和宝鸡等6剖面13万年来的黄土—古土壤沉积序列中碳酸盐含量进行测定，与相应层位的磁化率值进行对比分析，阐述了不同地区相同沉积序列(在空间上)以及同一剖面不同的成壤时期(时间上)碳酸盐含量的分布规律。通过与年均古降水量和年均温度的相关性计算，证实古土壤中碳酸盐含量与降水量具有良好的相关关系，马兰黄土中碳酸盐含量与古降水量之间不存在相关关系，说明末次冰期形成的马兰黄土中碳酸盐受到较弱的成壤作用或受到后期的改造较少。但在整个剖面上碳酸盐含量与古降水量和古温度的相关性较好，说明在较长的历史时期，黄土—古土壤中的碳酸盐含量受古降水量控制，从而探讨了黄土—古土壤中碳酸盐的含量差异与成壤时期古夏季风强度的关系。2.利用扫描电镜、透射电镜等现代测试技术，对黄土—古土壤中出现的碳酸盐矿物的形貌特征进行系统观察研究，根据是否具有碎屑特征将其分为原生碳酸盐和次生碳酸盐两大类型。根据彼此形貌特征和外观特点的不同，将次生碳酸盐分为成壤碳酸盐、钙结核、根状结核、假菌丝体、胶膜碳酸盐、蜗牛壳体碳酸盐以及白云石等7个种类，并分别对它们进行详细的描述。根据不同成因碳酸盐之间的粒度差异，提出黄土—古土壤混合体系中可以通过分粒级试验将原生碳酸盐和成壤碳酸盐进行有效的区分。\n 3.通过对洛川、西峰和环县等三个剖面不同时间尺度内黄土—古土壤序列样品进行分粒级实验，并对不同粒级组分稳定同位素比值以及与典型的次生碳酸盐蜗牛壳体与根状结核碳酸盐的稳定同位素比值进行对比研究，发现不同粒级组分碳酸盐的稳定同位素具有较大的差异性，这种差异性在黄土高原空间上和时间上均具有普遍性。从稳定同位素的角度证实了，45μm的粒级组分中的碳酸盐主要由原生碳酸盐组成，而2μm的粒级组分中的碳酸盐主要为成壤碳酸盐，可以作为古环境、古气候状态重建的研究对象。利用成壤碳酸盐的稳定同位素进行古生态C4植物百分比和古温度的重建。45μm粒级组分中碳酸盐代表了黄土—古土壤混合体系中原生碳酸盐，可以反应黄土物质源区的一些信息。\n 通过对比环县、西峰和洛川三个地区的成壤碳酸盐稳定同位素相对大小和变化规律，指出古夏季风在黄土高原空间上演化趋势，自东南向西北方向夏季风的强度减弱；13万年来不同地区C4植物含量呈增长趋势，指示着黄土高原13万年来降水量在逐渐降低，气候变得越来越干旱。根据洛川剖面250万年来的成壤碳酸盐和根状结核的稳定同位素比值对古温度和C4植物含量进行推算，根据两条曲线的变化规律，分别对C4植物含量的演变和古温度变化过程进行详细的分析。洛川地区250万年来气候主要可分为两个不同演化阶段，以S5前后为分界线。在此之前，与冬季风不断的抗衡过程中，夏季风在力量上得到不断地加强，降水量在连续的升降过程中以上升为总的演化趋势，古温度也在相应地上升；之后，洛川地区地气候特点走向了反面，在冬、夏季风循环推进，此消彼长的旋回中，冬季风的强度不断得到加强，导致古温度下降，降水量下降而C4植物的百分含量上升。\n 4.对洛川剖面的蜗牛壳体化石进行系统的研究，测定并对比与成壤碳酸盐和根状结核的稳定同位素比值的差异，指出不同次生碳酸盐类型具有不同的稳定同位素分馏机制。利用现代蜗牛壳体碳酸盐的氧同位素与降水氧同位素之间的关系推导出黄土高原地区蜗牛壳氧同位素与降水中氧同位素的关系式，利用该关系式和蜗牛化石氧同位素比值来计算古温度。\n 通过对蜗牛壳体化石的EPR研究，发现在黄土与古土壤层位中出现的蜗牛壳体具有大小不同Mn2+的EPR强度，由于软体动物对环境中Mn2+的吸收不具有分馏现象，因此蜗牛化石的EPR相对强度可以代表环境中的Mn2+的相对含量，因此根据蜗牛壳体中EPR强度可以重建环境中氧化还原状况。同时对化石蜗牛壳进行矿物相的测定后，发现蜗牛壳体文石在一定的层位开始转化为方解石，这种碳酸钙不同矿物形态之间的转变具有一定的地层划分意义，也为碳酸盐矿物相变研究提供一些相关资料。\n 5.