恢复古环境方法与手段的进展

攻读博士、硕士学位研究生试卷（作业）封面（2012至2013学年度第2学期）题目恢复古环境方法与手段的进展科目现代自然地理学姓名赵黎专业自然地理学号2012211588简短评语成绩：授课教师签字：恢复古环境的方法与手段的进展摘要：自工业革命以后，特别是二战以后随着全球工业化的快速发展，大气污染日益严重。特别是最近三四十年，全球变化、世界各地的极端气候频频发生，人们对气候变化越来越重视，随之开始大力研究恢复古环境来寻求解决当今的各种气候变化，在古环境的恢复研究中方式方法日趋多样化，如：粘土矿物分析、湖泊纹层分析、极地冰川、古生物化石等等。本文将简单的介绍一些常见的方式方法以供大家了解。关键词：古环境古气候古生物沉积物环境的变换归根结底还是气候的变化，那么恢复古环境方式方法归根结底就是恢复古气候的方式方法。所以说研究古环境就是在研究古气候。气候变化早为人们关注，洪涝、旱灾早与人类的生产、生活甚至生死存亡休戚相关。自有文字以来，各地旱涝灾情的记载随处可见，可见气候与人类关系之密切。近年来，人们又议论着一个新的话题：世界气候真的会越来越暖吗？世界气候变暖真能把南极大陆的冰盖融化吗？海平面真的会因此而出现灾难性的上升吗……过去，环境变化并未被人们重视。然而，近来，人们在关注气候变化的同时，也关心着环境状态的演变。诸如，城市空气是否变得污浊，饮用水和食物是否被污染，南极臭氧洞是否能向北移动威胁人类的安全……要评价现代气候和环境的变化很自然地要考证过去气候和环境的历史资料。然而，有观测记录的历史气候资料，最长的只有数百年，而历史环境资料就更短了，真正有观测记录的是最近几十年的事。科学家们知道，气候和环境变化的准周期长短不一，有几年，几十年，几百年甚至几千年。因此，恢复古气候和古环境变化资料，是研究未来气候和环境演变的基础。近几十年以来，随着科学技术的发展以及各种先进精密仪器的问世，恢复古气候、古环境的方法已有很多。下面呢简要的介绍几种常见的、比较成熟的方法：孢粉分析：近十多年来，随着全球变化研究的深入，孢粉学用于恢复第四纪古环境成为越来越重要的工具。特别是高分辨定量恢复的植被类型、气候要素、覆盖度等研究结果已作为重要的全球变化对比依据和验证各种模型的古环境证据。当前第四纪孢粉学研究己取得了长足的进步，为了达到良好的定量恢复效果，全球各地相继建立了不同空间尺度的孢粉数据库，开展了大量的现代孢粉过程研究，在方法上也得到了不断的完善。我国利用孢粉数据定量恢复古环境的研究有很长的历史，但进展较为缓慢。近年来在我国孢粉学者的共同努力下，在国际合作与交流的推动下，我国第四纪孢粉定量古环境研究有了很大的突破。尤其是利用转换函数方法、最佳类比法、花粉比值法、生物群区法等获得了不少很有价值的替代性参数。而且定量转换的环境替代性指标不仅局限于年均温和降雨量，植被类型、植被覆盖度、干旱指数，以及其他气候参数都有了可喜的进展。沉积物粒度分析：沉积物粒度是古环境演变研究当中的一个重要的替代性指标。对于混杂堆积的研究一个很重要的方面便是沉积物粒度的研究。众所周知，沉积物粒度当中单个颗粒的特征，如圆度、球度、表面痕迹（如石英扫描电镜等）等部分地受沉积物形成时沉积动力环境的影响。同样，沉积物的粒度分布特征，如均值粒径、各粒级百分含量、偏态、峰度、组构等，也受到沉积动力环境的影响。因此，沉积物粒度可以用来作为古环境演变研究的一个重要指标。现在，许多学者都成功地将粒度分析应用于第四纪环境演变研究当中，取得了一系列重大的科研成果。但是，目前对于第四纪环境演变研究的诸多方法和理论（包括沉积粒度在内），都不是很理想。当然，由于自然环境变迁的复杂性，我们也不可能凭借某一种或两种理论和方法就能将古环境完美地描述出来，我们还必须在不断改进完善现有的理论和方法的同时，寻求更为有效的方法进行研究。沉积矿物分学析：沉积矿物学是界于沉积学与矿物学（沉积学与矿物学是地质学中比较古老的分支学科）之间的边缘交叉学科。近些年随着地学研究水平不断提高,研究方法不断涌现,使得沉积学与矿物学的联系越来越密切,产生了一门新兴边缘学科:沉积矿物学。虽然至今没有统一的定义,也没有提出系统的沉积矿物学理论与方法,但沉积矿物学在古气候、物质来源、沉积环境、油气勘探以及构造演化中得到广泛的应用,在物源示踪、季风演化、大洋环流、盆山演化等方面取得了重要进展。它通过沉积物(岩)中矿物的组成、含量、组合特征、成因和单矿物化学成分、晶体结构、形态、性质的分析,研究沉积物在搬运、风化剥蚀、沉积过程和成岩过程中矿物的物理、化学行为特征,进而研究它们在时间、空间上的分布特征与规律,从而探讨物质来源、成因、形成演化历史与环境变迁等。近些年来沉积矿物学在研究古气候、物质来源、沉积环境、油气勘探以及构造演化中发挥着重要作用,成为古环境恢复与重建的重要研究手段之一。在阐述粘土矿物、重矿物、碳酸盐类矿物等的古环境意义的基础上,对其近20a来在湖泊、黄土、海洋古环境恢复当中的应用进展进行了回顾和评述。随着新的沉积矿物研究方法的不断出现和应用,结合沉积物的物理指标、化学指标以及古生物学等其他指标,沉积矿物学将在古环境重建中发挥越来越重要的作用,具有广阔的应用前景。元素碳碳同位素分析：元素碳几乎完全来源于植被的燃烧，是燃烧产生的一系列含碳物质，包括碳屑(Charcoal)、丝炭(Fusain)、烟炱(Soot)、微晶石墨(Micrographite)和黑碳(BlackCarbon)等，其化学性质稳定，长期广泛地分布于大气、土壤、沉积物、岩石、水体和冰体等自然界载体中，是土壤和海洋埋藏碳的重要组成部分，是有机污染物的重要载体，能够影响地球的辐射热平衡，还可能是全球重要碳汇源。记录了大量的古环境信息。利用元素碳碳同位素(δ13CEC)指标来反映古气候、古植被信息是将元素碳应用到古环境研究的一个重要方面，本文通过总结国内外学者利用δ13CEC指标进行古环境研究的现状，总结出对于“直接利用δ13CEC指标进行古环境恢复”这一关键问题还存在不同认识。燃烧前后物质的碳同位素是否发生变化是利用δ13CEC进行古环境研究时需要考虑的一个重要问题，国内外学者近20年来对C3、C4植物开展了大量燃烧实验，主要结论是C3植物燃烧前后物质的碳同位素变化(Δδ13C)较小，在±1‰以内，而C4植物变化范围较大，在0‰～－9‰之间；此外，文中还讨论了元素碳外源输入等可能影响δ13CEC指标的因素。建议在利用δ13CEC指标进行古环境重建之前，有必要对δ13CEC进行详细的基础研究工作，进一步研究表土δ13CEC与地表植被相关性以及元素碳外源输入等问题。利用元素碳碳同位素(δ13CEC)指标来反映古气候、古植被变化是将元素碳应用于古环境研究的重要方面，研究载体主要有深海沉积物、湖泊沉积物、土壤、黄土等。目前相关研究虽已取得了大量进展，但对于“δ13CEC能否直接用于古植被的恢复”这一关键问题还存在不同认识。湖泊纹层分析：利用湖相纹泥层偶的成分和厚度变化,常常是恢复各种古环境尤其是古气候信息的重要手段。在不同的沉积环境条件下,纹层的沉积厚度和组成特征会有一定的差异,对这些差异及其所反映的沉积条件变化的研究,是利用纹层反推过去古环境演化的基础。但在此过程中,沉积物同生期的化学变化应该是不可忽视的,这些变化可以造成纹层的成分和厚度的变化,具体包括:磷的迁移:含磷物质沉积以后,可以与湖水之间发生很复杂的磷元素的交换。磷重新进入水体,一定程度上可以促进藻类的繁盛,尤其是在季节性回水的湖盆中,底部富含磷的湖水循环到表层,可以形成藻类的周期性勃发,从而在短期内形成碳酸盐纹厨口大量的有机质。与磷循环有关的藻类繁盛所形成的沉积物质未必与气候等环境因素有关。铁的迁移:在有机质丰富、硫酸盐供给充足、强还原的情况下,脱硫弧菌可以利用湖底的有机质,将硫酸盐还原成HZS,与水体中已被还原的Fe2+结合形成FeS,FeZS。但黄铁矿等的形成还会与成岩期孔隙中流体的化学作用有关。吴朝东指出同生黄铁矿粒度一般小于1um,呈星点状或毒球状;成岩期黄铁矿表面一般均匀、光亮,粒度为5-10um。这种成岩期的黄铁矿在富含火山灰的湖泊沉积物中也很常见。所以,沉积物中的黄铁矿也并非一味都代表强还原环境,对黄铁矿的精细研究可以确定湖水的分层性质、有机质和硫酸盐沉积的原始丰度。有机质的保存:分层的湖水对有机质的保存是相当有利的,而湖水长期混合的情况下,由于溶解氧的氧化作用,尽管初级生产力可能较高,但沉积物中有机碳的含量往往很低。但永久性分层的湖泊中,如果沉积物中硫酸盐的含量较高,在硫酸盐被细菌还原的同时,也会发生有机质的氧化作用,使沉积物中的有机质含量减少。不过,湖水过高的盐度则会抑制绝大部分细菌的活动,使有机质能最大限度地保存下来。在利用纹层有机质恢复古湖泊初级生产力、沉积速率、气候变化时必须考虑古湖水的分层性和硫酸盐的含量变化。碳酸盐的保存:表层湖水中的碳酸盐以生物骨骼或微晶的方式形成以后,也并非都能保存在沉积物中。由于不同深度水体中的碳酸盐饱和程度的差异或湖底有机质分解产生大量的有机酸和C,在水体分层的湖泊中往往存在一个碳酸盐的“溶跃面”,使碳酸盐微晶在“溶跃面”以下发生溶解。故在碳酸盐并未饱和的淡水一半咸水湖泊内,纹层中的碳酸盐含量并不一定反映碳酸盐的原始产率。对有机质、碳酸盐和其它沉积物含量的综合分析,有助于恢复古湖水的分层性质、化学性质、碳酸盐的原始产率甚至古生产力。综上所述,在利用纹层的成分、厚度等沉积信息恢复古气候、古环境的时候,不能忽视古湖水的分层性质、化学性质等方面对原始沉积纹层的同生化学改造作用。另一方面,正确利用纹层的同生化学变化信息,也有助于古气候和古湖泊沉积环境的研究。古生物足迹及化石分析：古生物足迹及化石是确定古环境的良好标志。古生物足迹及化石的形成需要严格的保存条件，不同类型的足迹、化石对其形成环境具有很强的指示作用。对古生物足迹进行了生态分类分为硬基底足迹、软基底足迹、浅水划行迹、水深小于或等于生物身高的游泳迹、水深大于生物身高的游泳迹等5类。提出可以根据古生物足迹、游泳迹的生态类型对古水体深度、古水流方向、沉积物中水分含量等古环境进行恢复。同时可以利用足迹群的方向性、足迹和游泳迹的层面组构及垂向更替进行古岸线的恢复及沉积过程和古气候旋回的分析。粘土矿物分析：粘土矿物普遍存在于各种类型的沉积物和沉积岩中。作为次生矿物,粘土对环境的变化极为敏感,因而粘土矿物的沉积分异、组合特征、矿物成分及其含量和矿物结晶度都从不同的角度记录了粘土矿物形成过程中各种环境因素的变化。这些对恢复古环境,研究全球变化具有重要的指示意义。粘土矿物普遍存在于各种沉积物和沉积岩中。作为次生矿物,其成分、结构、形态及理化性质等矿物特征都不同程度地受到环境变化的影响。所以,粘土矿物的沉积分异、组合特征,矿物含量及矿物结晶度都从不同方面记录了环境变化的信息,使粘土矿物成为了环境变化信息的载体。这主要体现在以下几个方面：粘土矿物的地带性、不同粘土矿物所对应的不同沉积环境、粘土矿物与气候变化。历史是一面镜子,可以使人类认识昨天,预测未来。对古环境古气候的研究也具有同样的作用,能使人们更好地把握现在。对全球变化的研究需要各学科的协作。粘土矿物本身的特点决定了它在古环境的研究中占有一席之地。参考文献：郑卓.2009.利用孢粉分析进行第四级古环境恢复的思考[C].中国古生物学会第十次全国会员代表大会暨第25届学术年会——纪念中国古生物学会成立80周年论文摘要集,中国古生物学会:2009:2.李其华.2003.沉积物粒度在古环境重建中的应用[J].巢湖学院学报,5(3):26-28.宋友桂.2009.沉积矿物学在古环境恢复中的应用与进展[J].东华理工大学学报,32(4):313-323.刘恋，周鑫，葛俊逸.2012.元素碳碳同位素在古环境研究中的应用[J].地质评论,58(3):526-532.王冠明、钟建华、马在平.2003.湖泊纹层的同生化学变化对古环境恢复的影响[J].地学前沿,10(4):4162419.胡勇，卢宗盛