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环境地球化学第1页第三节:黄土研究与全球变化中国黄土分布区域环境地球化学第2页第三节:黄土研究与全球变化一、黄土堆积中古环境信息提取和主要替代性气候指标1.黄土—古土壤序列完整的黄土剖面下伏第三纪红色粘土堆积(以前命名为三趾马红土，现在以红粘土称之)。在沉积完整的地区，黄土与红粘土为整合接触，连续过渡。洛川剖面为中国黄土的标准剖面之一，该剖面黄土厚约135m，出露的红粘土厚约15m。在洛川黄土剖面中，有两类颜色、结构区别很大的地层单元，一为黄土层，另一为古土壤层。黄土层一般为灰黄色，质地较均一，无明显结构；古土壤层则为红色，有明显土壤结构和土壤发生层次。环境地球化学第3页第三节:黄土研究与全球变化1.古土壤；2.黄土；3.红粘土；4.洪积物。极性柱中，黑色代表正向极性，白色代表反向极性中国黄土、古土壤序列对比环境地球化学第4页第三节:黄土研究与全球变化2.黄土中的古土壤和古土壤所包合的环境变化信息黄土、古土壤在地层中的交替出现是气候冷暖旋回的反映。利用黄土-古土壤系列重建第四纪古气候的前提是黄土地层必须连续。土壤地层单位的上界为古土壤的物理上界，下界为黄土母质的物理下界。每一个土壤地层单位代表了一个完整的冷暖期旋回。不少地区在间冰期时以土壤发育为主，而冰期时则以沉积、侵蚀和坡地堆积的发育为主。在很多非水下沉积物中，古土壤是间冰期环境的唯一记录。冷期时黄土高原以接受黄土堆积为主，黄土的风化微弱；暖期时黄土高原以接受地表风化为主，或以冷期时堆积的黄土为母质，形成一定类型的古土壤。环境地球化学第5页第三节:黄土研究与全球变化二、黄土的碳氧同位素与10Be研究1.黄土的碳、氧同位素陆相沉积物中碳氧同位素的分馏过程与海洋截然不同。如陆地和海洋沉积物的氧同位素—温度效应极为不同，南级和格陵兰冰岩心的δ180值随温度的降低而减少，而深海沉积物碳酸盐的δ180值却随温度的增加而减少。研究表面：温度每升高1℃，大气降水的δ180值大约增加0.5‰。因此，陆地系统对气候变化的响应可能比海洋系统更为敏感。碳酸盐是人类探索如何利用陆地沉积物同位素的变化提取古气候信息的理想材料。环境地球化学第6页第三节:黄土研究与全球变化成土过程中土壤碳酸盐的溶解、迁移和再沉淀CaCO3十C02十H20＝Ca2+十2HC03-环境地球化学第7页第三节:黄土研究与全球变化不同剖面全岩样品碳酸盐的碳同位素记录具基本相似的变化趋势，自东向西同一层位全岩样品碳酸盐的δ13C值越来越偏正，表明全岩样品的碳酸盐可能记录了很多环境变化的信息。渭南、吉县和会宁黄土剖面全岩样品中碳酸盐δ13C值变化曲线环境地球化学第8页第三节:黄土研究与全球变化不同类型古土壤底部的钙结核具有明显不同的碳氧同位素组分，古土壤形成时环境温度越高，湿度越大，其δ18O值越偏正，δ13C值越偏负。Cerling对世界各地现代土壤次生碳酸盐的碳氧同位素研究发现：氧同位素组分与大气降水的氧同位素组分有关，碳同位素组分与土壤C02的δ13C值成正相关性。环境地球化学第9页第三节:黄土研究与全球变化2.黄土的10Be10Be是由宇宙射线高能粒子与大气主要成分氮、氧原子核进行散裂反应产生的，半衰期1.5×106a。大气圈中产生的10Be被气溶胶吸附，通过降水、降尘沉降至地表，可称为大气成因10Be。降水中的10Be浓度分布与气团运动及粉尘传输过程有关。黄土是干旱半干旱气候条件下形成的风成沉积物，10Be自始自终参与了粉尘形成与堆积的全过程。因此，10Be成为研究黄土形成作用的理想同位素示踪剂环境地球化学第10页第三节:黄土研究与全球变化洛川黄土剖面10Be及磁化率随深度变化曲线1一10Be浓度曲线，2一磁化率曲线。图中km表示质量磁化率。环境地球化学第11页第三节:黄土研究与全球变化“就地成因10Be”：宇宙射线与矿物自身氧进行散裂反应产生的10Be被称之。石英具有致密牢固结构，水和各种离子都难以渗透进去，因而其“就地成因10Be”不易受“大气成因10Be”的污染。另一方面，石英是黄土的重要组成部分，因此，通过研究黄土石英中“就地成因10Be”含量特征，可以得到黄土有关源区风化、侵蚀、暴露和埋藏等信息。环境地球化学第12页第三节:黄土研究与全球变化石英“就地成因10Be”应由岩石风化前产生的10Be、搬运过程产生的10Be及堆积埋藏期间产生的10Be三部分构成。但由于沉积物的搬运时间远小于暴露时间和埋藏时间。因此可以近似认为石英“就地成因10Be”仅由岩石风化前10Be及堆积埋藏10Be两部分组成，即：Cr(x)＝C0e-(λx)十c(x)环境地球化学第13页第三节:黄土研究与全球变化不同堆积速率对应的石英“就地成因10Be”浓度与深度的关系环境地球化学第14页第三节:黄土研究与全球变化侵蚀速率/cm·a-12.3×10-44.6×10-47.0×10-49.3×10-411.6×10-410Be浓度原子·g－11.37×1067.18×10540.80×1053.67×1052.95×1054.71×1062.47×1051.65×1061.26×1061.02×1062.10×1061.10×1067.37×1055.63×1054.53×1053.23×1061.70×1061.13×1068.66×1056.96×105黄土源区侵蚀速率与石英就地成因10Be浓度关系环境地球化学第15页第三节:黄土研究与全球变化堆积速率样品及深度m0.010.005GL47，9m(L1)GL83，17.15m(L2)GL47，9m(L1)GL83，17.15m(L2)10Be浓度原子·g－14.40×1044.2×1048.49×l047.91×1041.51×1051.46×l052..93×1052.73×1056.76×1046.52×1041.31×1051.22×1051.04×1051.00×1052.01×1051.87×105黄土沉降区堆积速率与石英“就地成因10Be”浓度关系环境地球化学第16页第三节:黄土研究与全球变化三、中国黄土高原季风变迁与稳定同位素证据黄土和古土壤中有机碳含量与土壤发育程度、磁化率一致，即土壤发育程度越高，磁化率值也越高，有机碳含量也越高。因此，有机碳含量的高低是土壤发育程度的一个度量。有机碳含量的多寡反映了土壤中有机质含量的高低，是特定的生物气候条件下的产物，其含量和性质都与环境状况有关。有机质含量的多寡反映了植被生物量的大小和气候的相对温湿。有机碳δ13C稳定同位素组成可作为气候变化的代用指标。环境地球化学第17页第三节:黄土研究与全球变化段家坡剖面磁化率、有机质含量和有机质δ13C分布曲线1一马兰黄土；2一离石黄土，3一弱发育古土镶，4一古土壤环境地球化学第18页第四节：冰岩心研究与全球变化冰雪中的δ18O变化可用来计算年累积率，其中的尘埃微粒浓度与δ18O有明显的相关关系。通过冰岩心的系统研究，能完整地反映以气温为主的气候变化。冰形成过程中，空气成小气泡被包裹在冰里，这种气泡里的空气可大致代表形成冰当时的空气样品。分析这种空气的组分可提供粒雪最后压紧成致密的冰时的大气组分。每一年所形成的冰层，可借助于粉尘含量的季节性变化、酸度的不同或者同位素含量来区分。从长的冰心获得的主要记录是水分子的氧同位素组成。在某一点水汽凝结的时候，温度每变化1oC，可产生同位素比值0.6‰～0.8‰的偏差，利用采自冰心的冰样品同位素比值分析，可以得出下雪地点下雪时的温度。环境地球化学第19页第四节：冰岩心研究与全球变化1．青藏高原冰心研究进展深长冰岩心内稳定同位素分析研究可以获得最近数万年气候变化的信息。而浅孔冰岩心中的δ18O的变化则可反映近百年的气候波动，其精度可分辨出时间尺度为年的变化特征。环境地球化学第20页第四节：冰岩心研究与全球变化德令哈地区年降水和年均温度及其与敦德冰帽δ18O的关系环境地球化学第21页第四节：冰岩心研究与全球变化祁连山敦格冰帽D5孔氧同位素曲线环境地球化学第22页第四节：冰岩心研究与全球变化祁连山敦德冰帽D6孔氧同位素曲线环境地球化学第23页第四节：冰岩心研究与全球变化中纬度冷型冰川的年平均温度与冰岩心中的δ18O、δD的关系为；δD＝（6.04t—51）×1000（‰）δD=（8δ18O＋10）×1000（‰）合并后得到：t=(8δ18O一61)／6.04温度并不是影响δ18O值变化的惟一因素，所以用上述公式计算出的温度只是一个参考气候指标。环境地球化学第24页第四节：冰岩心研究与全球变化温度的波动频率远大于降水的波动频率，即在百年级的气候变化中，温度可以有冷或暖的多次交替，相比之下，降水持续干或湿的时间要相对长一些，但每一个干湿循环中的变化幅度却又降水大于温度。环境地球化学第25页第四节：冰岩心研究与全球变化冰川累积量与氧同位素的数值变化曲线上还可以划分出7个冷期、8个暖期。环境地球化学第26页第四节：冰岩心研究与全球变化对冰岩心气泡中的空气成分进行分析还可以得到空气中CO2含量的变化。LGM大气CO2水平为（190～200）×10-6，而全新世平均水平为（270～280）×10-6；晚冰期格陵兰Dye3冰岩心CO2含量曾在1.3万aBP明显增加，约为300×10-6，并与δ18O指示的第一次升温过程一致。环境地球化学第27页第四节：冰岩心研究与全球变化新仙女本期存在的过去2万年的氧同位素记录环境地球化学第28页第四节：冰岩心研究与全球变化南极东方冰心记录a.微粒的体积浓度；b.非海相硫酸盐的含c.CO2含量；d.δ18O；e.估计的降水率；f.推测的古温度。环境地球化学第29页第四节：冰岩心研究与全球变化包藏在南极西部冰中气体测得的平均二氧化碳浓度与气体估计的年龄关系图环境地球化学第30页思考题1．简述树轮研究在探讨气候变化中的方法和研究中需要注意的问题;2．试比较树轮研究中碳氧同位素在反映气候变化中的优劣和它们的基本原理？3．试举一例谈谈碳同位素研究在气候变化中的具体应用；4．简述为什么动物体内的同位素组成可作为反映气候变化的指标？5．为什么有孔虫被广为用来作为古气候变化的指标？举一例谈谈其具体应用；6．谈谈黄土研究在全球变化研究中的贡献;7．简述黄土和古土壤层的碳、氧同位素特征和它们所反映的气候条件；8．黄土和古土壤层的碳同位素组成与植被间的关系？9．谈谈Be10在古环境研究中的示踪意义；10.试述冰岩心研究用于全球变化研究中的基本原理；11．简述冰期效应造成的海水氧同位素组分（δ18O）的变化。