环境地球化学中科院过去信息提取课件1.ppt

1、完整版课件ppt1第四章第四章 地球化学与过去全球变地球化学与过去全球变化信息提取化信息提取第一节第一节 树轮研究与气候变化树轮研究与气候变化第二节第二节 动物体内同位素组成、种群特征与动物体内同位素组成、种群特征与 全球变化全球变化第三节第三节 黄土研究与全球变化黄土研究与全球变化第四节第四节 冰岩心研究与全球变化冰岩心研究与全球变化第五节第五节 碳酸岩研究与全球变化碳酸岩研究与全球变化第六节第六节 湖泊沉积物研究与气候、环境演化湖泊沉积物研究与气候、环境演化完整版课件ppt2科学的实践观告诉我们，只有掌握过去环境变化历科学的实践观告诉我们，只有掌握过去环境变化历史，才能真正了解现在，只有掌

2、握了过去和现在，才能史，才能真正了解现在，只有掌握了过去和现在，才能预测环境的未来。过去全球历史演变有地质和地球化学预测环境的未来。过去全球历史演变有地质和地球化学的记录，提取这些记录揭示其对地球未来的意义，并为的记录，提取这些记录揭示其对地球未来的意义，并为评价现今的环境提供对照的基准。评价现今的环境提供对照的基准。IGBPIGBP自自19881988年建立并年建立并开展工作以来，调动世界各国科学家开展多学科的国际开展工作以来，调动世界各国科学家开展多学科的国际协作，研究过去全球变化的海洋记录和陆地记录，系统协作，研究过去全球变化的海洋记录和陆地记录，系统研究研究1515万年以来全球环境变化

3、的地质地球化学记录，特万年以来全球环境变化的地质地球化学记录，特别加强研究别加强研究20002000a a以来的地球历史，以重建过去以来的地球历史，以重建过去20002000a a全全球气候和环境变化的详细历史（时间分辨率应达到球气候和环境变化的详细历史（时间分辨率应达到1 1a a）。）。在对过去历史的研究中，在对过去历史的研究中，树轮、湖泊沉积物、海洋沉积树轮、湖泊沉积物、海洋沉积物、冰岩芯、黄土剖面、古土壤、沉积岩层、孢粉及火物、冰岩芯、黄土剖面、古土壤、沉积岩层、孢粉及火山灰等可以提供丰富的环境演变信息山灰等可以提供丰富的环境演变信息。完整版课件ppt3 地球化学为提取历史信息提供了必

4、不地球化学为提取历史信息提供了必不可少的理论基础和手段。稳定同位素分可少的理论基础和手段。稳定同位素分馏理论确定了自然档案的馏理论确定了自然档案的1818O O、1313C C、DD等指标可以作为古气候、古温度及古等指标可以作为古气候、古温度及古环境演化的见证；同位素年代学的应用环境演化的见证；同位素年代学的应用可以直接测定自然档案的绝对年龄，为可以直接测定自然档案的绝对年龄，为历史演变研究建立时间坐标；主量元素历史演变研究建立时间坐标；主量元素和微量元素的分布、分配、存在形式以和微量元素的分布、分配、存在形式以及表生地球化学行为是古环境的灵敏指及表生地球化学行为是古环境的灵敏指示剂。示剂。完

5、整版课件ppt4第一节第一节 树轮研究与气候变化树轮研究与气候变化1 1 研究现状研究现状树木稳定同位素研究是近树木稳定同位素研究是近2020年在国际上兴起的年在国际上兴起的一个新的领域。树木年轮稳定同位素分析，可用一个新的领域。树木年轮稳定同位素分析，可用来获取高分辨率的气候代用记录，在重建历史上来获取高分辨率的气候代用记录，在重建历史上的气候和环境方面发挥着重要作用。开展树轮稳的气候和环境方面发挥着重要作用。开展树轮稳定同位素季节性变化的研究，不仅可以获取树轮定同位素季节性变化的研究，不仅可以获取树轮稳定同位素年际变化的信息和树木生长季内的气稳定同位素年际变化的信息和树木生长季内的气候状况

6、，而且，还可以获取大气二氧化碳浓度及候状况，而且，还可以获取大气二氧化碳浓度及环境变化的极有价值的信息资料。它们对于未来环境变化的极有价值的信息资料。它们对于未来的气候变化、生态变化、水圈变化及某些灾害性的气候变化、生态变化、水圈变化及某些灾害性变化都具有重要的理论和实际运用价值。变化都具有重要的理论和实际运用价值。完整版课件ppt5 研究表明，在重建数百年至数千年的历史研究表明，在重建数百年至数千年的历史气候工作中，树轮具有很大的优越性。因气候工作中，树轮具有很大的优越性。因为它有很高的时间分辨率（一年或更短）。为它有很高的时间分辨率（一年或更短）。同时，同位素数值与主要的气候参数，如同时，

7、同位素数值与主要的气候参数，如温度、湿度及大气降水有密切的关系。温度、湿度及大气降水有密切的关系。我国稳定同位素研究刚刚起步，目前中国我国稳定同位素研究刚刚起步，目前中国科学院黄土与第四纪地质实验室、中国科科学院黄土与第四纪地质实验室、中国科学院地球化学研究所等单位已进行了该方学院地球化学研究所等单位已进行了该方面的研究。面的研究。完整版课件ppt6 2 2 实验技术实验技术 目前，稳定同位素碳、氢、氧分析方法都目前，稳定同位素碳、氢、氧分析方法都已经成熟，并能达到相当高的精度，足以保已经成熟，并能达到相当高的精度，足以保证测量出自然因素引起的同位素组成的变化。证测量出自然因素引起的同位素组成

8、的变化。就树木年轮同位素分析而言，关键问题是如就树木年轮同位素分析而言，关键问题是如何可靠地从树木中分离出适合质谱分析的样何可靠地从树木中分离出适合质谱分析的样品，同时又不破坏其原始同位素成分。品，同时又不破坏其原始同位素成分。完整版课件ppt7 树木的化学组成为：纤维素占树木的化学组成为：纤维素占5050，木质素，木质素占占3030，半纤维素占，半纤维素占1515，树脂和树蜡约占，树脂和树蜡约占5 5。目前研究结果证实，纤维素能稳定地。目前研究结果证实，纤维素能稳定地保留树木生长期间的同位素成分，其后不发保留树木生长期间的同位素成分，其后不发生同位素变化。树脂和树蜡具有一定的流动生同位素变化

9、。树脂和树蜡具有一定的流动性，干扰同位素的测定。在提取供分析用的性，干扰同位素的测定。在提取供分析用的纤维素时，应十分注意避免溶剂对试样中同纤维素时，应十分注意避免溶剂对试样中同位素发生影响，引起同位素分馏。位素发生影响，引起同位素分馏。完整版课件ppt83 3 树木年轮同位素理论研究树木年轮同位素理论研究目前树木稳定同位素的研究主要集中于同目前树木稳定同位素的研究主要集中于同位素基础理论，如同位素生物分馏机理、分位素基础理论，如同位素生物分馏机理、分馏系数、分馏模式的研究上，尽管这方面所馏系数、分馏模式的研究上，尽管这方面所存在的问题还未得到完全解决，但已经累积存在的问题还未得到完全解决，但

10、已经累积了可观的实验数据和资料。并且证明了树木了可观的实验数据和资料。并且证明了树木同位素丰度变化与一些重要的气候参数及环同位素丰度变化与一些重要的气候参数及环境条件诸如境条件诸如温度、湿度、降水、大气温度、湿度、降水、大气COCO2 2浓度浓度等存在着某种函数关系等存在着某种函数关系。现将简况分述如下：。现将简况分述如下：完整版课件ppt9 树木年轮氢同位素研究树木年轮氢同位素研究 对植物生理对植物生理的研究及大量的同位素的实验表明，严重影响的研究及大量的同位素的实验表明，严重影响树木中氢同位素丰度的气候要素主要为降雨量、树木中氢同位素丰度的气候要素主要为降雨量、湿度及树木生长季节的平均温度

11、。湿度及树木生长季节的平均温度。在树木氢同位素的研究中，首先遇到的问在树木氢同位素的研究中，首先遇到的问题是题是植物生物化学作用植物生物化学作用对氢同位素的影响，人对氢同位素的影响，人们力求找出准确的各种植物的生物化学分馏系们力求找出准确的各种植物的生物化学分馏系数。数。DeNiroDeNiro在研究中定义生物化学分馏系数为在研究中定义生物化学分馏系数为E EB B，则则 E EB BDDCNCNDDSW SW 完整版课件ppt10 其中其中DCN为植物硝化纤维中的为植物硝化纤维中的D，DSW是植物在合成纤维素时所摄取的水的是植物在合成纤维素时所摄取的水的D值。值。海藻其海藻其EB+50-70

12、；水囊水囊EB0-100；管状植物管状植物EB 0-20。同时通同时通过测定控制生长条件的管状植物中水温对过测定控制生长条件的管状植物中水温对EB 的影响，得到的的影响，得到的 EB-4+75，相应相应的温度系数为的温度系数为+41-51。根据植物生理学研究，管状植物与树木根据植物生理学研究，管状植物与树木十分相似，所以这一结果也适用于树轮中。十分相似，所以这一结果也适用于树轮中。完整版课件ppt11 Yapp和和Epstein报道了报道了水生植物水生植物EB 值在值在-12-39，White报道美国东部报道美国东部白杉白杉的的EB值在值在-75-53之间之间，计算出相应，计算出相应的温度系数

13、为的温度系数为+1.61。Stratten报报道的道的小麦和玉米的温度系数分别为小麦和玉米的温度系数分别为-1.390.35-1 和和-1.450.72-1。E EB B 值随植物种类的不同而有很大的差别。值随植物种类的不同而有很大的差别。因此在采集样本时，除了对采样点进行选择因此在采集样本时，除了对采样点进行选择外，对树种也要做相当严格的选择。外，对树种也要做相当严格的选择。完整版课件ppt12 第二个问题是第二个问题是植物内部氢同位素成分与周围植物内部氢同位素成分与周围环境水中的氢同位素之间的关系环境水中的氢同位素之间的关系。YappYapp和和EepsteinEepstein研究了不同地

14、区不同植物研究了不同地区不同植物种类，测定了它们硝化纤维的种类，测定了它们硝化纤维的DDCNCN 值，同时值，同时测定了它们生长周围环境水。得到一个统计关测定了它们生长周围环境水。得到一个统计关系式：系式：DDCNCN=0.87 D=0.87 DW W-11-11 湿度对该关系式也有很大影响。不同的植物湿度对该关系式也有很大影响。不同的植物种类以及在不同湿度条件下生长的植物，其叶种类以及在不同湿度条件下生长的植物，其叶片水中的片水中的 DD值都有很大的变化。值都有很大的变化。完整版课件ppt13同样，在某些情况下，用于分析的水并不能同样，在某些情况下，用于分析的水并不能真正代表树木在生长时它从

15、周围环境所吸收的真正代表树木在生长时它从周围环境所吸收的水分。为此他们定义分馏系数水分。为此他们定义分馏系数B为为:由此由此,得到一个植物与周围环境湿度（得到一个植物与周围环境湿度（h h）之之间的线性关系式间的线性关系式:-0.124h+1.089-0.124h+1.089植物生长过程中所吸收的环境水的植物生长过程中所吸收的环境水的DDW W 值对值对纤维素中纤维素中DDCNCN 值的变化起决定性的作用值的变化起决定性的作用.)101()101(33wcnBDD完整版课件ppt14 基于大气降水被植物所吸收，植物中基于大气降水被植物所吸收，植物中氢同位素比值随降雨而发生变化，氢同位素比值随降

16、雨而发生变化，WhiteWhite认为在纤维素形成之前，植物认为在纤维素形成之前，植物叶片水的蒸发已经引起了同位素的分叶片水的蒸发已经引起了同位素的分馏。同时他给出了一个叶片水中馏。同时他给出了一个叶片水中DDL L 与硝化纤维中的与硝化纤维中的DDCNCN 之间的关系式之间的关系式:DDCNCN0.82D0.82DL L-12-12 完整版课件ppt15 第三个问题是第三个问题是DD和环境温度和环境温度的关系。的关系。YappYapp和和EpsteinEpstein对于采自不同地理位置对于采自不同地理位置的不同树种中的的不同树种中的DD进行了比较，结果进行了比较，结果表明表明DD与年平均温度

17、有关。两者之间与年平均温度有关。两者之间存在线性关系。温度系数为存在线性关系。温度系数为5.85.81 1。此值与从北美另外此值与从北美另外1111个点所收集的大气个点所收集的大气降水中降水中DD值的温度系数值的温度系数5.65.61 1几乎几乎完全一样。完全一样。GrayGray和和SongSong做了同样的研究，做了同样的研究，得出的温度系数为得出的温度系数为5.55.51 1。完整版课件ppt16他们对三棵采自加拿大树龄为他们对三棵采自加拿大树龄为7080年的树做了年的树做了D分析，得到分析，得到DCN 与年平均温度与年平均温度T之间的关系：之间的关系：DCN（7.32）T（1555）D

18、CN（131）T（1564）DCN（152）T（1658）有些学者认为应该研究有些学者认为应该研究D与生长季节的平均温度与生长季节的平均温度之间的关系。之间的关系。D=-（4.31.2）r+（0.020.01）Tmax r为生长季节总降雨量。式中为生长季节总降雨量。式中Tmax的温度系数为的温度系数为6.62.31,这与前面的结果十分吻合，因此这与前面的结果十分吻合，因此Tmax比比T更能说明更能说明D的变化。的变化。完整版课件ppt17 树木纤维素中最完整地保存了大气降水的树木纤维素中最完整地保存了大气降水的档案。实际上档案。实际上D对降水量的变化最为敏感，对降水量的变化最为敏感，D变化的变

19、化的40可由降水量来解释，降水量越多可由降水量来解释，降水量越多时，时，D值越小，反之亦然。值越小，反之亦然。从上述研究中，人们可以从树轮中提取的从上述研究中，人们可以从树轮中提取的硝化纤维中硝化纤维中DCN中计算出大气降水中的中计算出大气降水中的D，进一步还可以算出决定降水中进一步还可以算出决定降水中D的变化因素的变化因素大气温度。但有一点必须指出，并没有一大气温度。但有一点必须指出，并没有一个统一的温度系数，其可以适用于所有的地区个统一的温度系数，其可以适用于所有的地区及所有的树种。及所有的树种。完整版课件ppt18 氧同位素的研究氧同位素的研究 经过十余年的研究，人们现在可以接受的经过十

20、余年的研究，人们现在可以接受的结论是结论是O18主要是受树木生长环境中湿度的影主要是受树木生长环境中湿度的影响。在考察气候变化时，应把它与当地雨水响。在考察气候变化时，应把它与当地雨水中的中的O18变化结合起来研究。变化结合起来研究。与氢同位素研究一样，在氧同位素研究中，与氢同位素研究一样，在氧同位素研究中，人们首先需要解决的问题是生物化学分馏问人们首先需要解决的问题是生物化学分馏问题。定义生物化学分馏系数题。定义生物化学分馏系数B为为)101()101(183183wcnBOO完整版课件ppt19其中其中O18CN代表植物硝化纤维中的值，代表植物硝化纤维中的值，O18W值是指植物所吸取的水源

21、中的值是指植物所吸取的水源中的O18值。值。所谓水源，对陆生生物而言是指叶片水，水生所谓水源，对陆生生物而言是指叶片水，水生植物则是指其生长周围的环境水。植物则是指其生长周围的环境水。Epstein报道的三个不同水生植物的报道的三个不同水生植物的B值分值分别是别是1.027和和1.028。DeNiro和和Epstein在控制生长源的条件下，在控制生长源的条件下，测出小麦的测出小麦的B值为值为1.028。他俩后来又报道了海。他俩后来又报道了海生植物的生植物的B为为1.0270.003，淡水植物的，淡水植物的B为为1.0270.002。Burk和和Stuiver报道的报道的B值为值为1.0261.

22、027。完整版课件ppt20 这些结果说明各种植物的这些结果说明各种植物的B B值是相当恒定值是相当恒定的。植物纤维素中的的。植物纤维素中的OO1818值与植物生长过程值与植物生长过程中所摄取的水中的中所摄取的水中的OO1818之间有一适用于各种之间有一适用于各种植物的关系式。植物的关系式。完整版课件ppt21 植物纤维素的植物纤维素的1818O O与植物生长水源之间的与植物生长水源之间的确存在某种函数关系。确存在某种函数关系。RameshRamesh认为认为OO1818与湿度与湿度之间的关系极为密切。对印度银杉研究后，得之间的关系极为密切。对印度银杉研究后，得到关系式到关系式:1818O O

23、（1.31.30.40.4）h hWilsonWilson和和GrinstedGrinsted从他们的实验得出结论：从他们的实验得出结论：树轮中树轮中1818O O值反映了当地大气降水的值反映了当地大气降水的1818O O值。值。GrayGray和和ThompsonThompson甚至推导出了甚至推导出了1818O O与年平均温与年平均温度度T T之间的关系式：之间的关系式：1818O O（1.31.30.10.1）T T（24.524.52 2）这个关系式在每年这个关系式在每年8 8月至月至9 9月符合得最好月符合得最好.完整版课件ppt22Burk和和Stuiver在分析北美不同纬度的树在

24、分析北美不同纬度的树轮后，得到：轮后，得到：O18 0.41T22.97 而同一地区的雨水中而同一地区的雨水中 O18与与T的关系为：的关系为：O18 0.43T11.75 两者符合得很好。两者符合得很好。完整版课件ppt23 碳同位素的研究碳同位素的研究 在全球范围内，树轮中碳同位素的研在全球范围内，树轮中碳同位素的研究进行得比较多。一方面是由于碳比较稳究进行得比较多。一方面是由于碳比较稳定；另一方面是由于树轮中的碳同位素能定；另一方面是由于树轮中的碳同位素能反映树木生长时大气中的反映树木生长时大气中的COCO2 2浓度。浓度。现在人们普遍认为树轮中现在人们普遍认为树轮中1313C C值的变

25、化值的变化主要受温度、湿度及云量多少的影响。主要受温度、湿度及云量多少的影响。如何通过树轮研究解释大气的如何通过树轮研究解释大气的1313C C值，值，以下两个问题必须考虑进去：以下两个问题必须考虑进去：(1)(1)植物生长时，开放的大气环境中局部植物生长时，开放的大气环境中局部 COCO2 2压力对植物本身的影响。压力对植物本身的影响。(2)(2)大气中的大气中的1313C C值变化。值变化。完整版课件ppt24FranceyFrancey和和FarquharFarquhar提出的植物中碳同位素提出的植物中碳同位素的分馏模式将两者全部考虑进去了：的分馏模式将两者全部考虑进去了：；P Pi i

26、、P Pa a分别指植物在生长时纤维素细胞内分别指植物在生长时纤维素细胞内外所受的外所受的COCO2 2局部压力；局部压力；a a指指1313COCO2 2和和1212COCO2 2不同的不同的扩散系数（其值约为扩散系数（其值约为4.44.4）；）；b b指碳的生物化指碳的生物化学分馏系数（约为学分馏系数（约为2727）。）。aia13p13PP)ab(aCC植物纤维植物纤维素素1313C C大气中大气中COCO2 21313C C完整版课件ppt25所以上式又改写为：所以上式又改写为：1 3C p13Ca4.422.6(Pi/Pa)植物对植物对CO2的吸收速率的吸收速率A则由下列关系式与则由

27、下列关系式与CO2的局部压力联系起来了：的局部压力联系起来了：Ag（Pa-Pi）其中其中g为植物叶片的微孔导通系数为植物叶片的微孔导通系数。Long研究了过去研究了过去600年以来年以来13C与气候及大气与气候及大气CO2之之间的关系，他用上述两个公式作了详细的计算。其中间的关系，他用上述两个公式作了详细的计算。其中C1 3 p用纤维素中的用纤维素中的13C值；值；1 3C a用用Keeling所测的大所测的大气中的气中的CO213C值；值；P a是从冰芯中测出的。据以计算出是从冰芯中测出的。据以计算出P i，假如在整个工业革命以后假如在整个工业革命以后g值为常数，则值为常数，则A/g比值就比

28、值就是树木对是树木对CO2的吸收速率，也就是树轮宽度指示器。的吸收速率，也就是树轮宽度指示器。完整版课件ppt26 众所周知，在温度较高、降水较少和湿度众所周知，在温度较高、降水较少和湿度较低的年份，树木叶片表面蒸发比较强烈。较低的年份，树木叶片表面蒸发比较强烈。树木为了减少水分的损耗，就会自身进行树木为了减少水分的损耗，就会自身进行调节，为减少蒸发，关闭叶片的部分微孔，调节，为减少蒸发，关闭叶片的部分微孔，因而降低了微孔的导通性，使因而降低了微孔的导通性，使g g值变小，值变小，使得叶片内部使得叶片内部COCO2 2浓度变小，即浓度变小，即P Pi i值降低，值降低，最终导致树木纤维素中的最

29、终导致树木纤维素中的1313C C值增加。树值增加。树木在这样的气候条件下年轮生长量偏小，木在这样的气候条件下年轮生长量偏小，这与树木年轮学所揭示的中纬度地区气候这与树木年轮学所揭示的中纬度地区气候与年轮的关系一致。与年轮的关系一致。完整版课件ppt27年轮较宽时，即反映大气中年轮较宽时，即反映大气中COCO2 2浓度较高，浓度较高，1313C C就低；就低；而年轮窄时，大气中而年轮窄时，大气中COCO2 2浓度较低，浓度较低，1313C C就高。就高。完整版课件ppt28这些计算表明，在工业革命期间增加的这些计算表明，在工业革命期间增加的COCO2 2浓度必然导致浓度必然导致COCO2 2吸

30、收的增加，其结果表现在海吸收的增加，其结果表现在海拔较高的树木上就是轮宽加大。拔较高的树木上就是轮宽加大。LongLong研究了研究了1570157018501850年间生长在欧洲年间生长在欧洲某海拔较高的位置上的树，发现其生长量很少某海拔较高的位置上的树，发现其生长量很少（即年轮很窄）。恰恰在这段时间，全球处于（即年轮很窄）。恰恰在这段时间，全球处于“小冰期小冰期”时期。这也支持了大气时期。这也支持了大气COCO2 2浓度与地浓度与地表温度之间存在着关系这一观点。表温度之间存在着关系这一观点。完整版课件ppt29随着对树轮中随着对树轮中1313C/C/1212C C比值的深入研究和了解，比值

31、的深入研究和了解，目前出现了相当复杂的情况，使得人们已不能目前出现了相当复杂的情况，使得人们已不能简单地按温度或大气中简单地按温度或大气中1313C C来解释树轮中来解释树轮中1313C C的变化。首先，的变化。首先，MazanyMazany、TansTans和和MookMook发现树轮发现树轮内部的内部的1313C C值沿周圈和直径方向均有不同的变值沿周圈和直径方向均有不同的变化。直径方向上，化。直径方向上，每轮早材、晚材直径的每轮早材、晚材直径的1313C C值可相差值可相差22；其次，其次，FreyerFreyer和和BelacyBelacy观察到树观察到树木前几轮的木前几轮的1313C

32、 C值同后面值同后面1313C C值比较，明显要值比较，明显要小。因为在小。因为在幼树时，其根部也呼吸幼树时，其根部也呼吸COCO2 2，而使得而使得其树叶吸收的其树叶吸收的COCO2 2中中 的的1313C C值减少。值减少。第三，第三，FreyerFreyer发现树木在发现树木在污染区污染区1313C C值值要升高。第四，要升高。第四，大量使用化石燃料而使大量大量使用化石燃料而使大量COCO2 2进入大气，从而进入大气，从而使使1313C C值值减少。第五，树木都会受到自身生理减少。第五，树木都会受到自身生理因素的影响。因素的影响。完整版课件ppt30第二节第二节 动物体内同位素组成、动物

33、体内同位素组成、种群特征与全球变化种群特征与全球变化一、马牙氧同位素组成与气候指标的定量关系一、马牙氧同位素组成与气候指标的定量关系 由于动物本身的釉质层有较强的抗成岩作用由于动物本身的釉质层有较强的抗成岩作用能力，特别是食草动物的食物同位素的组成比能力，特别是食草动物的食物同位素的组成比较规律和稳定，所以牙齿釉质层的同位素分析较规律和稳定，所以牙齿釉质层的同位素分析对于判别古气候变化很有用。根据哺乳动物牙对于判别古气候变化很有用。根据哺乳动物牙齿的碳同位素组成判别古气候带已经有了很好齿的碳同位素组成判别古气候带已经有了很好的结果，这主要是根据碳同位素组成判别出动的结果，这主要是根据碳同位素组

34、成判别出动物的食性，再根据其取食植物的光合作用类型物的食性，再根据其取食植物的光合作用类型判别出当时的气候带。判别出当时的气候带。完整版课件ppt31任何植物可以通过三种光合作用途径之一固任何植物可以通过三种光合作用途径之一固定大气中的碳，定大气中的碳，生长在树荫浓密的森林或温带气生长在树荫浓密的森林或温带气候环境中的所有树种和大多数灌丛杂草是以候环境中的所有树种和大多数灌丛杂草是以CalvinCalvin（或或C C3 3）方式进行光合作用的；适应炎阳方式进行光合作用的；适应炎阳下树种的草类，包括大多数热带草类遵循下树种的草类，包括大多数热带草类遵循Hatch-Hatch-Slack(Sla

35、ck(或或C C4 4)途径来进行光合作用；大多数肉质途径来进行光合作用；大多数肉质植物则通过第三种途径植物则通过第三种途径(CAM)CAM)，在光合作用三条固碳途径中，碳同位素分馏在光合作用三条固碳途径中，碳同位素分馏的差异形成了植物的碳同位素的成分差异：的差异形成了植物的碳同位素的成分差异：C C4 4植物的植物的1313C C值为值为-9-16(平均平均-12.5);C3植物的植物的13C值为值为-20-35(平均平均-26.5);CAM植物的植物的13C值为值为-16.5。完整版课件ppt32当动物食用这些植物后，同位素会发生进一当动物食用这些植物后，同位素会发生进一步的分馏富集，相对

36、与所食植物的平均值，动步的分馏富集，相对与所食植物的平均值，动物骨胶质中同位素要富集物骨胶质中同位素要富集5左右左右13C，食树叶的食树叶的动物，如南非的非洲大羚羊骨胶质中动物，如南非的非洲大羚羊骨胶质中13C值为值为-21.5，如果食草动物仅食用以，如果食草动物仅食用以C4途径进行光合途径进行光合作用的草类，其作用的草类，其13C值为值为-8-10;而混食动而混食动物如黑羚羊物如黑羚羊13C值为值为-13-15，由此，根据，由此，根据牙齿和骨骼的同位素测定，便可了解史前动物牙齿和骨骼的同位素测定，便可了解史前动物和人类食用的分别由和人类食用的分别由C3和和C4途径进行光合作用途径进行光合作用

37、的植物的比例。的植物的比例。但是，由于碳同位素对温度变化的反映并不但是，由于碳同位素对温度变化的反映并不灵敏，因此，用这种方法仍然难以得到定量的灵敏，因此，用这种方法仍然难以得到定量的温度值。温度值。完整版课件ppt33现代野生马类牙齿的氧同位素组成与相关资料现代野生马类牙齿的氧同位素组成与相关资料 种种 类类 采集地采集地 18OPO4（）18Ow（）T（）E.burchelli 安哥拉安哥拉 22.8 -4.1 21.9 E.burchell 博恣瓦纳博恣瓦纳 25.0 1.9 22.0 E.burchelli 纳米比亚纳米比亚 20.8 -7.7 19.1 E.burchelli 马拉维

38、马拉维 21.1 1.3 22.0 E.burchelli 肯尼亚肯尼亚 18.9 -5.0 17.0 E.burchelli 坦桑尼亚坦桑尼亚 22.1 -5.0 25.4 E.burchelli 南非南非 21.6 -2.0 18.8 E.zebra 南非南非 15.6 -5.5 17.2 E.caballus 美国美国 14.4 -9.8 12.3 E.caballus 阿拉斯加阿拉斯加 11.8 -15.2 1.8 E.caballus 匈牙利匈牙利 15.0 -10.0 10.3 E.caballus 阿根廷阿根廷 17.0 -5.0 17.0 E.caballus 西班牙南部西班牙

39、南部 18.9 -4.5 18.0 E.przewalskii 蒙古蒙古 12.9 -13.0 4.0 E.asinus 喀麦隆喀麦隆 20.5 -1.0 23.3 E.asinus 埃塞俄比亚埃塞俄比亚 24.7 2.0 16.218O以相对于以相对于SMOW标准表示；标准表示；为骨骼的氧同位素组成为骨骼的氧同位素组成完整版课件ppt34根据全球各主要气象站发表的气温资料，选择了每个标本根据全球各主要气象站发表的气温资料，选择了每个标本采集地的年平均温度值，见表采集地的年平均温度值，见表42。表表4-2 IAEA观察站大气降水观察站大气降水18O与与地表年平均温度统计结果地表年平均温度统计结

40、果 观察站 18O与年平均温度的关系 北大西洋沿岸各站 18O0.695 T-13.6 欧洲四站 18O0.521 T-14.96 瑞典 18O0.590 T-13.8 加拿大东海岸 18O0.43 T-13.56 加拿大西海岸 18O0.49T-17.25 IAEA全球观察站网 18O0.38 T-11.79 IAEA观察站 18O0.56T-12.7 阿尔卑斯山北坡各站 18O0.525 T-15.36 这四站是这四站是Valentia,Stuttgart,Vienna,Cronnedal;这些观察站的年平均温度为这些观察站的年平均温度为018。完整版课件ppt352、马牙的氧同位素组成与

41、温度的关系、马牙的氧同位素组成与温度的关系 根据表中的数据对马牙的氧同位素组成与大气降根据表中的数据对马牙的氧同位素组成与大气降水的氧同位素组成进行回归计算得到；水的氧同位素组成进行回归计算得到；18OPO40.707918Ow+22.59（r=0.88）大气降水的氧同位素组成与温度的关系为：大气降水的氧同位素组成与温度的关系为：18Ow0.6147T-15.39（r=0.86）这样，用马牙的这样，用马牙的 18OPO4求出饮用水的求出饮用水的 18Ow，然后然后再求出年平均温度值。再求出年平均温度值。为了减少中间计算步骤所引起的误差，邓涛等推导为了减少中间计算步骤所引起的误差，邓涛等推导了马

42、牙的了马牙的 18OPO4与标本采集地多年平均温度与标本采集地多年平均温度T的关系：的关系：18OPO40.5080T+10.49（r=0.82）完整版课件ppt36 从上述方程可以看出，温度每升高从上述方程可以看出，温度每升高1，马牙，马牙的的 18OPO4将增加约将增加约0.5,在全球范围内温度每上升在全球范围内温度每上升1，大气降水中的，大气降水中的18O也增加约也增加约0.5,这说明马牙这说明马牙的的18OPO4变化完全响应于大气降水的变化完全响应于大气降水的18O变化。变化。哺乳动物是恒温的动物，它们的生物磷酸钙哺乳动物是恒温的动物，它们的生物磷酸钙沉淀与体液保持着平衡关系，饮用水与

43、骨骼中氧同沉淀与体液保持着平衡关系，饮用水与骨骼中氧同位素关系是线性的，这就从机制上阐明了马牙的位素关系是线性的，这就从机制上阐明了马牙的18OPO4随温度变化的原因。由于马类是草原生活的随温度变化的原因。由于马类是草原生活的奇蹄动物，生活范围限制在同一种生态环境中，并奇蹄动物，生活范围限制在同一种生态环境中，并饮用相同环境区域内不同地点的大气降水，因此，饮用相同环境区域内不同地点的大气降水，因此，通过马牙的氧同位素组成推算的温度能更好地代表通过马牙的氧同位素组成推算的温度能更好地代表一个生态区域内的年平均温度值，反映出特定地理一个生态区域内的年平均温度值，反映出特定地理单元的气候特征。单元的

44、气候特征。完整版课件ppt37二、海洋微体化石的同位素组成、二、海洋微体化石的同位素组成、微量元素变化与古气候微量元素变化与古气候有孔虫是普遍存在的海洋生物，它们分泌由有孔虫是普遍存在的海洋生物，它们分泌由一系列房室组成的介壳，多数有孔虫具有方解一系列房室组成的介壳，多数有孔虫具有方解石介壳。有孔虫有两类，一类为浮游有孔虫，石介壳。有孔虫有两类，一类为浮游有孔虫，另一类为底栖有孔虫。另一类为底栖有孔虫。借助于氧和碳稳定同位素的组分研究，已经借助于氧和碳稳定同位素的组分研究，已经成功地将有孔虫应用于古海洋学研究中，其原成功地将有孔虫应用于古海洋学研究中，其原理是介壳形成时，其内的氧同位素组成受温

45、度理是介壳形成时，其内的氧同位素组成受温度和海水的氧同位素组成的影响，和海水的氧同位素组成的影响，当水蒸发时，当水蒸发时，含含16O的较轻的水首先气化逃逸，于是雨水的同的较轻的水首先气化逃逸，于是雨水的同位素比它来源于的海水轻，而当水温增高时，位素比它来源于的海水轻，而当水温增高时，碳酸盐介壳中的碳酸盐介壳中的18O值就增加。值就增加。完整版课件ppt38完整版课件ppt39图表明了大图表明了大约约125125kaka重复重复出现一次的出现一次的周期模式。周期模式。同一岩芯中同一岩芯中底栖和浮游底栖和浮游有孔虫同位有孔虫同位素组分的差素组分的差异可以用来异可以用来确定海水表确定海水表面温度以及

46、面温度以及底层水和表底层水和表层水层水1818O O值值的微小差异。的微小差异。完整版课件ppt40在冰期，海平面约下降在冰期，海平面约下降120120米，许多水被米，许多水被固定在冰盖和高山冰川里。这种以冰形式存固定在冰盖和高山冰川里。这种以冰形式存在的水是富集在的水是富集1616O O的，于是海水的的，于是海水的1818O O得以按得以按一定比例增加。在浮游有孔虫碳酸盐介壳化一定比例增加。在浮游有孔虫碳酸盐介壳化石中石中1818O O值发生大约值发生大约0.110.11的改变即代表海的改变即代表海平面有平面有1010米的变化，对此不同作者有不同估米的变化，对此不同作者有不同估计。由于冰期海

47、水同位素组分比较偏重一些，计。由于冰期海水同位素组分比较偏重一些，所以冰期海水的氧同位素组分和现在相比大所以冰期海水的氧同位素组分和现在相比大约相差约相差1.201.20。完整版课件ppt41氧同位素曲线揭示的第四纪气候波动具氧同位素曲线揭示的第四纪气候波动具有明显的周期，近百万年来以大约有明显的周期，近百万年来以大约1010万年的万年的周期最为突出，而距今一百万年至三百万年周期最为突出，而距今一百万年至三百万年之间之间1010万年的周期不够明显，可能由较短的万年的周期不够明显，可能由较短的周期所控制。现已证实，这种周期性现象符周期所控制。现已证实，这种周期性现象符合天文因素控制的米兰科维奇曲

48、线。合天文因素控制的米兰科维奇曲线。完整版课件ppt42在地层划分和对比上，习惯上将氧同位素的周期至在地层划分和对比上，习惯上将氧同位素的周期至上而下按数码编号，曲线上峰（高温期）用奇数，上而下按数码编号，曲线上峰（高温期）用奇数，谷（低温期）用偶数。谷（低温期）用偶数。分 期 埋 深（厘 米）年 龄（千 年）分 期 埋 深（厘 米）年 龄（千 年）1 22 13 12 810 472 2 55 32 13 860 502 3 110 64 14 930 542 4 128 75 15 1015 592 5 220 128 16 1075 627 6 335 195 17 1110 647 7

49、 430 251 18 1180 688 8 510 297 19 1210 706 9 595 347 20 1250 729 10 630 367 21 1340 782 11 755 440 22 完整版课件ppt43 影响有孔虫氧同位素组成除了温度和海水影响有孔虫氧同位素组成除了温度和海水氧同位素组成外，还与有孔虫的种类以及氧同位素组成外，还与有孔虫的种类以及个体大小、有孔虫生活的海水深度和有孔个体大小、有孔虫生活的海水深度和有孔虫生活方式等有关。虫生活方式等有关。底栖和浮游有孔虫的种属丰度、分异度和底栖和浮游有孔虫的种属丰度、分异度和内生种百分含量的变化也可以指示环境变内生种百分含量

50、的变化也可以指示环境变化和表层生产力大小。化和表层生产力大小。碳同位素、氮同位素以及有孔虫中的镉碳同位素、氮同位素以及有孔虫中的镉/钡钡比值，生物二氧化硅中的锗含量等都可以比值，生物二氧化硅中的锗含量等都可以指示海水温度、有机质含量的变化。指示海水温度、有机质含量的变化。完整版课件ppt44冲绳冲绳海槽海槽南部南部冲绳冲绳海槽海槽南部南部南海南海北部北部陆坡陆坡冲绳海槽冲绳海槽和南海位和南海位于太平洋于太平洋和亚洲大和亚洲大陆之间，陆之间，不仅可以不仅可以提供高分提供高分辨率的沉辨率的沉积记录，积记录，也为海也为海陆气候对陆气候对比的解释比的解释提供了条提供了条件。件。完整版课件ppt45 P