古鹽度古氣候計(jì)算方法

1、1恢復(fù)古鹽度的微量元素法(1)鍬鋼法鍬和鋼是堿土金屬中化學(xué)性質(zhì)較相似的2個(gè)元素,它們?cè)诓煌练e環(huán)境中由于其地球化學(xué)行為的差異而發(fā)生分離,因此，可以使用鍬鋼比值作為古鹽度的標(biāo)志5,6。研究認(rèn)為，鍬比鋼遷移能力強(qiáng)，當(dāng)?shù)c海水相混時(shí)，淡水中 的Bf與海水中的SO2-結(jié)合生成BaSO沉淀，而SrSQ溶解度大，可以繼續(xù)遷移到遠(yuǎn) 海，通過(guò)生物途徑沉淀下來(lái)。因此,Sr質(zhì)量分?jǐn)?shù)與Ba質(zhì)量分?jǐn)?shù)的比值 m(Sr)/m(Ba)是隨著遠(yuǎn)離海岸而逐漸增大的，依據(jù)該比值的大小可以定性地反 映古鹽度，從而進(jìn)行沉積環(huán)境古鹽度的恢復(fù)。一般來(lái)講，淡水沉積物中 m(Sr)/m(Ba)值小于1,而海相沉積物中 m(Sr)/m(Ba

2、)值大于1,m(Sr)/m(Ba)值 為，為半咸水相7 o我國(guó)學(xué)者研究也認(rèn)為，鍬鋼比值有隨鹽度增高而增大的趨 勢(shì),在粘土或泥巖中該比值大于1者為海洋沉積，小于1者為大陸沉積8。(2)硼元素法硼是微量輕元素，一般而言，海相環(huán)境下硼質(zhì)量分?jǐn)?shù)為(80125) x 10-6,而淡水環(huán)境樣品硼質(zhì)量分?jǐn)?shù)多小于60 x 10-6.定量計(jì)算公式詳見(jiàn)沉積環(huán)境中古鹽度的恢復(fù)以吐哈盆地西南緣水西溝群泥巖為例2恢復(fù)古鹽度的常量元素法(1)鉀納比值法鉀和鈉是活動(dòng)性極強(qiáng)的堿金屬元素，在水體中分布均一，其含 量是鹽度的直接標(biāo)志7。水體鹽度越高，鉀和鈉就越易被粘土吸附或進(jìn)入伊利石 品格，且鉀相對(duì)鈉的吸附量亦越大。(2)沉積磷

3、酸鹽法此法是 Nelson20提出的。他發(fā)現(xiàn)，在現(xiàn)代或古代的沉積 物中，都含有少量的磷酸鹽。在海相沉積物中主要是磷灰石Ca°(PO) 5(CO)(F ,OH;非海相土壤中主要為磷鋁石 AlPQ - 2H25口紅磷鐵礦FePO 2H2O及羥磷灰 石Ca°(PQ)5(CQ)(F ,OH。Nelson在研究中發(fā)現(xiàn)“磷酸鈣比值” m(磷酸鈣)/m(磷 酸鐵+磷酸鈣)與鹽度呈線(xiàn)性關(guān)系，并提出了回歸方程20:Fcap=± ,式中Fcap磷酸鈣比值。值得注意的是，應(yīng)用此法進(jìn)行古鹽度的恢復(fù)時(shí)，需要確保測(cè)試數(shù)據(jù)結(jié)果的可靠性，即要仔細(xì)分析數(shù)據(jù)來(lái)源，選擇具有代表性的樣品進(jìn)行古鹽度的恢復(fù)

4、，否則，會(huì)得出與地質(zhì)現(xiàn)象完全相悖的結(jié)論17。沉積物的礦物和地球化學(xué)特征與盆地構(gòu)造、古氣候背景運(yùn)用沉積物元素含量的波動(dòng)性提取環(huán)境演變信息是環(huán)境演變研究中常用的手段之一 5。潮濕區(qū)水體中富Al貧K、N& Ca6,因而可以通過(guò)高嶺石/粘土、 伊利J石/粘土的值反映氣候的干濕。當(dāng)氣候濕潤(rùn)時(shí)，伊利J石/粘土減小，高嶺石/粘 土增大。在濕潤(rùn)且流體流通性好、化學(xué)風(fēng)化越強(qiáng)的條件下，粘土越容易形成，粘土 總量就越大。反之則為氣候干旱。碳、氧穩(wěn)定同位素具有重要的環(huán)境指示意義。湖泊沉積的碳酸鹽巖中的6 13C 主要取決于以下4個(gè)方面：(1)水體受到強(qiáng)烈蒸發(fā)時(shí)，發(fā)生同位素分儲(chǔ)，活動(dòng)性較強(qiáng)的12c優(yōu)先進(jìn)入空氣

5、中，使水體中富集13c(2)通常與大氣中CO相平衡的穩(wěn)定碳同位組成近于0%,若出現(xiàn)正值，則有可 能是其它碳酸鹽巖層提供的。如剛果裂谷盆地Sialivakou地層中，碳酸鹽巖層中 的6 13C最高可達(dá)6%o,認(rèn)為，高的6 13C值是由于在該時(shí)期盆地的物源有一部分來(lái) 自盆地外部前寒武系的碳酸鹽巖。(3)植被被氧化釋放12CO,使輕碳增加，6 13C相對(duì)減小。土壤中有機(jī)質(zhì)氧化， 使CO2a入地表或地下水，最終進(jìn)入湖泊，使湖水中12C含量增加，與碳酸鹽中的 13C發(fā)生分儲(chǔ)作用，使湖水中已有碳酸鹽中的6 13C減小，其反應(yīng)式如下11:12CG+H13CO3 =13CO+H12C C-3,12CG+13c

6、63 =13CC+12C C2-3,因此，6 13C值的變小，表明植被發(fā)育。相反，當(dāng)植被被快速埋藏時(shí)，富含12C 的有機(jī)碳來(lái)不及氧化而被埋藏，致使自然界中的13C相對(duì)富集，相應(yīng)地,湖泊碳酸 鹽巖中的13C也相對(duì)富集，613C值變大12。(4)水體上部有機(jī)質(zhì)因吸收輕碳而使碳酸鹽巖中的13C相對(duì)富集。Mook13 研究荷蘭Ijseel湖的碳同位素平衡時(shí)發(fā)現(xiàn)隨著距河口的距離減小水體上部有機(jī) 質(zhì)增加，水中的13C也增加，因而推論13C增大的部分原因是光合作用引起的碳酸鈣 的沉淀。前已述及，構(gòu)造穩(wěn)定是植被廣布的必要條件，與之對(duì)應(yīng)的則是土壤中有機(jī)碳 被氧化的情況，而非快速埋藏，因此由構(gòu)造引起的植被增加，會(huì)

7、使碳酸鹽巖中的 13C值變小。降水是植被廣布的另一必要條件。降雨量增大，當(dāng)對(duì)應(yīng)構(gòu)造穩(wěn)定時(shí)期， 同樣會(huì)使13C值變小；當(dāng)對(duì)應(yīng)構(gòu)造活動(dòng)期時(shí)，會(huì)有大量的有機(jī)碳被快速埋藏，碳酸 鹽巖中的13C變大。相反地，高溫干旱的環(huán)境不利于植被的發(fā)育，同時(shí)又對(duì)應(yīng)著水 體蒸發(fā)量的增大，不論是構(gòu)造穩(wěn)定還是活動(dòng)，均會(huì)使碳酸鹽巖中13C的值變大。古環(huán)境分析中，對(duì)碳酸鹽巖中的18O的研究是一個(gè)很重要的方面。目前主要應(yīng) 用于古溫度和古降雨量相對(duì)多少的分析。與碳酸鹽中13C相比，它受成巖作用的影響較大，年代越老，成巖作用的程度越深，對(duì)18o的“年代效應(yīng)”就越不可忽視，應(yīng) 用時(shí)必須進(jìn)行年代效應(yīng)校正14, 一般來(lái)說(shuō)，對(duì)中生代晚期其以

8、后的樣品和成巖 作用比較小的樣品是適用的。碳酸鹽巖中18O含量受以下幾個(gè)因素的影響：介質(zhì)的鹽度主要指碳酸鹽沉積時(shí)的古湖水鹽度，湖水鹽度越高，重氧同位素就越富集15。對(duì)封閉的湖泊而言，湖水的鹽度受制于降雨量和蒸發(fā)量的相對(duì) 大小,而開(kāi)放湖泊水體的鹽度主要與進(jìn)出湖的水體體積差及其鹽度有關(guān)。溫度溫度對(duì)碳酸鹽中重氧同位素的影響主要是對(duì)湖水蒸發(fā)量的影響，高溫引起的強(qiáng)蒸發(fā)往往使碳酸鹽巖中的重氧同位素富集。降雨Njitchoua 等16的研究表明，在高降雨期，對(duì)應(yīng)著18O的減少，相反， 在低降雨期則對(duì)應(yīng)著18O的增加。大量的降雨，一方面不利于流水對(duì)巖體的溶蝕， 進(jìn)入湖泊水體中的重氧同位素含量降低；另一方面，淡

9、水中的重氧同位素值較咸水偏負(fù)，大量淡水入湖，對(duì)已有湖水稀釋?zhuān)购械闹匮跬凰睾肯鄬?duì)降低， 對(duì)應(yīng)的碳酸鹽巖中的重氧同位素含量也相對(duì)減小，而大量的咸水入湖，湖泊碳酸鹽巖中的重氧同位素含量會(huì)相對(duì)增大。4結(jié)論(1)構(gòu)造活動(dòng)期，沉積物往往是近距離搬運(yùn)、快速沉降，對(duì)應(yīng)沉積物中石英/長(zhǎng)石較穩(wěn)定，構(gòu)造穩(wěn)定期，沉積物被搬運(yùn)的距離長(zhǎng)，成分成熟度高，石英/長(zhǎng)石變 大。(2)用伊利石/粘土的高值反映沉積時(shí)氣候較干旱的層段 ，而用高嶺石/粘土 的高值反映沉積時(shí)氣候較濕潤(rùn)的層段更為合理。湖相碳酸鹽巖中13c不僅可以反映構(gòu)造，還可反映氣候，13c增大代表氣候干旱炎熱。成巖作用較低的碳酸鹽巖中 的18o減少，代表降雨量

10、增大，反之降雨量減小。(3)泉三段、泉四段中石英/長(zhǎng)石低值代表了在盆地坳陷期存在著構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的 增強(qiáng)，其發(fā)生的具體時(shí)間段，還需要進(jìn)一步詳細(xì)取樣和分析研究。(4)泉三段沉積期氣候非常干旱，向上逐漸向濕潤(rùn)轉(zhuǎn)變，至泉四段沉積期這種 趨勢(shì)更加明顯。進(jìn)入青山口組沉積期，氣候濕潤(rùn)，只有在青三段沉積期氣候略變得 干旱。姚一段沉積期氣候由濕潤(rùn)快速轉(zhuǎn)向干旱 ，直到姚家組沉積末期。從嫩一段 沉積期開(kāi)始，又快速變?yōu)闈駶?rùn)的氣候。嫩三、四段中，高嶺石、伊利石的相對(duì)含量 均減少，表明該時(shí)期化學(xué)風(fēng)化強(qiáng)烈，屬于濕熱氣候。(5)碳酸鹽巖中碳、氧同位素分析顯示，在松遼盆地發(fā)生海侵事件，在Ma發(fā) 生海退事件。德令哈汆海硼元素法定量恢

11、復(fù)古鹽度及其古氣候意義現(xiàn)代海水含硼量X 10-6,淡水中一般不含硼。沉積物中硼含量與水體中的 硼含量有關(guān)，一般認(rèn)為，海相大于100X10-6。陸相低于70X10-60沉積水體中， 硼在沉積過(guò)程中被粘土質(zhì)點(diǎn)吸附固定在質(zhì)點(diǎn)表面，然后進(jìn)一步被結(jié)合到結(jié)構(gòu)里取 代四面體層內(nèi)的Si和AI。粘土礦物形狀不同，吸附和固定硼的能力也有很大的 差異，一般認(rèn)為伊利石吸附硼的能力是蒙脫石或綠泥石的2倍，是高嶺石的4倍。但是相當(dāng)硼含量可以用于劃分沉積物的咸水、半咸水、淡水相，Walker等(1963年)等認(rèn)為：相當(dāng)硼含量在300X 10-6 400X 10-6之間為海相沉積；200 乂 10-6300X 10-6之間為

12、半咸水相沉積；小于200X 10-6為淡水沉積。可以根據(jù)沉 積物中相當(dāng)硼含量，劃分沉積相區(qū)間。沃克校正公式為B*=XB樣品/K2O樣品式中B*指“相當(dāng)硼”含量，為純伊利石中的理論 &O濃度，B樣品和&O樣 品指樣品的實(shí)測(cè)結(jié)果。表5-1為計(jì)算得到的相當(dāng)硼含量，可以看到相當(dāng)硼含量都 小于200X 10-6,沉積相為淡水沉積。Rb/Sr比值Rb/Sr比值作為衡量自然界化學(xué)風(fēng)化的良好指標(biāo)，湖泊沉積物的低Rb/s:比值反映了流域所經(jīng)歷的強(qiáng)風(fēng)化過(guò)程。 研究層段Rb/sr比值逐漸升高，表明風(fēng)化作 用的總體減弱。一般而言，湖泊沉積物比黃土要復(fù)雜得多，它除受氣候影響外， 還受流域地質(zhì)背景、介質(zhì)條

13、件、生物活動(dòng)、湖泊自生礦物（如碳酸鹽）等諸多因素 的影響，所以在分析Rb/Sr比值時(shí)還須結(jié)合其他要素加以分析。古鹽度定量研究方法綜述硼/錢(qián)比值小于4為淡水，大于7或20為海水。鍬/鋼比值大于為海相沉積，小于為陸相沉積。鋤/鉀比值隨鹽度而變，一般正常的海相頁(yè)巖中該比值大于，微咸水頁(yè)巖的 該比值大于，河流沉積物的該比值為。碳、氧同位素法同位素系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式Z=（ 6 13C+50）+（屋80 +50）其中的6 13C和6 18O均為PDEfe準(zhǔn)，并認(rèn)為同位素系數(shù)大于120時(shí)為海相灰 巖，小于120時(shí)為淡水灰?guī)r（湖相碳酸巖）。但如前所述，6 13C和屋8。的值與鹽度成正相關(guān)關(guān)系，z值也是與護(hù)C和8&

14、#39; sO成正相關(guān)關(guān)系，所以Z值仍然與鹽度成正相關(guān)關(guān)系。87Sr/ 86Sr比值法劉秀明等研究認(rèn)為，S,同位素不會(huì)由于化學(xué)和生物作用而發(fā)生分儲(chǔ)sJ。因此，在任何水體中，與碳酸鈣礦物共沉淀的Sr（進(jìn)人晶體格子）不會(huì)產(chǎn)生同位素分儲(chǔ)作用，沉積后如沒(méi)遭受成巖后生作用，碳酸鈣礦物就記錄了沉淀時(shí)水體的 875/86sr比值。在自然界中，某一特定礦物風(fēng)化釋放的 Sr通常具有自山東濟(jì)陽(yáng)坳陷古近紀(jì)的氣候恢復(fù)2抱粉所代表的植物類(lèi)群的生態(tài)分組濟(jì)陽(yáng)坳陷的抱粉資料豐富，根據(jù)抱粉母體植物對(duì)氣溫的適應(yīng)性，分為喜熱組、喜溫組和廣溫組。喜熱組其母體植物主 要分布于熱帶至亞熱帶，少數(shù)可達(dá)暖溫帶；喜溫組母體植物主要分布于暖溫帶

15、，少 數(shù)可達(dá)亞熱帶或寒溫帶；廣溫組母體植物廣布于熱帶至溫帶。根據(jù)抱粉母體植物 對(duì)濕度的適應(yīng)性，分為濕生組、旱生組和中生組。下面列出了按照溫度分組的抱 粉類(lèi)型，其中的濕生成分(包括水生、沼生、近岸濕生的各類(lèi)植物)用"M'標(biāo)注； 旱生成分用“ A”標(biāo)注；未標(biāo)注任何符號(hào)的為中生成分，是介于濕生和旱生種類(lèi)之 間的植物。喜熱組蕨類(lèi)植物：Lygodioisporites瘤面海金砂抱屬(M)Toroisporites 具唇抱屬(M)Leitrileites光面三縫抱屬Schizaeoisporites希指蕨抱屬(A)Plicifera褶邊抱屬(M)Pterisisporites 鳳尾蕨抱屬

16、(A)Verrutrasporites 瘤紋四抱屬(A)Obtusisporites 褶縫抱屬(M)Alsosporites 擬楸楞抱屬(M)Cyathidites 楸楞抱屬(M)Deltoidospora 三角抱屬(M)Polypodiaceaesporites 水龍骨單縫抱屬(M)Polypodiaceoisporites具環(huán)水龍骨單縫抱屬(M)裸子植物：Cycadopites蘇鐵粉屬Podocarpidites 竹柏粉屬(M)Araucariacites南美杉粉屬Cedripites 雪松粉屬Keteleeriaepollenites 油杉粉屬Tsugaepollenites 鐵杉粉屬T

17、axodiaceaepollenites 杉粉屬(M)被子植物:Caryapollenites山核桃粉屬Engelhardtioidites黃杞粉屬Platycaryapollenites化香樹(shù)粉屬Q(mào)uercoidites 杯粉屬Ulmoideipites 脊榆粉屬(M)Proteacidites 山龍眼粉屬(M)Magnolipollis 木蘭粉屬Peltandripites 擬樟粉屬Liquidambarpollenites楓香粉屬Rutaceoipollis 蕓香粉屬M(fèi)eliaceoipollis 楝粉屬Euphorbiacites 大戟粉屬Rhoipites漆樹(shù)粉屬I(mǎi)lexpollen

18、ites 冬青粉屬Sapindaceidites無(wú)患子粉屬M(fèi)yrtaceidites 桃金娘粉屬Nyssapollenites紫樹(shù)粉屬Alangiopollis 八角楓粉屬Randoapollis雞爪勒粉屬Fupingopollenites伏平粉屬Gothanipollis 高騰粉屬,2 喜溫組蕨類(lèi)植物:Osmundacidites紫箕抱屬(M)裸子植物:Laricoidites擬落葉松粉屬Ginkgoretectina銀杏粉屬I(mǎi)naperturopollenites無(wú) 口 器粉屬Ephedriptes 麻黃粉屬(A)被子植物:Salixipollenites 柳粉屬(M)Juglanspol

19、lenites 胡桃粉屬Pterocaryapollenites楓楊粉屬Alnipollenites柏木粉屬(M)Betulaceoipollenites擬樺粉屬Betulaepollenites 樺粉屬Carpinipites 楊粉屬M(fèi)omipites擬榛粉屬Ostryoipollenites苗榆粉屬Celtispollenites樸粉屬(A)Ulmipollenites 榆粉屬Aceripollenites 械樹(shù)粉屬(M)Elaeangnacites 胡頹子粉屬Rhamnacidites 鼠李粉屬Tiliaepollenites 根粉屬(M)Corsinipollenites柳葉菜粉屬(M

20、)Labitricolpites唇形三溝粉屬(A)NItrariadites 擬白刺粉屬(A)Artemisiaepollenites 蒿粉屬 (A)Compositoipollenites 菊粉屬(A)Scabiosapollis 山蘿卜粉屬Saparganiaceaepollenites 黑三棱粉屬?gòu)V溫組蕨類(lèi)植物：Sphagnumspohtes水薛抱屬(M)Lycopodiumsporites 石松抱屬Salviniaspora 槐葉萍抱屬(M)Azollaspora滿(mǎn)江紅抱屬(M)裸子植物:Abietineaepollenites單束松粉屬Pinuspollenites雙束松粉屬Pice

21、aepollenites 云杉粉屬Abiespollenites冷杉粉屬被子植物：Faguspollenites山毛棒粉屬(M)Cupuliferoipollenites 栗粉屬Corylopsis臘瓣花粉屬Persicariopollis 蓼粉屬Chenopodipollis 藜粉屬(A)Nylembo 蓮屬(M)Ranunculacidites 毛食粉屬(M)Araliaceoipollenites 五力口粉屬Cornaceoipollenites山茱萸粉屬Lonicerapollis忍冬粉屬Lemnaceae?孚萍科(M)(M)Liliacidites 百合粉屬(A)3濟(jì)陽(yáng)坳陷沙三段至東營(yíng)組沉積時(shí)期的反映溫度比值(RT尸喜熱組/ (喜熱組+喜溫組)X每蓋片抱粉粒數(shù) 反映濕度比值(RH尸濕生組/ (濕生組+旱生組)X每蓋片抱粉粒數(shù)松科植物中的云杉粉(Piceaepollenites) 、雪松粉(Cedripites)、冷杉 粉(Abiespollenite)和鐵杉粉(Tsugaep