湖泊是陆地生态系统的节点,湖泊盐度是反应湖泊生态系统变化的重要参数,因此重建湖泊古盐度对于研究古生态、反演湖泊演化历史非常重要。目前应用广泛的重建湖泊古盐度方法主要有介形类壳体的地球化学元素比值法,硼元素法,沉积磷酸盐法,部分研究显示一些生物指标也可以用来定量的分析古盐度。虽然我们认为古沉积环境是一个封闭的系统,但仍不可避免地会与周围各个环境因子发生作用,促使古环境信息的提取更为困难,为了使重建的古盐度更加接近于当时发生时的状态,应尽可能的采用多指标方法,以便得到一个更接近于真实环境的值。 Lake is the node of terrestrial ecosystems, and its salinity is an important parameter to reflect the change of lake ecosystem, so it is very important to reconstruct the palaeo-salinity and reveal the evolution of the lake. Currently, the method which is widely used to reconstruct lake paleo-salinity is geochemical characteristics of chemical elements from ostracode shells, boron element method and sedimentary phosphate method; some studies have shown that some biological indicators can also be used to quantitatively analyze paleo-salinity. Although we believe that the palaeo sedimen- tary environment is a closed system, it is still inevitable that it interacted with various environ-mental factors around, which make it hard to obtain information of paleo environment. In order to reconstruct the palaeo-salinity more correctly, we use multi-index method to get a closer to the value of the real environment.
张江燕1,郑玉萍1,2,宋瑞卿1
1福建师范大学地理研究所,福建 福州
2福建省湿润亚热带山地生态重点实验室省部共建国家重点实验室培育基地,福建 福州
收稿日期:2016年5月4日;录用日期:2016年5月23日;发布日期:2016年5月26日
湖泊是陆地生态系统的节点,湖泊盐度是反应湖泊生态系统变化的重要参数,因此重建湖泊古盐度对于研究古生态、反演湖泊演化历史非常重要。目前应用广泛的重建湖泊古盐度方法主要有介形类壳体的地球化学元素比值法,硼元素法,沉积磷酸盐法,部分研究显示一些生物指标也可以用来定量的分析古盐度。虽然我们认为古沉积环境是一个封闭的系统,但仍不可避免地会与周围各个环境因子发生作用,促使古环境信息的提取更为困难,为了使重建的古盐度更加接近于当时发生时的状态,应尽可能的采用多指标方法,以便得到一个更接近于真实环境的值。
关键词 :古盐度,重建,介形类壳体,硼元素法,沉积磷酸盐法
20世纪80年代后期,随气候问题日益突出全球变化成为众多科学家的关注热点 [
在内陆干旱–半干旱地区,气候与湖泊水文状况有直接的关系 [
关于反演过去湖泊水体的古盐度,长期以来很多学者根据湖泊沉积环境指标进行了揭示 [
介形类属小型双壳甲壳类,成年个体壳长一般为0.5~3 mm,其壳体由低镁方解石组成。在湖泊中,介形类一般生活在中性到碱性的水体中,在这类环境的沉积物中,壳体能很好的保存下来。介形类具蜕壳的习性,在其生命周期中一般蜕壳7~8次。介形类不同种类的生命周期差别很大,大多数属于季节性生长的种类,所以对环境变化非常敏感。介形类是古水化学的有效指示器。在介形类底层研究中,有相当多的成果集中在水体盐度和离子组成重建方面的研究。在内陆干旱–半干旱地区,湖泊盐度的上升往往是由于气候变干而引起的蒸发量增加的结果 [
现有研究表明介形类生长周期和环境因素有很大关系 [
早在20世纪60年代,国外古生物学家就已发现,海洋和内陆湖泊中含钙质的介形类生物,如腹足类、双壳类、珊瑚等的壳体中Mg2+和Sr2+的含量与水体的盐度有关,并利用地层中介形类化石的[Mg2+]/[Ca2+]和[Sr2+]/[Ca2+]判别海相和陆相 [
t指温度(℃);[Sr2+]/[Ca2+]为物质的量浓度比。
通常湖水的[Sr2+]/[Ca2+]与盐度呈正相关关系 [
(2)式中S为湖水盐度;A,B为常数,可根据现代湖水Sr2+、Ca2+含量与盐度的测定获得。
将(1)和(2)式合并即可获得定量计算古盐度公式
因此通过分析湖泊沉积钻孔岩心中的介形类壳体的[Sr2+]/[Ca2+],可以定量恢复湖泊的古盐度。
张彭熹等 [
前人研究发现,当湖泊中有文石结晶析出时,会吸收水体中的Mg和Sr等元素,造成生活在其中的介形虫壳体中相应元素与水体盐度不成线性关系,原因是微量元素在结晶文石和介形虫壳体中的分配并不成比例关系 [
在封闭型湖泊体系中,一般情况下如果随着碳酸盐矿物沉淀,Ca2+在湖水中的含量总能保持一定的水平,则介壳的[Mg2+]/[Ca2+]和[Sr2+]/[Ca2+]都与盐度存在着正相关关系。可是在多数情况下并不是这样的,碳酸盐矿物的沉淀出现时总是会伴随着文石的出现;由于Sr2+在文石中的分配系数较大(Sr2+在文石中的分配系数大于1,而在方解石中的分配系数仅为0.13),所以当文石开始析出时,Sr2+的浓度会下降,从而导致介形虫壳体中Sr2+含量降低。也就是说此时Sr2+与盐度之间存在复杂的变化关系,使得[Mg2+]/[Ca2+]与盐度表现为明显的正相关关系,而[Sr2+]/[Ca2+]与盐度的正相关性较弱甚至变为负相关关系。由于Sr2+在碳酸盐矿物中的复杂性,因此在一般情况下,介形虫壳体的[Mg2+]/[Ca2+]较[Sr2+]/[Ca2+]更容易推断盐度,也更加可靠 [
因此,在利用[Sr2+]/[Ca2+]反演湖水古盐度时,对湖泊沉积物中的碳酸盐进行分析是必不可少的。如果有文石存在,文石可能吸附湖水中的大部分Sr2+,介形虫壳体能够吸附的Sr2+很可能只有很少的一部分,此时再利用介形虫壳体的[Sr2+]/[Ca2+]反演湖水古盐度,就会存在方法学问题。如果有文石存在,选择恰当的处理方法:①如果文石含量很低的情况下,可以忽略文石的存在;②通过实验模拟,可以确定文石存在时对盐度重建的影响程度,并据此对所重建的盐度进行校正;③有文石存在的阶段,则可以考虑去除对古盐度的反演。这样可能导致反演的湖水古盐度出现空白;比如,青海湖在末次冰期中的70%以上的时间中都有文石存在,并且比例很高,最高时接近100%;④选择其它指标进行古盐度的重建,[Mg2+]/[Ca2+]或许是一个不错的选择;或者是与其它指标结合反演古盐度;或者是选择其它方法,如利用介形虫壳体体长特征重建古盐度。
利用介形虫壳体[Sr2+]/[Ca2+]反演古盐度,还受介形连续性影响。有的学者在研究介壳时就发现,有些地层里存在介壳的缺失。
不同时期介形虫壳体的种属不同,所以其分配系数也是不同的。必须解决校正问题,因此,在这种情况下,目前只能局限于对短时间范围内的湖水盐度进行定量重建。
介形虫壳体[Sr2+]/[Ca2+]和[Mg2+]/[Ca2+]受控于其形成时周围水体的Sr2+和Mg2+浓度、温度、盐度、离子组成及水动力状况等。在解决具体问题时往往无法排除其他因素的影响,难以取得单一解。
在自然界中,多数元素具有两种以上的稳定同位素,其中一种是主要的,其余的同位素含量甚微。在一定条件下,这些同位素之间有一定的比值,但随着条件的变化,该比值又会发生某种变化,人们正是利用这种变化来研究古环境变迁的。
在某些物理–化学过程中(如蒸发、沉淀、结晶、熔化、扩散等),同位素组分会显出细微的变化,被称为同位素效应。当物质间发生相互作用或转化(如化学反应、碳酸盐矿物从水中沉淀、大气与湖水交换等),就会引起同位素间的交换和再分配,轻、重同位素在不同物质中将相对富集,即发生同位素的分馏作用 [
在古盐度研究中,常用的稳定同位素有氧、碳同位素。氧元素由16O、17O和18O三种稳定同位素组成,它们的平均含量分别为99.76%和0.04%和0.20%。碳元素有12C和13C两种同位素,含量分别为98.89%和1.11% [
用δ18O值计算古盐度的基本原理是Epstein and Mayeda [
从图1可以看出,随着盐度的增大,δ18O值趋于增高。Clayton and Degens [
由于溶解在淡水水体中的CO2多来自土壤和腐植质,而大气中CO2的含量又很低(约占0.03%),由表1可以看出土壤中的CO2和土壤腐植质的δ13C值都是高负值。所以,淡水湖泊和河流中的δ13C值也很低,在这样的环境中沉积的淡水碳酸盐沉积物,其δ13C值多介于−5~−15 之间;而海相石灰岩中的δ13C值则介于−5~+5之间(图2)。
图1. 采自荷兰Schledt河口西部水样的δ18O值随盐度而变化的情况 [
图2. 碳同位素在碳酸盐岩和有关物质中的分布 [
来源 | δ13C (PDB) | 注 |
---|---|---|
大气中的CO2 | 0a | a为与大气中的CO2处于平衡状态 的溶解的CO2的成分 |
土壤中的CO2 | −25 | |
土壤腐殖质 | −25 | |
海相灰岩 | 0 | |
典型河流 | −12 | |
典型湖泊 | −5 | |
海洋表层 | 0 |
表1. 不同物质的δ13C的近似值 [
综上所述可以看出,δ18O、δ13C值都与盐度有关,其变化趋势是δ18O和δ13C均随介质盐度升高而升高,其中δ13C与古盐度关系最为密切。Keith和Weber [
式中δ13C和δ18O均用PDB作标准。当Z值大于120时为海相石灰岩,Z值小于120时为淡水石灰岩,Z=120时为未定型石灰岩。
Diane and Seward [
沉积物中的同位素组分会受到沉积后的同位素交代作用影响而发生变化。但这种交代作用对于碳同位素来说是比较微弱的,自寒武纪以来没有显著的变化。张秀莲 [
同位素法虽然具有统一的标准这一优点,免除了地方对它的影响,但是,影响同位素的因素有很多方面,比如温度和盐度等,在研究中可能无法排除其他因素的干扰,而难以取得较单一的解,所以在解决具体问题时往往需要具体分析。同时,同位素作为综合相分析的一个参考指标是非常有价值的。
硼元素(B)对水体盐度的变化较敏感,很早以前就运用泥质岩类的硼元素含量来定量计算海水古盐度,并被证实是推算过去湖水盐度最有效的指标 [
大量研究表明,粘土矿物吸收和固定硼的数量与水体中硼的浓度有关,而水体中的硼浓度是盐度的线性函数。综合这两个关系,Lendergren and Carvajal (1969)提出,粘土矿物从水体中吸收的硼含量与水体的盐度呈双对数关系式,即佛伦德奇吸收方程 [
式中,B为吸收硼含量(10−6),S为盐度(‰),C1和C2是常数,此方程式即为利用硼和粘土矿物含量定量计算古盐度的理论基础。
溶液中的硼一旦被粘土矿物吸收固定后,无论其呈吸附状态存在或者是进入粘土矿物晶格,都不会因为后期的物理和化学条件变化而迁移,因而现代沉积和古代岩石记录中样品硼含量的分析结果可作为其最初沉积时的水体盐度标志 [
Lendergren和Carvajal根据泥岩硼(B)含量与水体的盐度关系等温吸收方程,提出可根据以下公式计算剖面盐度变化:
式中,B为观测B含量(10−6),S为古盐度(‰)。
Walker进一步研究发现,沉积物和沉积岩中粘土矿物含量及其比例影响全岩硼含量。一般以伊利石对硼的吸收作用最强,其次为蒙脱石和绿泥石,高岭石中硼元素的含量最低。因此,在计算古盐度时需考虑粘土矿物类型对硼吸收能力的差异,要想建立粘土矿物与硼含量的对比关系,必须先对样品的硼含量进行校正。
Walker [
式中,B和K2O含量指样品的实测结果(10−6)。
由于伊利石中的硼含量又与钾含量有关,因此为了能在同等条件下进行对比,需计算相当于K2O含量为5%时的硼含量,称为“相当硼含量”。“相当硼含量”是通过伊利石粘土岩的理论K2O浓度与样品的实测K2O含量之比值对样品的硼含量进行校正,求取相当伊利石含量为100%时的硼含量 [
Couch [
式中Bk—以高岭石含量为标准的校正硼含量,Xi—样品中实测伊利石的质量分数,Xm —样品中实测蒙脱石的质量分数,Xk—样品中实测高岭石的质量分数,系数代表各类粘土矿物对硼的吸收强度。
图3. 硼含量及其校正图 [
根据佛伦德奇吸收方程,其盐度计算公式为:
式中:Bk为高岭石校正硼含量(10−6),SP为古盐度(‰)。
此公式进行的样品硼含量校正是基于样品吸附硼的总量与多种粘土矿物相对含量的比值关系,适用盐度范围广(1‰~35‰),因此得到广泛应用。
伊海生等 [
1) 在所有的粘土矿物中,吸收硼的程度并不相同,伊利石比蒙脱石和绿泥石吸收的硼元素含量高1倍,比高岭土接收的硼元素含量高3倍。显然,必须考虑岩石的矿物学成分和成岩史。为了便于进行硼与伊利石的对比,曾提出了“调整硼含量”和“相当硼含量”的概念。调整硼含量= 8.5×样品硼含量(10−6)/样品K2O (%)。因此8.5是纯伊利石中K2O的理论浓度。之后,为了测定以平衡状态存在于含有相等盐度介质中5%K2O的伊利石中的硼,将“调整硼含量”转换成“相当硼含量”。
2) 由前期风化形成的粘土矿物堆积而成的沉积物可能含有与前期条件而不是同期条件相平衡的硼。
3) 硼的掺杂量是表面积的函数。一般认为,颗粒越细,掺杂的硼就越多,因此样品必须按颗粒情况而定。
4) 粘土矿物的结晶度可能会影响硼的掺杂程度,研究表明,结晶较差的物质中存在较多的硼。
5) 粘土颗粒在某种程度上可能会被有机物质包裹,富含有机物的泥岩容易妨碍了硼的正常掺杂。
6) 不同粘土矿物对硼的吸收程度的不同而导致了硼元素含量的差异性。
7) 其他组分也含有硼,不能排除其他矿物组分的影响。
研究表明,沉积磷酸盐法作为古盐度指标具有一定的可靠性。盐度能反映环境的水介质条件,是影响生物生活的重要因素。应用此法分析古盐度,有助于对沉积环境的认识,为沉积相的研究提供某些定性和定量的标志,同时对古生态的研究也具有一定的意义 [
磷酸盐是一种难溶性盐,在沉积物能较稳定的保存。现代和过去的粘土沉积物中,均含有一定数量的磷酸盐,不同的沉积环境,其含量也大不相同。Morifmer在研究湖泊时曾经论证,磷酸盐在湖泊沉积中,与铁结合在一起,在某些情况下,含量可以高于湖水;而在河口和海洋环境中,则不同程度的与钙结合,从淡水环境到海相咸水沉积,随着盐分含量、pH值和沉积环境的改变,磷酸根与铁的结合逐渐减弱,与钙的结合逐步增强(即从淡水到海水沉积,随着盐度的增高,钙的含量也增高,铁则相对减少,造成磷酸根与铁或者钙的结合发生相应的变换平衡)。因此基于钙和铁元素迁移习性的不同,分析沉积物中磷酸盐类型及其含量的相对变化,在一定程度上能够灵敏的反映沉积时的盐分状态 [
磷酸盐化合物主要包含磷铝石(AlPO4∙2H2O),红磷铁矿(FePO4∙2H2O)和羟磷灰石[Ca10(PO4)6(OH)2]。美国学者B. Nelson [
用0.5 mol/LNH4F提取磷酸铝,0.1 mol/LNaOH提取磷酸铁,及0.25 mol/LH2SO4磷酸钙,分离所得的各种磷酸盐分别用钼兰比色法测定,其反应式如下 [
沉积磷酸钙组分(Ca/Ca + Fe)的计算公式为:
A. Lee Meyerson 用全新世沼泽的花粉丰度和类型的变化以及用沉积磷酸盐方法都可描绘过去3000a间伴有海平面上升的海侵 [
1) 沉积磷酸盐法对区别半咸水环境很有效,但其分析结果经常受到黏土成因、成岩作用、含磷重矿物和含磷酸钙的生物化石的影响。
2) Nelson的SPM定量公式,是在对拉帕哈诺克(Rappahannock)河口、约克(Yolk)河和切萨皮克(Chesapeake)湾支流等的沉积物分析基础上得出的,它可能适用于淡水–正常海水的盐度范围。从公式盐度S % = (磷酸钙组分 − 0.09)/0.26可知,当磷酸钙组分 = 1时,也就相当于沉积物中磷酸铁的成分为零,此时S‰ = 35。那么该公式对于高–超盐度的范围是不适用的,不能定量表示。
3) 沉积磷酸盐法存在着来自无机或有机两方面的局限性,比如沉积物中混有碎屑磷灰石,或是含有磷酸钙的生物化石(如牙形石、海豆芽以及脊椎动物的牙齿、骨骼、鳞片等),都会使磷酸钙的组分值增高,造成虚假的古盐度值,从而影响了此法的推广。因此需要考虑自然环境因素的复杂性,尽量防止干扰因素造成的错误,同时必须选择纯泥质和不含此类化石的样品作为分析对象,应用时还必须和古生物、其它地球化学指标以及岩矿鉴定等的资料结合起来进行综合全面的分析。
利用介壳壳体、泥质岩的硼元素含量、磷酸盐恢复古盐度,己经做过充分的研究并得到了成功的应用,利用这些指标相互验证,可以有效地推算过去湖水盐度,建立高分辨率湖泊平面变化曲线。
在众多的湖水古盐度重建方法中,各种方法有不同的适用条件和适用范围及其一定的局限性。在具体的应用时,古盐度的恢复需要结合具体的地质研究,同时考虑古沉积环境、古气候和古生态方面的情况,根据研究工作的需要选择一种或者几种方法,来解释盐度条件,从而有效地恢复沉积环境。
福建省公益类科研院所基本科研专项(批准号:2014R1034-2)和云南师范大学大学生科研训练基金项目(项目标号:ky2011-58)共同资助。
张江燕,郑玉萍,宋瑞卿. 湖泊古盐度重建研究进展 Research Progress on Reconstruction of Lake Palaeo-Salinity[J]. 地理科学研究, 2016, 05(02): 92-104. http://dx.doi.org/10.12677/GSER.2016.52011