华北地区石炭纪煤的S13C特征及其在地理意义VIP专享VIP免费

华北地区石炭纪煤的δ13C特征及其古地理意义δ13CCharacteristicsofCarboniferousCoalinNorthChinaandItsPalaeogeographicImplications地质学系98级唐国军摘要本文通过对太原西山煤田石炭系太原组剖面29个煤样的碳同位素（δ13C）分析，该地区煤的δ13C在－22.3‰～－24.7‰之间变化，从总体上看，δ13C逐渐变正，表明气候的变化逐渐更加不利于C3植物的生长。且这一变化趋势与全球气温变化趋势不一致，推测华北板块当时的古地理位值逐渐向赤道靠近。太原西山煤田石炭系太原组δ13C分布非常稳定，与华北其它地区煤的δ13C进行对比，数值均在－23.5‰左右变化，表明当时高等植物光合作用形式中C3循环占绝对优势。AbstractTwentynineδ13CanalysesofCarboniferouscoalsamplesinXishancoalfield,Taiyuan,arerangedfrom－22.3‰to－24.7‰.Accordingtothechangetrendofthesedata,theclimatewasgettingharderforthegrowthofC3Plants.Andthistrenddifferedfromtheglobleclimatechangethenwidely,whichcantellusthatthepalaeographicpositionofNorthChinawasbecomingnearertotheequator.ComparedwithdatafromotherregionsofNorthChina,thesedatacanalsoshowgoodcoherencesandalldataareround－23.5‰,whichcanshowthattheC3-cyclephotosythesisstyledominatesthoseoriginalplants.一、导言全球变化研究日益受到重视，科学家们采用各种地质记录来试图恢复古环境变化。对于这些地质记录，按照其来源我们可以分为两类：一类为有机来源，如古哺乳动物牙齿（WangandCerling,1994;Wangetal.,1994）,黄土-古土壤（Cerlingetal.,1989,1993;林本海等，1992；安芷生，1994；Kochetal.,1992;张平中等，1998；王永吉等，2000），沉积有机质（吴敬禄等，1996；沈吉等，1996；张平中等，1995；张振克等，1998；林清等，2000；陈践发等，1992；王万春等，1999），树轮（刘文深等，1995）；另一类为无机来源，如石笋（张美良等，2000；覃嘉铭等，2000），冰芯（Darsqaard,1993）。通过对这些地质记录的碳同位素比值的研究，可以反演形成过程中环境因素的影响，进而推测当时古环境的变化。按光合作用过程中C的循环方式，可以将植物分为C3、C4和CAM三种类群。C3植物和C4植物光合作用内在机理的差异，导致其C同位素分馏有很明显的差异。这种分馏作用，不仅与植物自身的性质有关，而且直接或间接地受到植物生长期所处环境状况的影响。因此，通过对地质记录的C同位素研究，可以推断出该时期植物长生状况，在一定程度上恢复当时的古环境特征。二、碳同位素分馏与光合作用C4循环的发现仅仅是上个世纪下半叶的事情（Hatch&Slach，1966），80年代人们又发现C3植物和C4植物由于光合作用机理差异而导致的δ13C值有明显的差异（Hattersley,1982）。植物生长的光合作用，实际是将CO2转变为碳氢化合物的过程。按照软硬酸碱理论，C—H键强度弱于C—O键，植物生长过程中易于富集12C，导致植物的δ13C<0，为较大的负值，又由于C3和C4植物在富集12C的强度上的差异导致了它们δ13C值的差异。C3植物的δ13C在-20‰到-32‰之间变化，平均约为-28‰;C4植物的δ13C则在-9‰到-17‰之间变化，平均约为-14‰(O'Leary,1998;Ballentineetal.,1998)。大气中的CO2相对富集13C，而植物通过光合作用后有机质中相对富集12C。为了描述这一过程中C同位素的分馏现象，已建立了好几种模式。这些模式都注重这样一个事实：δ13C是源CO2中δ13C值和叶子生理过程的函数，这里我们只介绍Farquhar等（1989）建立的分馏模式。对C3植物:δp=δa-a-(b-a)Pi/Pa；△＝δa-δp=a+(b-a)Pi/Pa式中，δp为C3植物全木（或纤维素）的碳同位素组成δ13C，δa为大气CO2的碳同位素组成δ13C，△为大气CO2与C3植物之间的碳同位素分馏值，△＝δa-δp，a指13CO2和12CO2的不同扩散系数（a约为4.4‰）；b指溶解CO2发生羧化反应时的分馏素数（约为27‰）。Pi和Pa分别表示在光合作用过程中，叶子细胞内部和外部的面部压力或者浓度。在自然界，C以不同形态赋存于大气、大洋和大陆上。在C元素的流动过程和演化进程中，几乎每一步都伴随着C同位素的分馏（Koch，1992）,下图简略...