古大气CO_2浓度重建方法技术研究现状

温室气候引起的全球气候变暖越来越引起人们的关注,大气中不断上升的CO2浓度被认为是导致气候变暖的主要因素。地史时期大气CO2浓度变化与温室气候可能存在类似的关系,可提供参考,因而古大气CO2浓度重建是首要任务。总结近年来古大气CO2浓度重建的进展,重点介绍GEOCARB模型模拟、植物叶片气孔参数和同位素指针的方法和技术。GEOCARB模型是反映全球古大气CO2浓度长期变化的碳相关模型;气孔参数方法是使用气孔比例来估计古大气CO2浓度;同位素指针包括成壤碳酸盐、浮游植物有机质生物标记物、钙质浮游有孔虫、古苔藓植物等,其中成壤碳酸盐碳同位素方法使用最为广泛。国内只是在叶片参数研究方面有一些进展,古大气CO2浓度重建工作任重而道远。

白垩纪—古近纪界限时期的陆地气候重建进展

白垩纪—古近纪(K-Pg)界限时期发生了地质历史中最严重的生物大灭绝事件之一,重建该时期气候演化历史及其对生态系统的影响对理解深时气候演化规律和预测未来气候变化都具有重要意义。相比海相剖面而言,基于陆相剖面的白垩纪—古近纪界限时期古气候重建研究开展较晚,相关成果缺乏系统总结和集成。本文系统回顾了全球陆相白垩纪—古近纪界限剖面的分布情况和事件年代学新进展,总结了基于以上剖面重建的定量古气候记录和德干火山喷发记录,建立了界限时期中纬度陆地年平均温度和大气CO_(2)浓度时间演化序列。陆相剖面分布相对集中且数量较少,中国是该时期陆相剖面发育最多的国家之一,多个盆地已经建立了德干火山喷发记录,在重建该时期陆地气候上具有很大潜力。基于陆相沉积物汞元素地球化学记录表明,德干火山作用导致了晚马斯特里赫特期变暖事件并触发了白垩纪末期生物大灭绝。中纬度陆地年平均温度重建结果显示马斯特里赫特期中期全球经历了~10℃的降温,到马斯特里赫特期晚期德干火山初始喷发前显著升温至~20℃,并在白垩纪—古近纪界限前后发生多次快速波动。尽管65~63 Ma之间陆地温度记录相对缺失,69~65 Ma之间重建的大气CO_(2)浓度记录与陆地年平均温度记录之间具有良好的耦合性,表明白垩纪—古近纪界限时期大气CO_(2)浓度变化是全球温度变化的主要驱动因素。

甘肃宝积山盆地中侏罗世石拐茨康叶表皮构造及古环境意义

甘肃宝积山盆地中侏罗统窑街组发现茨康类植物化石,通过对其外部形态和表皮构造研究,认定为石拐茨康叶(Czekanowskia(Vachrameevia)shiguaiensis)。对比当前化石及其现存最近对应种(the nearest living equivalent species)—Ginkgo biloba L.的气孔比率,得到宝积山盆地在中侏罗世的古大气CO_2体积分数为1.55×10^(-3),数值接近GEOCARBⅢ碳平衡模型的拟合曲线,表明茨康叶属植物也是恢复古大气CO_2体积分数的良好材料。同时,通过角质层特征进行古环境重建,结果表明宝积山盆地在中侏罗世时期气候较为温和湿润。

甘肃北山早白垩世似银杏化石的发现:兼论甘肃侏罗-白垩纪古大气CO_(2)变化

银杏类化石的微细构造是定量估算古大气二氧化碳浓度的良好材料.首次报道了甘肃北山中口子盆地早白垩世赤金堡组似银杏属化石,通过宏观和微观特征对比将其鉴定为Ginkgoites sibirica.利用气孔比率法定量重建Hauterivian-Barremian期的古大气CO_(2)浓度为766~1 277 ppmv.结合前人数据,利用光合气体交换模型定量重建了甘肃省早侏罗世-早白垩世古大气CO_(2)浓度及变化趋势,侏罗纪普林斯巴期(Pliensbachian)、阿林期(Aalenian)、巴柔期早期(Early Bajocian)、巴柔期晚期(Late Bajocian)的古大气CO_(2)浓度分别为1 136 ppmv、927 ppmv、643 ppmv和785 ppmv;早白垩世Hauterivian-Barremian期的CO_(2)浓度为548 ppmv.结果显示早、中侏罗世二氧化碳浓度较高,向白垩纪呈下降趋势,早白垩世早中期达到低点后呈现缓慢波动上升;早白垩世晚期达到顶点,然后缓慢下降.研究表明光合气体交换模型可作为恢复古气候变化的有效手段.

鹤庆栎(Quercusheqingensisn．sp．)的发现及其在古大气CO2浓度重建中的应用

在云南鹤庆上上新统三营组中发现大量壳斗科栎属高山栎组植物（Ouercussect．Heterobalanus）叶片化石．这些标本主脉呈“Z”字微弯，基部粗壮，至叶尖变细，二级脉羽状互生，且互相平行，在近叶缘1／3～1／2处分又；上表皮有单、多细胞毛基，无气孔，表皮细胞多为近四边形；下表皮只有单细胞毛基和环列型气孔器，表皮细胞为近四边形或五边形．这些特征虽然与毛脉高山栎（Q．rehderiana）、帽斗栎（Q．guyavifolia）及古帽斗栎（Q．preguyavifolia）等现生种和化石种比较相似，但仍与它们存在叶表皮毛密度和毛基类型的差异，故将其定为新种——鹤庆栎Quercusheqingensisn．sp．）．将鹤庆栎的气孔指数应用于已建立的其现存最近亲缘类群（NearestLivingRelatives，NLRs）——帽斗栎的气孔指数与大气pCO2的关系式，定量重建出晚上新世时期的古大气CO2浓度分别为263．42±24．86ppm（沿海拔梯度采集样品重建结果）和234．25±22．49ppm（历史标本样品重建结果），与前人结果相比基本一致，经过海拔校正后则十分吻合．同时进一步证明了晚上新世时期的古大气C02浓度低于现代水平，为利用现存最近亲缘类群作为代理（proxies）重建古大气CO2浓度提供了可靠的证据．

定量重建黄土高原末次间冰期土壤呼吸CO_(2)浓度

成壤碳酸盐气压计(paleosol carbonate CO_(2) barometer)是定量恢复古大气CO_(2)浓度的重要方法, 但是目前重建结果仍然存在较大的不确定性, 主要原因是土壤呼吸产生CO_(2)(简称S (z))的数值分布范围较大。S (z)在古土壤中不能直接测量, 它受古降水影响具有明显的空间分异特征。中国黄土高原广泛分布的成壤碳酸钙结核是土壤呼吸作用和淋溶再沉淀的产物, 具有恢复长时间序列古大气CO_(2)浓度的潜力, 但是目前各指标方法恢复的S (z)存在差异。本研究利用黄土高原7个末次间冰期(对应古土壤S1层)剖面的成壤碳酸钙结核恢复黄土高原S (z)值的空间变化规律, 并对比不同指标方法恢复的S (z)。结果显示: 黄土高原S (z)呈现出南部高于北部的特征, 南部剖面S (z)的平均值为848±170ppm, 北部剖面S (z)的平均值为539±87ppm。这个趋势与暖季平均降水量的空间变化趋势一致。本研究确定黄土高原S (z)的空间变化范围, 为利用黄土碳酸盐重建古大气CO_(2)浓度提供可靠的参数限制。

新疆准噶尔盆地早侏罗世掌鳞杉科植物化石及古大气CO_(2)浓度

植物化石气孔参数分析是目前恢复古大气二氧化碳浓度较为精准的方法之一,银杏类和松柏类等是恢复古大气CO_(2)浓度常用的化石类群。本文利用新疆准噶尔盆地下侏罗统三工河组的松柏类掌鳞杉科Brachyphyllum(Hirmeriella?)sp.化石对早侏罗世大气CO_(2)浓度进行了重建,获得早侏罗世大气CO_(2)浓度为~1200ppm,丰富了早侏罗世大气CO_(2)浓度信息,进一步说明掌鳞杉科植物通过气孔比率法在重建侏罗纪大气CO_(2)浓度方面的可靠性。掌鳞杉科植物的旱生构造和较高的大气CO_(2)浓度表明早侏罗世Toarcian期大洋缺氧事件在陆地生态系统内可能产生了一定的响应。

含油气盆地蒸发盐矿物成因类型及其地质意义

中国是一个多盐湖国家,然而盐湖研究主要集中于分析湖水化学性质、盐类物质来源和盐矿资源开发等,对盐类矿物沉积特征和埋藏成岩改造研究较少,造成从蒸发岩角度去理解古代盐湖盆地的油气富集规律较为困难。在广泛阅读国内外大型盐湖文献的基础上,笔者介绍了盐湖分类方案和蒸发岩中盐类矿物的主要成因类型,并总结了中国陆相含油气盆地中常见的硫酸盐、氯化物、含钠碳酸盐和硼酸盐的沉积—成岩过程及其古环境和古气候意义。同时,尝试利用盐湖沉积最新研究成果去探讨中国含油气盆地蒸发岩研究中存在争议或值得关注的问题,得出:(1)深部热液可为湖泊输送大量元素离子,但要在湖泊环境下富集大量蒸发岩,则(半)干旱气候和蒸发浓缩作用是前提条件;(2)易溶蒸发岩(如石盐)在沉积中心单层厚度大,而在斜坡—边缘区缺失,这是季节性气温变化和温跃层浮动引发“中心聚集效应”的结果;(3)温度可影响蒸发岩中盐类矿物溶解度、晶体结构形态和发育深度,而部分无水盐类矿物在常温常压下却无法结晶,这一现象可用来指示古地温和地层埋藏史;(4)碳酸盐型盐湖中的Na-碳酸盐种类可指示大气CO_(2)浓度和古温度。