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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

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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...

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