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仪器与地球历史(二) 气候变化与地层史书

2020年02月05日 11:05:24来源:仪器网作者:宋池

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  【仪器网 能源环境】生物的生存与演化与环境息息相关,物竞天择,适者生存,能够适应环境变化的物种得以存活并继续繁衍,而无法适应的物种就此消失在地球舞台上。纵贯生命演化的进程,物种的兴盛衰亡无不伴随着环境巨变。
 

 
  太古宙末期蓝带来的大氧化事件让有氧呼吸成为生物的主流,卡尼期积洪事件连绵几百万年的大雨带来了恐龙的时代也给海洋生物造成沉重的打击,地球历史上五次大灭绝事件的成因都包括气候剧变。然而这也带给我们一个问题,在那些人类都还没有出现的年代,科学家是如何还原出当时的气候环境呢?
 
  温度表、气压表等测量设备的出现开启了人类精确记录气候变化的历史,在气候变暖的研究中,依靠这些数据我们才能准确描述几百年来温度的详细变化。而在连文献都没有的年代,地球的气候变化依然被忠实地记录下来,只是这记录者不是人类,而是地球自身。我们脚下的地层中不仅保存着古生物最后的遗迹,也隐藏着地球环境所有的变迁。
 
  以沉积地层的古土壤为例,在干旱、半干旱以及半湿润的气候条件下,土壤会因为碳酸盐矿物的聚集形成钙积层,钙积层的厚度可以反映土壤形成过程中年降水量。土壤的形成与岩石的风化作用有关,通过检测古土壤样品中主量元素与微量元素的含量,可以判断土壤的形成过程从而评估那个时候的气候条件,例如通过计算古土壤去钾化学蚀变指数可以估算年均降水量。
 
  在地层中还有很多古气候留下的痕迹,树木化石年轮、冰川的冰芯、珊瑚砗磲等海洋生物的外骨骼、海洋湖泊的沉积物等等。而要从这些地层的“史书”中解读出古气候的记录,通常需要用到同位素测定法,其中较为常用的是氧同位素测定。
 
  氧同位素可以作为古温度的替代性指标,基本原理为:同位素具有分馏作用,在蒸发过程中,由O16组成的水分子比O18组成的水分子更容易蒸发,因此当气候寒冷时,海水中的O18含量会升高,而O16则会被固定在冰盖中。由此可以产生两种判断气温的方法:检测海洋中有孔虫钙质壳体中的O18与O16含量的比值(δO18)或者检测冰川冰芯中两者的比值。气候越温暖,冰芯中δO18的值越高,而有孔虫钙质壳中的δO18越低。
 
  讲到同位素测定,当然不能不提质谱仪。作为同位素检测的常用仪器,稳定同位素质谱仪已经成为追寻地球历史不可缺少的工具。在环境同位素检测中,同位素质谱仪与有机元素分析仪、高温裂解分析仪、碳酸盐反应装置等外设装机联用可以分析各类地质样品的碳、氮、氢和氧同位素组成,为古环境研究提供数据支持。
 
  自然环境是一个相互联系的整体,气候的变化反映在环境的各个方面。生物、土壤、岩石……它们忠实地记录下地球上正在发生的一切改变,在地球诞生之初就已经开始写下恢弘的史书。想要了解地球的历史吗?那就去解读这部史书吧,当技术不断发展,仪器不断进步,我们也就能读到更多更准确的记录。
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