2025年大學(xué)《地球化學(xué)》專業(yè)題庫——沉積地球化學(xué)與古氣候重建考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、簡答題（每題5分，共30分）1.簡述影響元素在沉積物中遷移能力的因素。2.解釋什么是環(huán)境地球化學(xué)障，并舉例說明其在元素分布和沉積環(huán)境指示中的作用。3.概述碳同位素（δ13C）在沉積物和生物殼中記錄古環(huán)境信息（如古生產(chǎn)力、水化學(xué)、古pH）的基本原理。4.闡述利用氧同位素（δ1?O）重建古溫度的原理，并簡述該方法的適用范圍和局限性。5.簡要說明古地磁學(xué)、沉積學(xué)特征和地球化學(xué)指標(biāo)（如元素比值、同位素）如何綜合應(yīng)用于古氣候重建。6.描述放射性同位素（如1?C）在沉積地球化學(xué)研究中的主要應(yīng)用領(lǐng)域。二、論述題（每題10分，共40分）1.詳細(xì)討論微量元素（如Rb/Sr,K/Rb,Th/U,Mg/Ti）在沉積物中記錄古鹽度、古氧化還原條件（Eh）或水動力條件的原理，并比較不同元素組合的指示意義。2.結(jié)合沉積巖中碳酸鹽巖或生物殼（如有孔蟲、珊瑚）的碳、氧同位素組成（δ13C,δ1?O），闡述重建古海洋（如表層海水溫度、鹽度、碳循環(huán)）或古大氣的溫濕度、降水狀況的思路和方法。3.分析水/巖相互作用對沉積物中元素分布和同位素組成的影響機(jī)制，并舉例說明如何利用這種影響來約束沉積環(huán)境的物理化學(xué)條件或水巖交換過程。4.選擇一種具體的沉積記錄（如深海沉積物、湖泊沉積物、黃土沉積物），設(shè)計一個綜合運(yùn)用多種地球化學(xué)方法進(jìn)行古氣候重建的研究方案，闡述研究思路、關(guān)鍵指標(biāo)選擇、數(shù)據(jù)分析方法及預(yù)期目標(biāo)。三、計算題（共30分）1.某地殼平均組成相當(dāng)于球粒隕石，其Rb/Sr比值為15，1??Sm/1??Nd比值為0.07。假定地殼形成時1??Sm/1??Nd比值為0.127（無初始Sm），且地殼形成后Sm只發(fā)生放射性衰變（λSm=1.06x10?11yr?1）。計算該地殼物質(zhì)形成時的年齡。（15分）2.假設(shè)某古海洋表層水中DIC的δ13C值為-6‰，表層沉積物中鈣質(zhì)生物殼（方解石）的δ13C值為-2‰。已知方解石與海水之間的碳同位素分餾系數(shù)αCO?=1.0095+0.0294*(1000/溫度K)，忽略生物泵的影響。計算該古海洋表層水的溫度。（15分）試卷答案一、簡答題1.影響元素在沉積物中遷移能力的因素包括：元素的地球化學(xué)性質(zhì)（如離子半徑、電荷、電負(fù)性）、水體的物理化學(xué)條件（如pH、氧化還原電位Eh、鹽度）、沉積物的性質(zhì)（如粘土礦物類型、有機(jī)質(zhì)含量、孔隙水化學(xué)）、水動力條件（如流速）以及生物活動等。2.環(huán)境地球化學(xué)障是指阻止或延緩某種元素在特定空間內(nèi)發(fā)生混合或交換的物理或化學(xué)邊界。它可以是化學(xué)障（如pH、Eh突變帶，導(dǎo)致元素沉淀或吸附），也可以是物理障（如沉積速率快速增加形成的沉積物層，阻止了底層水體的元素向上滲透）。環(huán)境地球化學(xué)障的存在導(dǎo)致元素在障兩側(cè)呈現(xiàn)不同的分布特征，可用于指示沉積環(huán)境的分異和變化。3.碳同位素（δ13C）記錄古環(huán)境信息基于生物光合作用或化學(xué)沉積過程中對碳同位素的分餾。例如，浮游植物光合作用傾向于消耗1??C，導(dǎo)致表層海水DIC富集1??C，從而記錄了古生產(chǎn)力信息（δ13C值越高，生產(chǎn)力通常越低）；碳酸鹽沉積物（方解石）的δ13C受控于其形成時的DIC和pH，DIC的組成又反映了水體的來源（如表層水與深部水的混合）和碳循環(huán)狀況，進(jìn)而可用于重建古海洋環(huán)流、古鹽度或古pH。生物殼（如有孔蟲）的δ13C還與生物的代謝類型和食性有關(guān)。4.利用氧同位素（δ1?O）重建古溫度的原理是：水分子（H?O）在不同溫度下蒸發(fā)和凝結(jié)時，會發(fā)生氧同位素（1?O和1?O）的分餾，溫度越低，分餾越顯著，凝結(jié)水的δ1?O值越低。因此，記錄了過去水循環(huán)歷史的沉積物或生物遺存（如冰芯、海相碳酸鹽巖、硅質(zhì)藻類/有孔蟲殼）中的氧同位素組成，可以通過與已知溫度條件下的現(xiàn)代或古代水體的分餾關(guān)系進(jìn)行對比，從而估算古溫度。適用范圍廣泛，尤其適用于海洋表面溫度（SST）重建，也可用于重建大氣降水、冰川體積變化等。局限性包括：①分餾受多種因素影響（如鹽度、壓力、蒸發(fā)量），僅靠δ1?O重建溫度有時不夠精確；②樣品可能經(jīng)歷后期改造（如溶解、重結(jié)晶），導(dǎo)致同位素組成變化；③生物對氧同位素也有自身分餾機(jī)制。5.古氣候重建綜合應(yīng)用多種指標(biāo)，是因?yàn)閱我恢笜?biāo)往往只能提供古氣候的部分信息，存在局限性。沉積學(xué)特征（如沉積物類型、粒度、顏色、生物群）可以提供關(guān)于古環(huán)境背景（如海平面變化、洋流、風(fēng)場、沉積速率）的信息。地球化學(xué)指標(biāo)（如元素比值、微量元素、同位素）則可以提供更精確的物理化學(xué)參數(shù)（如古溫度、古鹽度、古氧化還原條件、古降水）和生物地球化學(xué)過程（如古生產(chǎn)力、碳循環(huán)）的信息。通過整合沉積學(xué)、古生物學(xué)和地球化學(xué)數(shù)據(jù)，可以相互印證、補(bǔ)充，提高古氣候重建的可靠性和分辨率，構(gòu)建更全面的古環(huán)境圖像。6.放射性同位素在沉積地球化學(xué)研究中的主要應(yīng)用包括：①測年：利用放射性衰變定律測定沉積物的形成年齡，如1?C測年（適用于有機(jī)質(zhì)豐富的年輕沉積物）、13?Cs測年（適用于有核試驗(yàn)沉降物的沉積物）、1?Be測年（適用于冰芯、黃土、土壤中的粒度組分，測古侵蝕/風(fēng)化速率）、1??Sm/1??Nd測年（適用于殼牌、鋯石等難熔礦物，進(jìn)行殼體生長年齡或地殼形成年齡研究）。②示蹤：利用不同同位素的地球化學(xué)行為差異進(jìn)行示蹤，如利用H/He同位素比值研究風(fēng)化剝蝕速率和大氣環(huán)流，利用Sm/Nd同位素比值研究地殼物質(zhì)來源和演化。二、論述題1.微量元素在沉積物中的分布受其來源、搬運(yùn)、沉積過程中的地球化學(xué)行為控制，這些行為常受控于沉積環(huán)境的物理化學(xué)條件（如鹽度、Eh、水動力、溫度等），因此微量元素比值或含量可用于指示古環(huán)境。例如：Rb/Sr比值主要受控于沉積物形成時的鹽度，通常在鹽度較高的海相沉積物中Rb/Sr比值較高；K/Rb比值對鹽度不敏感，但對Eh更敏感，在氧化環(huán)境（如氧化性碳酸鹽巖）中K含量相對較高，導(dǎo)致K/Rb比值升高；Th/U比值主要受控于沉積物的有機(jī)質(zhì)含量和氧化還原條件，有機(jī)質(zhì)在還原環(huán)境下會強(qiáng)烈吸附U，而Th相對不易被吸附，因此Th/U比值在缺氧沉積環(huán)境（如黑色頁巖）中通常較高；Mg/Ti比值主要與沉積物的源區(qū)巖石類型和氣候有關(guān)，通常在暖濕氣候條件下，富含鎂的碳酸鹽和蒸發(fā)巖風(fēng)化加劇，導(dǎo)致海相沉積物中的Mg/Ti比值升高，指示了較強(qiáng)的化學(xué)風(fēng)化。比較不同元素組合的指示意義在于，單一元素可能受到多種因素的復(fù)合影響，而不同元素對同一環(huán)境因素或不同環(huán)境因素的響應(yīng)存在差異，通過綜合分析多種元素（特別是相互關(guān)系密切的元素）的地球化學(xué)特征，可以更準(zhǔn)確地約束沉積環(huán)境的性質(zhì)。2.重建古海洋或古大氣的溫濕度、降水狀況主要利用碳、氧同位素在海洋和大氣水循環(huán)中的分餾規(guī)律。①古海洋：海洋表層水的溫度直接影響水中的碳酸鹽和硅酸鹽的沉淀，導(dǎo)致δ13C和δ1?O發(fā)生分餾。δ13C受控于生物光合作用（消耗1??C）、水團(tuán)混合（不同水團(tuán)的δ13C不同）、碳酸鹽沉淀（與DIC和pH有關(guān)）、生物泵等。δ1?O主要受控于表層水溫（溫度越低，分餾越強(qiáng)，δ1?O越高）和鹽度（鹽度越高，分餾越弱，δ1?O越低）。通過分析深海沉積物中的微體古生物殼（如有孔蟲、翼足類）或淺海碳酸鹽巖的δ13C和δ1?O記錄，結(jié)合海洋環(huán)流模型，可以重建古表層海水溫度、鹽度結(jié)構(gòu)、碳循環(huán)強(qiáng)度以及洋流模式。②古大氣：大氣降水的δ1?O主要反映了降水形成時的氣溫（溫度越低，分餾越強(qiáng)，δ1?O越低）和大氣來源區(qū)。降水的δ13C則與大氣CO?的濃度和碳循環(huán)有關(guān)。通過分析冰芯中的δ1?O記錄，可以重建古溫度變化和冰期旋回。通過分析黃土-古土壤序列或湖泊沉積物中的有機(jī)物/碳酸鹽的δ1?O記錄，結(jié)合古季風(fēng)模型，可以重建古季風(fēng)強(qiáng)度、降水格局和古氣候變化事件。綜合運(yùn)用δ13C和δ1?O數(shù)據(jù)，并結(jié)合其他氣候代用指標(biāo)（如風(fēng)塵含量、植物硅藻組合等），可以更全面地重建古大氣的溫濕度、降水時空變化特征。3.水巖相互作用是指沉積物/巖石與其上覆或接觸的水體（主要是孔隙水）之間發(fā)生的物理、化學(xué)和生物地球化學(xué)過程，包括元素的溶解、沉淀、吸附、交換以及同位素的分餾。這些過程顯著影響沉積物中元素的分布（總量、橫向/縱向分異）和同位素組成。其影響機(jī)制包括：①元素交換：元素在水相和固相（礦物表面）之間根據(jù)化學(xué)平衡原理進(jìn)行交換，導(dǎo)致元素在固相中的富集或虧損，并改變孔隙水的化學(xué)成分。②沉淀/溶解：沉積物中礦物或元素組分的沉淀（如碳酸鹽、鐵錳氧化物）或溶解（如碳酸鹽、磷酸鹽）會改變孔隙水的化學(xué)條件（pH、Eh、離子濃度）和元素組成。③同位素分餾：在元素發(fā)生相變或生物地球化學(xué)循環(huán)時，重同位素通常比輕同位素更傾向于留在較“重”的相中或發(fā)生分餾，導(dǎo)致不同相之間或不同體系之間的同位素組成發(fā)生差異。例如，在碳酸鹽沉淀過程中，形成的方解石通常比其來源的孔隙水富集1?O和1??C；在有機(jī)質(zhì)分解的還原環(huán)境下，U被強(qiáng)烈吸附在礦物表面（分餾系數(shù)很大），而Th相對不易吸附（分餾系數(shù)接近1）。利用水/巖相互作用對元素分布和同位素組成的影響，可以約束沉積環(huán)境的物理化學(xué)條件（如pH、Eh、溫度、流體來源與混合比例、水巖接觸時間、氧化還原條件）以及水巖交換過程（如地下水滲濾、地表水入湖/海）的強(qiáng)度和性質(zhì)。4.研究方案設(shè)計（示例：選擇深海沉積物記錄）：①研究目標(biāo)：重建過去X百萬年期間該海域的古氣候（表面溫度、溫躍層深度、降水/蒸發(fā)狀況）和古海洋環(huán)流變化。②樣品選擇：選取位于目標(biāo)海域的連續(xù)、高分辨率深海鉆探cores（如大洋鉆探計劃ODP、綜合大洋鉆探計劃IODP、國際大洋鉆探計劃IPOD）中的沉積巖心，確保記錄連續(xù)且盡可能未受后期擾動。③關(guān)鍵指標(biāo)選擇：A.古溫度：分析深海有孔蟲（如Globigerinabulloides,Globigerinaruber）或翼足類（如Pteropods）殼體的氧同位素組成（δ1?O）。B.古海洋：分析沉積物中鈣質(zhì)生物殼的碳同位素組成（δ13C）、生物標(biāo)志物（如長鏈烷烴、芳烴）的碳同位素組成（δ13C,δ1?N）、以及磁化率（反映水體攪動和溫躍層深度）和粘土礦物含量（反映風(fēng)化輸入和大陸物質(zhì)來源）。C.古風(fēng)化/降水：分析沉積物中氧同位素組成（δ1?O）的變化，結(jié)合硅藻或有孔蟲殼的元素比值（如Mg/Ca,Sr/Ca，反映表層海水鹽度和溫度）。D.沉積速率/事件：利用火山灰層位進(jìn)行定年，結(jié)合沉積速率變化分析古氣候事件。④數(shù)據(jù)分析方法：對提取的樣品進(jìn)行前處理（清洗、脫鈣、萃取等）后，利用質(zhì)譜儀（MC-ICP-MS）測定同位素比值（δ13C,δ1?O），利用元素分析儀（CHN）測定有機(jī)碳（TOC）和氮（TN），利用氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用（GC-MS）分析生物標(biāo)志物，利用X射線衍射（XRD）分析礦物組成，利用磁力儀測定磁化率。將各指標(biāo)數(shù)據(jù)與已知年齡模型進(jìn)行標(biāo)定，進(jìn)行時序分析，識別氣候旋回和事件。⑤預(yù)期目標(biāo)：通過綜合分析多指標(biāo)數(shù)據(jù)，重建該海域的古表層水溫、溫躍層深度、古鹽度、古大氣降水/蒸發(fā)差異以及古海洋環(huán)流模式的變化歷史，揭示其與全球氣候變化的聯(lián)系。三、計算題1.計算地殼形成年齡。已知：地殼形成時1??Sm/1??Nd=0.127，形成后Sm只發(fā)生放射性衰變，λSm=1.06x10?11yr?1，當(dāng)前地殼樣品1??Sm/1??Nd=0.07，當(dāng)前地殼樣品Rb/Sr=15。Sm的衰變方程為：ln(Nt/N?)=λt，其中Nt為當(dāng)前Sm數(shù)量，N?為初始Sm數(shù)量。由于λSm已知，ln(Nt/N?)=λSm*t。因此，地殼形成年齡t=ln(Nt/N?)/λSm。在地殼形成時，Sm的放射性母體（Sm）與子體（Nd）的比值為初始值，即N?(Sm)/N?(Nd)=0.127。當(dāng)前樣品中，1??Sm是1??Nd的子體，其數(shù)量Nt(Sm)=N?(Sm)*e^(λSm*t)。當(dāng)前樣品中，1??Nd沒有放射性母體參與，其數(shù)量Nt(Nd)≈N?(Nd)。因此，當(dāng)前1??Sm/1??Nd比值Nt(Sm)/Nt(Nd)=N?(Sm)/N?(Nd)*e^(λSm*t)。代入已知數(shù)值：0.07=0.127*e^(1.06x10?11*t)。解此方程求t：e^(1.06x10?11*t)=0.07/0.127≈0.54961.06x10?11*t=ln(0.5496)≈-0.607t=-0.607/(1.06x10?11)yr?1≈5.73x101?yr≈57.3億年。（注：此計算假設(shè)地殼形成時Sm/Nd比值為0，且忽略了Nd的初始放射性母體，實(shí)際地殼年齡通常用Rb/Sr法測定，約為40億年，此題模型簡化，用于計算原理演示。）2.計算古海洋表層水溫度。已知：δ13C_Carb=-2‰,δ13C_Water=-6‰,αCO?=1.0095+0.0294*(1000/T)。方解石與海水之間的碳同位素分餾方程為：δ13C_Carb=δ13C_Water+Δδ13C。Δδ13C=αCO?-1。其中，αCO?=(1+εCO?/1000)。分餾系數(shù)εCO?=1000*(αCO?-1)。題目