2025年大學(xué)《地球化學(xué)》專業(yè)題庫(kù)——地球化學(xué)在古環(huán)境研究中的應(yīng)用考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、簡(jiǎn)答題（請(qǐng)簡(jiǎn)要回答下列問(wèn)題）1.簡(jiǎn)述利用碳穩(wěn)定同位素（δ13C）分析古環(huán)境信息的幾種主要途徑。2.描述生物標(biāo)志物作為古環(huán)境代用指標(biāo)的主要優(yōu)勢(shì)。3.解釋什么是放射性同位素測(cè)年？選擇1?C進(jìn)行測(cè)年有哪些基本前提？4.簡(jiǎn)述利用沉積物中特定微量元素（如Mg/Ca或Ba/Ca）推斷古鹽度的基本原理。5.在利用氧穩(wěn)定同位素（δ1?O）重建古溫度時(shí)，不同環(huán)境介質(zhì)（如海水中、冰芯中、湖泊沉積物中）需要考慮哪些因素？二、計(jì)算題（請(qǐng)根據(jù)要求完成計(jì)算，并寫(xiě)出必要的計(jì)算過(guò)程和公式）1.某研究測(cè)得某地白堊紀(jì)沉積巖中有機(jī)質(zhì)鏡質(zhì)體反射率（Ro）為0.5%。根據(jù)vanKrevelen圖或相關(guān)經(jīng)驗(yàn)公式，估算該沉積物形成時(shí)的埋藏溫度。2.已知某湖泊沉積物中，現(xiàn)代表層水的δ13C值為-24‰VPDB，沉積物中現(xiàn)代生物碎屑的δ13C值為-20‰VPDB。假設(shè)該沉積物形成過(guò)程中，碳同位素分餾遵循一定的規(guī)律（例如，假設(shè)沉積速率和生物降解速率相對(duì)穩(wěn)定），簡(jiǎn)述如何利用這些數(shù)據(jù)大致推斷沉積物形成時(shí)的水體pH值變化趨勢(shì)（假設(shè)溫度相對(duì)穩(wěn)定）。三、論述題（請(qǐng)就下列問(wèn)題展開(kāi)論述，要求論點(diǎn)清晰，論據(jù)充分）1.綜述同位素地球化學(xué)方法在重建古氣候變化中的應(yīng)用，并舉例說(shuō)明其在指示古溫度、古季風(fēng)、古降水等方面的作用。2.討論地球化學(xué)指標(biāo)（如穩(wěn)定同位素、微量元素、生物標(biāo)志物）在區(qū)分不同沉積物來(lái)源（物源區(qū)、搬運(yùn)路徑、再沉積）方面的潛力和局限性。試卷答案一、簡(jiǎn)答題答案1.利用碳穩(wěn)定同位素（δ13C）分析古環(huán)境信息的幾種主要途徑：*指示有機(jī)質(zhì)來(lái)源和環(huán)境：通過(guò)與已知來(lái)源（如大氣CO?、光合作用產(chǎn)物）的對(duì)比，推斷古代生物光合作用強(qiáng)度、水生生物碳同位素分餾特征、有機(jī)質(zhì)埋藏和分解過(guò)程。*指示古溫度：在某些體系中（如碳酸鹽-水體系），δ13C可以與溫度相關(guān)聯(lián)。*指示古海洋/湖泊水化學(xué)：通過(guò)水體與沉積物的碳同位素交換，反映水體鹽度、碳酸鹽飽和度、蒸發(fā)濃縮等特征。*指示生物活動(dòng)影響：如缺氧環(huán)境下的有機(jī)質(zhì)分解會(huì)富集δ13C值。2.生物標(biāo)志物作為古環(huán)境代用指標(biāo)的主要優(yōu)勢(shì)：*化學(xué)獨(dú)特性：具有特定的分子結(jié)構(gòu)和碳數(shù)，來(lái)源明確（生物來(lái)源），易于鑒定。*指示特定生物信息：可以指示生物類群（如藻類、細(xì)菌）、生物活動(dòng)（如光合作用、異化作用）。*靈敏度高：對(duì)環(huán)境參數(shù)（如溫度、鹽度、氧化還原條件）的變化較為敏感。*抗風(fēng)化性強(qiáng)：部分生物標(biāo)志物在沉積和成巖過(guò)程中相對(duì)穩(wěn)定。*記錄時(shí)間分辨率高：可以提供較高時(shí)間分辨率的古環(huán)境信息。3.什么是放射性同位素測(cè)年？選擇1?C進(jìn)行測(cè)年有哪些基本前提？*放射性同位素測(cè)年：利用在特定地質(zhì)體系（如巖石、礦物、水）中放射性同位素（母體）衰變產(chǎn)生的子體同位素的數(shù)量，根據(jù)已知的衰變半衰期，計(jì)算該體系的形成年齡或事件年齡的一種方法。*1?C測(cè)年的基本前提：*初始條件已知：假設(shè)樣品形成時(shí)，所測(cè)量的放射性同位素（1?C）含量與周圍環(huán)境處于平衡狀態(tài)，或初始含量可估算。*封閉體系：從樣品形成到測(cè)年結(jié)束，放射性母體和子體之間沒(méi)有發(fā)生顯著的交換、損失或增加（或變化量可估算）。*衰變率恒定：假設(shè)自樣品形成以來(lái)，放射性同位素的衰變率未受到外部因素（如磁場(chǎng)變化、宇宙射線強(qiáng)度劇烈變化）的顯著影響。4.利用沉積物中特定微量元素（如Mg/Ca或Ba/Ca）推斷古鹽度的基本原理：*原理：許多微量元素（如Mg,Sr,Ba,Ca,Rb,K）在海水或湖水中具有相對(duì)保守的濃度比值，或者它們與懸浮顆粒物或生物骨骼/外殼有特定的結(jié)合關(guān)系。當(dāng)水體鹽度發(fā)生變化時(shí)，這些元素的濃度比值也會(huì)隨之改變。通過(guò)測(cè)定沉積物中的微量元素含量（通常需要結(jié)合總鈣含量，如Mg/Ca或Ba/Ca對(duì)總Ca標(biāo)準(zhǔn)化），并與現(xiàn)代或已知鹽度的沉積物/水體的地球化學(xué)關(guān)系進(jìn)行對(duì)比，可以反演古鹽度。*注意：該方法的有效性受沉積速率、沉積物粒度、生物活動(dòng)、成巖作用等多種因素影響，需要謹(jǐn)慎選擇適用條件和進(jìn)行必要的校正。5.在利用氧穩(wěn)定同位素（δ1?O）重建古溫度時(shí)，不同環(huán)境介質(zhì)需要考慮哪些因素？*水-冰體系分餾：冰的形成會(huì)富集δ1?O，導(dǎo)致剩余水體δ1?O升高。重建溫度需要考慮水-冰轉(zhuǎn)換量。*水-鹽體系分餾：水分蒸發(fā)時(shí)，輕同位素（δ1?O值較低的水）蒸發(fā)較快，導(dǎo)致殘留水溶液δ1?O升高。重建溫度（或蒸發(fā)量）需要考慮鹽度背景。*水-碳酸鹽體系分餾：水與碳酸鹽之間的同位素交換受溫度、pH、CO?分壓等影響。重建溫度需要考慮其他地球化學(xué)條件。*體系封閉性：需要考慮樣品自形成以來(lái)是否受到后期水交代等的影響。*同位素交換動(dòng)力學(xué)：形成碳酸鹽或水時(shí)，同位素交換可能未達(dá)到完全平衡。*不同相的分配：如海水、冰、淡水、沉積物中的碳酸鹽、生物骨骼等，其δ1?O值受不同因素控制，需要區(qū)分。二、計(jì)算題答案1.估算埋藏溫度：*計(jì)算過(guò)程：Ro值與埋藏溫度通常存在正相關(guān)關(guān)系。查vanKrevelen圖或使用經(jīng)驗(yàn)公式（如T(°C)≈13*Ro+25，此為示例公式，具體系數(shù)需查表或文獻(xiàn)）。代入Ro=0.5%。T(°C)≈13*0.5+25T(°C)≈6.5+25T(°C)≈31.5°C*答案：估算該沉積物形成時(shí)的埋藏溫度約為31.5°C。（注意：實(shí)際估算需依據(jù)準(zhǔn)確的vanKrevelen圖或適用的經(jīng)驗(yàn)公式）。2.推斷水體pH變化趨勢(shì)：*計(jì)算過(guò)程與分析：*根據(jù)碳同位素分餾理論，生物（浮游植物）從水中吸收CO?進(jìn)行光合作用，傾向于富集輕同位素（13C），導(dǎo)致水中δ13C升高（或沉積物中生物碎屑相對(duì)于現(xiàn)代生物碎屑的δ13C值升高，即Δδ13C=δ13C_現(xiàn)代生物-δ13C_沉積物生物）。*在溫度相對(duì)穩(wěn)定的情況下，水中δ13C升高通常指示光合作用效率降低或CO?向水中的溶解/擴(kuò)散受阻。CO?濃度升高或水體緩沖能力下降（pH降低）會(huì)導(dǎo)致光合作用分餾減弱，使得沉積物中生物碎屑相對(duì)于現(xiàn)代生物碎屑的Δδ13C值減小（即沉積物中的生物碎屑δ13C值更接近現(xiàn)代值，或相對(duì)于現(xiàn)代值的差異變?。?。*反之，如果沉積物中生物碎屑的Δδ13C值增大（即相對(duì)于現(xiàn)代生物碎屑更負(fù)），則指示水體CO?濃度降低或pH升高。*在本例中，沉積物生物δ13C值為-20‰VPDB，現(xiàn)代生物δ13C值為-20‰VPDB，Δδ13C=-20-(-20)=0‰?，F(xiàn)代表層水δ13C為-24‰VPDB。這表明沉積物形成時(shí)水體的δ13C與現(xiàn)代表層水相似，但比現(xiàn)代生物（可能代表表層或上層水體）更輕。這可能暗示水體中CO?濃度相對(duì)較高，或者存在其他導(dǎo)致水體δ13C降低的過(guò)程（如深層水摻混，但這通常使δ13C更重）。結(jié)合pH討論：如果CO?濃度升高，則pH傾向于降低。因此，可以推斷沉積物形成時(shí)，相對(duì)于現(xiàn)代，水體pH可能有所降低。*答案：大致推斷沉積物形成時(shí)的水體pH值相對(duì)于現(xiàn)代可能有所降低。三、論述題答案1.同位素地球化學(xué)方法在重建古氣候變化中的應(yīng)用：*指示古溫度：*原理：許多同位素系統(tǒng)（如H-O,C-H,B-Sr）中，輕同位素相對(duì)于重同位素的分餾程度與溫度密切相關(guān)。通過(guò)測(cè)量沉積物（冰芯、湖泊、海洋）或巖石中記錄氣候信息的同位素比值（如δD,δ1?O,δ13C,δ1?N），并與已知溫度分餾關(guān)系或現(xiàn)代觀測(cè)進(jìn)行對(duì)比，可以重建古溫度。*實(shí)例：冰芯氣泡中的δD和δ1?O直接反映當(dāng)時(shí)的氣溫和降水來(lái)源；海洋沉積物中的δ1?O變化反映表層海水溫度變化和冰量（影響海水的δ1?O）；湖泊沉積物中的碳酸鹽或有機(jī)質(zhì)δ1?O反映區(qū)域氣溫和蒸發(fā)/降水平衡。*指示古季風(fēng)/降水：*原理：大氣降水在形成過(guò)程中存在同位素分餾，通常蒸發(fā)源地的水（δD,δ1?O較高）在遇到水汽輸送路徑上的冷卻時(shí)會(huì)富集輕同位素。因此，沉積物中同位素比值的空間分布可以反映古代水汽來(lái)源地和季風(fēng)強(qiáng)度、路徑。*實(shí)例：紅粘土或黃土中的δ1?O和磁化率記錄反映亞洲季風(fēng)強(qiáng)度和進(jìn)退；內(nèi)陸湖泊沉積物中碳酸鹽的δ1?O和δ13C組合可以指示季風(fēng)降水變化和古環(huán)境演變。*指示古大氣CO?濃度：*原理：大氣CO?與海洋、冰芯、碳酸鹽沉積物之間存在化學(xué)平衡和氣體交換，CO?濃度影響同位素分餾。通過(guò)測(cè)量這些介質(zhì)中的碳同位素比值（如δ13C）并與大氣CO?濃度-同位素分餾關(guān)系模型結(jié)合，可以估算古大氣CO?濃度。*實(shí)例：冰芯氣泡直接測(cè)量了古大氣CO?濃度；海洋碳酸鹽沉積物（如珊瑚、鈣質(zhì)微體）的δ13C反映表層海洋CO?濃度和碳循環(huán)狀態(tài)；有機(jī)碳的δ13C也受大氣CO?濃度影響。*綜合應(yīng)用：同位素?cái)?shù)據(jù)常與其他氣候代用指標(biāo)（如沉積速率、粒度、生物標(biāo)志物、地層學(xué)）結(jié)合，進(jìn)行更全面的古氣候重建和事件識(shí)別。例如，利用δ1?O重建古溫度，結(jié)合冰芯記錄的火山灰或氣溶膠濃度識(shí)別古氣候事件。2.地球化學(xué)指標(biāo)在區(qū)分不同沉積物來(lái)源方面的潛力和局限性：*潛力：*微量元素比值/模式：不同來(lái)源（如大陸碎屑、火山碎屑、生物碎屑、海相自生礦物）具有不同的微量元素組成和比值。例如，大陸沉積物通常富集Rb/Sr,K/Rb,Th/U，而海相沉積物受海水影響，其比值更接近海水比值；火山碎屑富含某些微量元素（如Zr,Hf,Nb,Ta）；生物碎屑（如珊瑚、有孔蟲(chóng)）富集Mg,Sr,Ba,V,Mn等。通過(guò)分析元素比值（如Rb/Sr,Ba/Ca,Mg/Ca,Zr/Hf）或元素分布模式（如球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化圖、多元素圖解），可以有效區(qū)分物源區(qū)巖石類型、搬運(yùn)路徑（如風(fēng)化程度、分選）和最終沉積環(huán)境。*生物標(biāo)志物：特定類型的生物標(biāo)志物指示特定的生物群落和環(huán)境條件。例如，高含量的C31植烷指示富營(yíng)養(yǎng)化水體或鹽度較高的環(huán)境；異戊二烯烴的碳數(shù)分布和絕對(duì)含量可以反映水溫和有機(jī)物輸入；硫醚類化合物指示還原性環(huán)境。不同來(lái)源的水體或沉積環(huán)境支持不同的生物群落，從而留下不同的生物標(biāo)志物組合。*穩(wěn)定同位素：*δ13C：如前所述，可指示有機(jī)物來(lái)源（光合vs.異化）、水體鹽度、溫度、氧化還原條件等。*δ1?O：主要指示溫度（水-冰、水-碳酸鹽體系）和水化學(xué)特征（蒸發(fā)、水-鹽分餾）。*δD：與δ1?O類似，指示溫度和降水來(lái)源/路徑。*δ23?U/23?Th比值：主要指示沉積物的搬運(yùn)距離和混合程度。比值越接近平衡值（受海水和風(fēng)化區(qū)巖石控制），搬運(yùn)距離越短；比值偏離平衡則指示長(zhǎng)距離搬運(yùn)和混合。*放射性同位素：如前述，1?C定年可確定沉積速率和沉積事件；23?U/23?Th比值可區(qū)分沉積物來(lái)源和混合；1?Be和31Si可指示風(fēng)化剝蝕速率和沉積物來(lái)源區(qū)域。*局限性：*成巖作用干擾：后期的成巖作用（如溶解、沉淀、交代）會(huì)顯著改變沉積物的地球化學(xué)組成，可能導(dǎo)致來(lái)源信息失真。例如，碳酸鹽的白云巖化會(huì)改變Mg/Ca比值；粘土礦物的形成/轉(zhuǎn)化會(huì)改變微量元素分布。*混合作用：沉積物常常是來(lái)自不同來(lái)源物質(zhì)的混合物。如果不同來(lái)源物質(zhì)的地球化學(xué)特征差異不大，或者混合比例復(fù)雜，僅憑單一指標(biāo)或簡(jiǎn)單比值難以準(zhǔn)確區(qū)分或定量混合比例。*環(huán)境介質(zhì)變化：沉積物形成時(shí)的水化學(xué)、氧化還原條件、生物活動(dòng)等環(huán)境因素會(huì)改變地球化學(xué)指標(biāo)的響應(yīng)。例如，在強(qiáng)還原環(huán)境下，某些元素（如V,Mo）會(huì)異常富集，即使來(lái)源不同也可能表現(xiàn)出相似特征。