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1、古高程计：氢氧同位素的应用古高程计：氢氧同位素的应用 Paleohypsom etry：Application of Hydrogen Isotope and Oxygen Isotope学生：任来君 葛贤发 程鹏 彭三曦 张群利 苏玲燕 刘伟 王在敏指导老师：谢先军2009年3月19日 主要内容一、简介二、基本原理 三、热动力学模式 四、应用实例五、误差分析六、优缺点一、简介 地史时期上，地表起伏的状态能为地壳、岩石圈和上地馒动力学的研究提供第一手资料，用定量的方法精确刻画高大地形的古海拔演变，研究方法主要有3种：（1）古植物化石中叶片的形状特征与古气候多指标过程。（2）利用熔岩流气孔推测。
2、（3）山间盆地沉积的自生矿物氢氧同位素含量。二、基本原理 当气团沿高地形抬升时水汽冷凝，会导致氢氧同位素的动力学分馏。高程越高，降水中越贫18O和D。这种分馏符合瑞利分馏规律，属于开放系统中动力系统分馏(图1)。若地史时期山间的河湖主要靠当地的降水补给，河湖水就能记录下降水中氢氧同位素含量随高程而变化这个规律。河湖中自生矿物沉淀过程中往往能够与河湖水达到氢氧同位素含量的平衡，这样就可以利用岩石中自生矿物研究古高程变化。三、热动力学模式 通过对现代大气在冷凝过程中物理学和热动力学的研究，得到气团随海拔的升高过程中影响降水中氢氧同位素分馏递变的相关参数，推导出高程(h)与随地形而改变的氢、氧同位素
3、变化值（18Op）)的近似关系(图2)。根据Rowley的高程（h）与（18Op）的关系图推导出以下关系式：（18Op）是某处降水的氢氧同位素含量与海平面降水同位素含量的差值。四、应用实例 为了了解美国西部内华达山脉的演化历史，Mulch等用氢同位素作古高程计，恢复山脉在始新世(约40-50 M a)的高程。所用的样品是始新世河流沉积物中自生高岭石，记录了从上游沿河流走向的地表降水的氢同位素含量。研究中沿河流15个不同的地点取了44个样品(图3)，样品分为2类：一类是取自花岗岩碎屑的原地高岭石(图中用圆点和三角表示)；一类是取自河道砂岩中的碎屑高岭石(用黑色方块表示)。经过对样品的分析，原地高
4、岭石Dkaol的值随地形高程的升高而减少，而相同高程的碎屑高岭石的Dkaol值与原地高岭石的Dkaol值无法对应，不能作为样品值推测古高程。但2类样品的Dkaol值都随高程有规律的变化，说明始新世后的风化和其他成岩后作用没有影响到高岭石Dkaol值。热动力模式关键是要得到样品的(Dkaol)，也就是知道在始新世海岸处Dkaol值。但古河流海拔为零的沉积地层没有暴露，无法得到始新世海岸参考值Dkaol，因此只能根据已有样品所得到的曲线截距，Dkaol=（-755）（r2=0.76）。为使推测更为稳妥，取其最小值，海岸Dkaol=-80，这样取值会导致低估高程。为了恢复内华达山脉的始新世的高度，取
5、河流上游样品的Dkaol值，得到Dkaol的平均值为 -25，根据Rowley等的热动力模式，推测始新世的内华达的高程约为1500 m。用河流的高度与山脉实际高度的关系校准认为内华达山脉在始新世高度已达到2200 m。五、误差分析 地史时期在山间盆地沉积的自生矿物如方解石、高岭石、蒙脱石和针铁矿都可以作为方法的样品，就其分馏温度的敏感程度而言，蒙脱石和高岭石两种矿物可更准确地反映大气降水中同位素的含量。4种矿物形成时与河湖水或土壤水(它们的同位素含量近似等于降水)之间的氢氧同位素分馏的结果不同。另外，造成计算误差的还有两类因素：（1）方解石形成时由于气候干旱，水体大量蒸发，会导致方解石中18O值升高，低估古海拔值。（2）方解石在成岩过程中，由于温度、压力和生物的作用改变方解石的18O值。为避免这种误差，须对样品进行地球化学和矿物学的分析，判断样品是否受到蒸发作用和成岩作用的影响。六、优缺点 古高程计的热动力模式适用地域范围广，应用便捷。热动力模式的计算中，现代值只须有一个数值大概的趋势，起到矫正古高程值作用就行，模式本身就可以提供普适性(纬度低于35o的地区)的古高程的计算公式(公式1)。热动力模式这种方法的局限性也很明显，即误差较大。由于它是一个理想化的模型，无法针对不同地方的气候、地形等影响氢氧同位素的因素矫正误差。谢谢！欢迎批评指导