第５４卷 第２期
２００８年３月
地 质 论 评 ＧＥＯＬＯＧＩＣＡＬＲＥＶＩＥＷ
Ｖｏｌ．５４ Ｎｏ．２
Ｍａｒ． ２００８
注：本文为“长江学者和创新团队发展计划”项目（批准号ＩＲＴ０５４６，重大地质突变期生物与环境协同演化）的成果。收稿日期：２００７ ０５ ２８；改回日期：２００７ ０７ １６；责任编辑：章雨旭。 作者简介：周树青，女，１９６９年生。博士研究生，矿产普查与勘探专业，主要从事石油地质、地球化学研究。通讯地址：１０００８３，北京市海淀区学院路２９号，中国地质大学能源学院博士生；电话：０１０－８２３２０６０３；Ｅｍａｉｌ：ｚｓｑｈｎ＠１２６．ｃｏｍ。
周树青１），黄海平１），史晓颖２），林畅松１），胡尊伟１
）
１）中国地质大学能源学院，北京，１０００８３；２）中国地质大学地球科学与资源学院，北京，１０００８３中俄天然气谈判
内容提要：自从地球诞生以来经历了许多重大事件：早期生命的出现、大气氧化事件（Ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃｏｘｙｇｅｎａｔｉｏｎ）、雪球地球及多次生物绝灭与复苏事件。稳定同位素记录在古环境和生命演化研究中具有重要意义，在记录环境变化和生命演化的重大事件中发挥着重大作用：碳同位素的分馏记录了最早生命的开始，硫同位素的非质量相关分馏（
Ｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔｍａｓｓｆｒａｃｔｉｏｎａｔｉｏｎｏｆｓｕｌｐｈｕｒｉｓｏｔｏｐｅｓ）记录了大气中氧含量的重大变化，而在显生宙的几次重大生物灭绝事件中，均有碳同位素的负向漂移。
关键词：碳同位素；硫同位素；最早生命；大气氧化事件；生物绝灭
自从地球诞生以来，地球上经历了许多重大事件：早期生命的出现、大气氧化事件及多次生物绝灭与复苏事件。生命是何时开始的？生命又怎样进行演化？在生物演化的漫长历史中，生物与环境怎样
相互作用？生物灭绝与复苏伴随着怎样的环境条件？近年来，随着人类生存环境的恶化，人类探索外星生命的兴趣与日俱增，生命起源、演化及与环境的协同演化问题，成为许多学科关注的焦点，吸引了生物、地质、化学等许多领域的学者，研究方法也从生物化石、元素地球化学、同位素地球化学到分子化石。与有机分子、生物结构相比，生物过程的同位素证据更抗高温破坏（Ｈａｙｅｓｅｔａｌ．，１９８３）。稳定同位素在古环境和生命演化研究中具有重要的意义。
１ 最早生命的证据———碳同位素
的分馏
地质记录中最古老的生命证据可以追溯到３ ５～３ ８Ｇａ。格陵兰古太古代的变质沉积岩中，有机
质δ１３Ｃ的变化范围为－２２‰～－５０‰（Ｍｏｊｚｓｉｓｅｔａｌ．，１９９６；Ｒｏｓｉｎｇｅｔａｌ．，１９９６）。观测到的低δ１３Ｃ有
机质位于磷灰石晶体内，碳同位素没有受到明显的变质作用改变（
Ｍｏｊｚｓｉｓｅｔａｌ．，１９９６）。这些变质沉积岩的低δ１３Ｃ值（Ｒｏｓｉｎｇｅｔａｌ．，１９９９）被广泛接受为
生物成因，可能是地球生命最古老的化学证据（Ｂａｎ ｅｒｊｅｅｅｔａｌ．，２００６）。南非Ｋａａｐｖａａｌ和澳大利亚Ｐｉｌ ｂａｒａ克拉通３ ２～３ ５Ｇａ的火山岩沉积序列中的同
位素记录更有说服力，碳酸盐的δ１３
Ｃ值平均为０±２‰（Ｖｅｉｚｅｒｅｔａｌ．，１９８９），有机质的δ１３Ｃ值范围为
－２５‰～－４１‰（Ｓｔｒａｕｓｓｅｔａｌ．，１９９２；ＤｅｓＭａｒａｉｓ，１９９７）。
古太古代有机质较低的δ１３
Ｃ值指示其生态系统
主要受自养生物控制，在ＣＯ２含量很高的情况下，戊糖磷酸盐分异作用通常产生最大的分馏作用（Ｓｃｈｉｄｌｏｗｓｋｉｅｔａｌ．，１９９３）。然而，Ｈａｙｅｓ（２００１）认
为，古太古代地层序列中有机质的δ１３
Ｃ值指示了各
种微生物的自养同化分异作用，特别是在厌氧条件下。与三羧酸逆循环（ｒｅｖｅｒｓｅｔｒｉｃａ
ｒｂｏｘｙｌｉｃａｃｉｄｃｙ ｃｌｅ）、３ 羟基丙酸盐循环（３ ｈｙｄｒｏｘｙｐｒｏｐｉｏｎａｔｅｃｙ ｃｌｅ）、戊糖磷酸盐循环（ｐｅｎｔｏｓｅｐｈｏｓｐｈａｔｅｃｙｃｌｅ）和乙酰基 辅酶Ａ循环（ａｃｅｔｙｌ ＣｏＡｃｙｃｌｅ）的碳同化作用伴随的同位素分异范围可从＜１０‰到＞４０‰。古太古代碳酸盐和干酪根的同位素记录是一致的，这些同位素记录也和化学自养微生物（包括产甲烷菌）及不产氧的光合自养细菌的同位素分异一致（
Ｓｃｈｉｄｌｏｗｓｋｉｅｔａｌ．，１９８３）。
２ 地球第一次氧化事件———碳、硫同位素证据
ＭａｃＧｒｅｇｏｒ（１９２７）提出，古元古代空气氧化还原状态发生了改变。＞２ ４５Ｇａ的沉积序列为包含岩屑沥青铀矿、菱铁矿和黄铁矿（Ｒａｓｍｕｓｓｅｎｅｔａｌ．，１９９９；Ｅｎｇｌａｎｄｅｔａｌ．，２００２）、还原浅水相铁的形成（Ｂｅｕｋｅｓｅｔａｌ．，１９９０）、不富含氧化—还原敏感元素的高碳页岩和无氧化古土壤（Ｈｏｌｌａｎｄ，１９９４）的冲积沉积，早期成岩黄铁矿的δ３４Ｓ与海水的硫酸盐含量（＜２００μＭ）一致（Ｈａｂｉｃｈｔｅｔａｌ．，２００２）。相反，＜２ ２２Ｇａ的沉积序列包含了红层（Ｃｈａｎｄｌｅｒ，１９８０）、富ＣａＳＯ
４
的蒸发盐（Ｃｈａｎｄｌｅｒ，１９８８；Ｔａｂａｋｈｅｔａｌ．，１９９９）、氧化浅水相铁的形成（Ｂｅｕｋｅｓｅｔａｌ．，１９９２）。这些序列上面为氧化古土壤（Ｒｙｅｅｔａｌ．，１９９８）覆盖，其δ３４Ｓ与海水的硫酸盐含量（＞２００μＭ）一致（Ｓｔｒａｕｓｓ，２００２）。尽管仍有人认为这种现象是由不同的沉积后作用和不同构造环境引起的，而非空气氧水平的增加（Ｄｉｍｒｏｔｈｅｔａｌ．，１９７６；Ｃｌｅｍｍｅｙｅｔａｌ．，１９８２；Ｐｈｉｌｌｉｐｓｅｔａｌ．，１９８７；Ｏｈｍｏｔｏｅｔａｌ．，１９９６），但这种变化是空气氧含量在２ ４５～２ ２２Ｇａ之间增加的强有力证据。
现代优化计算方法２．１ 硫同位素的非质量相关分馏
Ｆａｒｑｕｈａｒ等（２０００）发现，硫同位素非质量相关分馏为追踪空气中氧含量的变化提供了新的工具。＞２ ４７Ｇａ的老地层单元的硫化物和硫酸盐中，硫的ＭＩＦ值（用△３３Ｓ表示）范围为－２．５‰～＋８．１‰，而＜１．９Ｇａ的地层中所有硫化物和硫酸盐的△３３Ｓ＜０ ４‰（Ｆａｒｑｕｈａｒｅｔａｌ．，２０００；Ｏｎｏｅｔａｌ．，２００３）。硫同位素中产生ＭＩＦ的已知机理是气相的光解作用（Ｆａｒｑｕｈａｒｅｔａｌ．，２００１），这种作用已经在现代空气中观察到（Ｒｏｍｅｒｏｅｔａｌ．，２００２）。太古宙记录中大量ＭＩＦ信号的保存可能与空气中缺乏臭
氧屏蔽有关，高能紫外线深深穿透，将ＳＯ
２
光解成元素硫和水溶硫相。太古宙空气中，元素硫颗粒和水溶硫的同位素组成没有彻底交换，因此它们的部分ＭＩＦ信号被传递到地表；在空气氧含量大于１０－５ＰＡＬ（ＰＡＬ指目前空气水平）时，硫被氧化成硫酸盐，发生交换，失去大多数ＭＩＦ信号（Ｐａｖｌｏｖｅｔａｌ．，２００２）。从厌氧到有氧空气的转变解释了１ ９Ｇａ以后地层中的硫化物和硫酸盐缺乏＞０ ４‰的△３３Ｓ值，这段时间内空气的氧气分压超过了１０－５ＰＡＬ。因此，通过确定硫化物和硫酸盐的△３３Ｓ＜０ ４‰的时间，可以确定氧气分压开始大于１０－５ＰＡＬ的时间。
Ｂｅｋｋｅｒ等（２００４）研究了存在于２ ３２Ｇａ南非Ｒｏｏｉｈｏｏｇｔｅ和ＴｉｍｅｂａｌｌＨｉｌｌ组富有机质页岩的黄铁矿，黄铁矿硫同位素组成的变化范围很大，但没有非质量相关分馏的证据，指示这些地层单元沉积时空气的氧气分压已经大于１０－５ＰＡＬ。在Ｒｏｏｉｈｏｏｇｔｅ组底部圆形菱铁矿、上ＴｉｍｅｂａｌｌＨｉｌｌ组广泛而厚的豆粒状和鲕粒状铁矿石的形成指示了空气中氧的含量上升很明显，这些单元可能沉积在第二个和第三个早元古代冰期事件中。
２．２ 碳同位素证据
２．２．１ 干酪根的δ１３Ｃ变化
在＞２ １Ｇａ的干酪根中，δ１３Ｃ网页登陆密码破解
ｏｒｇ
上海名老中医诊疗所值分布分散，从－２０‰～－６５‰，许多值小于－３５‰；相反，＜２ ０Ｇａ
的干酪根中，δ１３Ｃ
ｏｒｇ
值分布范围狭窄，为－２０‰～－３５‰，没有超过－３６‰的（图１）。形成＜－３５‰
海相干酪根δ１３Ｃ
ｏｒｇ
要求厌氧的、低硫酸盐的深水体，在２ １Ｇａ以后，这种低碳同位素的消失指示了深海已经被氧化或硫酸盐化（ＤｅｓＭａｒａｉｓ，２００１）。Ｃａｎ ｆｉｅｌｄ（１９９８）关于中元古代深海硫酸盐水平的看法与
碳同位素证据一致。
图１δ１３Ｃ
ｃａｒｂ
、δ１３Ｃ
ＣＯ２
（空白的方框）、δ１３Ｃ
ｏｒｇ
值（有阴影的方框）的分布范围（据ＤｅｓＭａｒａｉｓ，２００１）
Ｆｉｇ．１ Ｒａｎｇｅｏｆδ１３Ｃ
ｃａｒｂ
，δ１３Ｃ
ＣＯ２
（ｏｐｅｎｂｏｘｅｓ）ａｎｄδ１３Ｃｏｒｇｖａｌｕｅｓ（ｓｈａｄｅｄｂｏｘｅｓ）（ＤｅｓＭａｒａｉｓ，２００１）２．２．２ 碳酸盐的δ１３Ｃ变化
古元古代具有很大的、全球性的δ１３Ｃ
ｃａｒｂ
值漂移（Ｂａｒｋｅｒｅｔａｌ．，１９８９；Ｋａｒｈｕｅｔａｌ．，１９９６）（图２）。在２ ３～２ ２Ｇａ，每一个正和负同位素漂移都被记录在多个盆地中，因此可能代表了广泛的事件；而在
辉光放电光谱仪２ ４４～２ ３９Ｇａ、１ ９２～１ ９７Ｇａ，非常正的δ１３Ｃ
ｃａｒｂ
值仅出现在单独的沉积盆地中，因此还没有建立它们记
６
２
２地 质 论 评２００８年
录的全球事件（Ｍｅｌｅｚｈｉｋｅｔａｌ．，１９９９）。那些真正反
映古元古代全球δ１３
Ｃｃａｒｂ
的正向漂移指示了碳做为有机质的埋藏率屡次从小于全球碳流量的２０％变化到大于全球碳流量的５
０％（Ｋａｒｈｕｅｔａｌ．，１９９６）。这些有机质埋藏事件释放了等量的氧气，它们依次反应，增加了Ｆｅ和ＳＯ２－
４的含量。因此，这期间频繁的同位素漂移可能与氧化事件及其引起的非常气候
变化如雪球地球等有关。
图２ 元古宙碳酸盐的同位素组成，“？”表示单个盆地的资料，并不反映全球的同位素漂移（据ＤｅｓＭａｒａｉｓ，２００１）
Ｆｉｇ．２ Ｃａｒｂｏｎｉｓｏｔｏｐｉｃｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ（δ１３
Ｃｃａｒｂ）ｏｆＰｒｏｔｅｒｏｚｏｉｃｃａｒｂｏｎａｔｅｓｖｅｒｓｕｓａｇｅ，ｑｕｅｓｔｉｏｎｍａｒｋｓ（“？”）ｈｉｇｈｌｉｇｈｔｄａｔａｐｏｉｎｔｓｔｈａｔｒｅｐｒｅｓｅｎｔｓｉｎｇｌｅｂａｓｉｎｓａｎｄｔｈｅｒｅ ｆｏｒｅｍｉｇｈｔｒｅｆｌｅｃｔｏｎｌｙｒｅｇｉｏｎａｌ，ｒａｔｈｅｒｔｈａｎｇｌｏｂａｌ，ｉｓｏｔｏｐｉｃｅｘｃｕｒｓｉｏｎｓ（ＤｅｓＭａｒａｉｓ，２００１）
δ１３Ｃｏｒｇ
和δ１３
Ｃｃａｒｂ值也与古元古代２ ３～２ ０Ｇａ的环境氧化一致。２ ２～２ ０６Ｇａ，大的正δ１３
Ｃｃａｒｂ
值指示了有机质埋藏相对速率的增加（Ｂａｒｋｅｒｅｔａｌ．，１９８９；Ｋａｒｈｕｅｔａｌ．，１９９６）。有机质净埋藏速率的增加导致了Ｏ２、ＳＯ２－
４和沉积Ｆｅ３＋
的浓度增加，这些氧化物可能将曾经在全球广泛存在的产甲烷菌—甲基营养菌循环赶进更局限的沉积和深盆地区。象今天一样，氧化呼吸和细菌硫酸盐还原变成氧利用和分解的主要方式。这些反应产生的碳同位素分馏很小（Ｂｌａｉｒｅｔａｌ．，１９８５；Ｋａｐｌａｎｅｔａｌ．，１９６４），很少有机会
形成δ１３Ｃｏｒｇ值＜－３５‰的沉积有机质，与２ １Ｇａ以后的δ１３
Ｃｏｒｇ记录一致。在１ ９Ｇａ以后，与生物ＣＯ２
同化作用有关的同位素分异成为控制εＴＯＣ幅度的主要机制。
３ 新元古代“雪球地球”
新元古代经历了超大陆的形成和解体、可能持续数百万年的全球冰期（
Ｋｎｏｌｌ，１９９１）。因此这个时期经历了与古元古代类似的同位素漂移并不让人吃惊。在中元古代晚期和新元古代早期，地层的
δ１３
Ｃｃａｒｂ变化中等（－１‰～＋４‰）（Ｋａｈｅｔａｌ．，１９９９），在其后的８亿年时间里，δ１３
Ｃｃａｒｂ呈现例外的正值，这种正的δ１３Ｃｃａｒｂ值（＋５‰～＋１０‰）几次被明显的δ１３
Ｃｃａｒｂ
负偏移（－２‰～－６‰）所打断（Ｋｎｏｌｌｅｔａｌ．，１９８６）。这些负偏移与多次全球冰期一致
（Ｋａｕｆｍａｎｅｔａｌ．，１９９５），最负的δ１３
Ｃｃａｒｂ值出现在冰期后的“盖帽碳酸盐”中，其δ
１３
Ｃ值接近地幔的－６‰。冰期前后出现了１０‰～１５‰的碳同位素负漂移。Ｈｏｆｆｍａｎ（１９９９）把冰期前高于５‰的碳酸盐岩的碳同位素记录归因于赤道附近的Ｒｏｄｉｎｉａ超大陆的裂解：裂解大大提高了生物初级产率，而冰期生物产率几乎降至零，造成碳同位素显著的负漂移。至于帽
碳酸盐岩的δ１３
Ｃ值达到－６‰，是由于雪球地球事件
期间洋中脊排出的ＣＯ２所致：其地幔来源的ＣＯ２的δ１３
Ｃ
值正好为－６‰。４ 显生宙“集绝灭事件”
４．１ 显生宙“集绝灭事件”
居住在地球上的生物，目前９０％以上的物种已经绝灭。然而，绝灭的速率是不均匀的。在地质历史上有几次大的集绝灭事件，＞７０％以上的物种在数百万年内突然死亡。发生的大灾难直接影响到地表一半以上的生命，导致整个生态系统坍塌（Ｒａｕｐ，１９９２）。集绝灭事件发生后，由于新的种属增生，占据了空的生态领域，因此集绝灭控制了生命的演化。
显生宙化石记录表明发生了５次重大的集绝灭（表１）和２２次较小的集绝灭（Ｓｅｐｋｏｓｋｉ，１９８６）。最大的集绝灭事件发生在二叠纪末期，约８０％～９５％的物种（ｓｐｅｃｉｅｓ）和５０％以上的科（ｆａｍｉｌｉｅｓ）绝灭（Ｈｏｆｆｍａｎ，１９８９）。第二个最大的集绝灭发生在奥陶纪末期，导致大多数造礁动物、１／３的苔藓虫和腕足类、三叶虫、笔石死亡，总计约１００个以上的海洋生物科绝灭（Ｂｒｅｎｃｈｌｅｙｅｔａｌ．，２００１）。发生在白垩纪—古近纪界限的显生宙最著名的集绝灭基本上是五次集绝灭事件中最轻的，陨石撞击使恐龙绝灭，终止了菊石、双壳类、海洋爬行类、箭石、翼龙和许多陆生植物种（Ａｌｖａｒｅｚｅｔａｌ．，１９８０），许多浮游
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２２第２期周树青等：稳定同位素记录与环境、生命演化中的重大事件
生物，包括有孔虫、含钙的微型浮游生物、硅藻土、腰鞭毛虫和浅水腕足类动物、软体动物、海胆纲动物、鱼类也受到严重影响，而大多数哺乳动物、鸟类和许多现生的爬行类、两栖类、蕨类植物和被子植物相对不受影响。
表１ 显生宙５次重大生物绝灭的强度
永久性草地（据Ｈａｌｌａｍｅｔａｌ．，１９９７）
Ｔａｂｌｅ１ ＩｎｔｅｎｓｉｔｙｏｆｔｈｅｆｉｖｅｍａｊｏｒＰｈａｎｅｒｏｚｏｉｃｍａｓｓｅｘｔｉｎｃｔｉｏｎｓ（ａｆｔｅｒＨａｌｌａｍｅｔａｌ．，１９９７）
集绝灭事件
Ｆａｍｉｌｉｅｓ（科）Ｇｅｎｅｒａ（属）
观察到的
绝灭（％）
计算的物种
损失（％）
观察到的
绝灭（％）
计算的物种
损失（％）
晚奥陶纪２５８４６０８５
晚泥盆纪２２７９５７８３
二叠纪末５１９５８２９５
三叠纪末２２７９５３８０
白垩纪末１６７０４７７６
４．２ “集绝灭事件”期间同位素变化
海相碳酸盐矿物研究表明，通常古代海洋的δ１３Ｃ本来为０‰（ＰＤＢ）（Ｃｌａｙｔｏｎｅｔａｌ．，１９５９；Ｓｃｈｉｄ ｌｏｗｓｋｉｅｔａｌ．，１９７５；Ｋｅｉｔｈｅｔａｌ．，１９６４）。然而，后来认识到，偏离ＰＤＢ标准代表了海相环境中δ１３Ｃ的长期变化而非分析噪音，这个记录具有潜在丰富的地层和古环境信息（Ｓｃｈｏｅｌｌｅｔａｌ．，１９８０；Ｖｅｉｚｅｒｅｔａｌ．，１９８０；Ｗａｄｌｅｉｇｈｅｔａｌ．，１９８２；Ａｒｔｈｕｒｅｔａｌ．，１９８５；Ｈｏｌｓ ｅｒｅｔａｌ．，１９８６；Ｚａｃｈｏｓｅｔａｌ．，１９８６），碳酸盐δ１３Ｃ的变化与全球的碳、氧和硫循环密切地联系在一起（Ｋｕｍｐｅｔａｌ．，１９８６；Ｈｏｌｓｅｒｅｔａｌ．，１９８８）。现在建立的过去３ ５Ｇａ的δ１３Ｃ
ｃａｒｂ
变化在±３‰（Ｖｅｉｚｅｒｅｔａｌ．，
１９７６），δ１３Ｃ
ｃａｒｂ
的巨大变化通常联系着巨大的地层记录事件，包括二叠纪—三叠纪生物绝灭事件（Ｈｏｌｓｅｒｅｔａｌ．，１９８８，１９８９；Ｏｂｅｒｈｆｉｎｓｌｉｅｔａｌ．，１９８９）、白垩纪—古近纪生物绝灭事件（Ｈｏｌｓｅｒｅｔａｌ．，１９８８；Ｚａ ｃｈｏｓｅｔａｌ．，１９８９）、奥陶纪—志留纪的冰期和生物绝灭（Ｍａｒｓｈａｌｌｅｔａｌ．，１９９０；Ｗａｎｇｅｔａｌ．，１９９３；Ｂｒｅｎｃｈ
ｌｅｙｅｔａｌ．，１９９４）和前寒武纪—寒武纪界限等（Ｍａ ｇａｒｉｔｚｅｔａｌ．，１９８６；Ｂｒａｓｉｅｒ，１９９０）（图３）。上扬子地区在泥盆纪—石炭纪、石炭纪—二叠纪和二叠纪—三叠纪界线附近均出现了δ１３Ｃ的强烈负偏移，这是地质界线处生物绝灭更替造成的，它代表了生态较为萧条的时间间隔（黄思静，１９９７）。
４．３ 二叠纪—三叠纪“集绝灭事件”期间同位素变化
Ｋａｊｉｗａｒａ等（１９９４）通过系统分析日本Ｔｅｎｊｉｎ
图３ 显生宙δ１３Ｃ
ｃａｒｂ
长期变化曲线（据Ｒｉｐｐｅｒｄａｎ，２００１）Ｆｉｇ．３ Ｓｅｃｕｌａｒｖａｒｉａｔｉｏｎｉｎｃａｒｂｏｎａｔｅδ１３Ｃｖａｌｕｅｓ
ｄｕｒｉｎｇｔｈｅＰｈａｎｅｒｏｚｏｉｃ（Ｒｉｐｐｅｒｄａｎ，２００１）
ｍａｒｕ和Ｓａｓａｙａｍａ地区二叠—三叠系界线附近以燧
石为主的远洋沉积序列中全岩硫化物同位素的连续变化，发现整个中二叠统，沉积硫化物的硫同位素通
常很低（δ３４Ｓ
ＣＤＴ
＝－３９‰～－２５‰），但是在上二叠
统开始时，δ３４Ｓ
ＣＤＴ
系统增加，一直持续到下三叠统（－２０‰～－２‰）。显著的漂移发生在二叠纪末期
的“集绝灭事件”期间，δ３４Ｓ
ＣＤＴ
回复到低值（－４１‰～－２３‰）。硫同位素比值显示了大的停滞、缺氧、分层的海洋，它可能开始形成于上二叠统的下部，一直持续到下三叠统的下部，随后是二叠纪—三叠纪之交的巨大混合和颠覆。
上扬子地区（贵州罗甸沫阳、四川广元上寺和重庆中梁山）的海相碳酸盐在早二叠世及晚二叠世吴家坪期的δ１３Ｃ具有极大的正值，为３ ２‰～４ ４‰，反映了这段地质历史时期生物过度繁盛和有机碳的高速埋藏。晚二叠世长兴（大隆）期的δ１３Ｃ值急剧降低，并在三叠纪初达到极小值－２．２‰，反映了二叠系一三叠系界线附近生物的迅速衰亡和集体绝灭（黄思静，１９９４）。二叠纪末有机质的碳同位素也表现为突然的改变，干酪根的δ１３Ｃ从上二叠统的－２９‰，改变到界限上的－３３‰，然后返回到下三叠统的－２９‰。集绝灭绝灭之后降低的表面水的初次生产率可解释观
察到的δ１３Ｃ变化（Ｓｃｈｏｌｌｅｅｔａｌ．，１９９５；Ｗａｎｇｅｔａｌ．，１９９４）。
５ 结语
近年一般都接受第一次大气圈氧化发生在古元古代初，约２ ４５～２ ２２Ｇａ，大气圈的第二次重大氧化事件发生在中元古代末至新元古代初，约１ ０～０ ８５Ｇａ。由于氧含量的增加，温室气体减少，导致了全球冰期，形成了雪球地球事件，碳同位素的强烈
８
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２地 质 论 评２００８年
漂移记录了这两次氧化事件。环境的改变必然引起生物的改变，第一次氧化事件前以缺氧环境为主，干酪根δ１３Ｃ
ｏｒｇ
值分布分散，从－２０‰～－６５‰，许多值
小于－３５‰，形成＜－３５‰海相干酪根δ１３Ｃ
ｏｒｇ
；相反，
第一次氧化事件后的干酪根中，δ１３Ｃ
ｏｒｇ
值分布范围狭窄，为－２０‰～－３５‰，没有超过－３６‰的，这种低碳同位素的消失指示了深海已经被氧化或硫酸盐化。
生命需要有碳的加入，生命演化常常伴随着碳同位素的分馏作用。保存在地层中的海相碳酸盐和有机质的碳同位素值的变化在记录生命演化中起着重大的作用：碳同位素的分馏记录了最早生命的开始，在显生宙的几次重大生物灭绝事件中，均有碳同位素的负向漂移。
稳定同位素的变化与环境的演化具有密切的关系，成为支持古气候假设和精细地层对比的有力工具：硫同位素的非质量相关分馏记录了大气中氧含量的重大变化，而古元古代和新元古代期间碳酸盐中碳同位素的剧烈波动也与氧化事件及其引起的“雪球地球”事件有关。稳定同位素在地层对比、海平面变
化等方面也有广泛的应用。随着测试技术的不断进步及与元素地球化学、分子地球化学等的结合，稳定同位素在环境和生命演化研究中必将发挥越来越大的作用。
参 考 文 献 ／ Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ
黄思静．１９９７．上扬子地台区晚古生代海相碳酸盐岩的碳同位素研究．地质学报，７１（１）：４５～５３．
黄思静．１９９４．上扬子二叠系一三叠系初海相碳酸盐岩的碳同位素组成与生物绝灭事件．地球化学，２３（１）：６０～６８．
ＡｌｖａｒｅｚＬＷ，ＡｌｖａｒｅｚＷ，ＡｓａｒｏＦａｎｄＭｉｃｈｅｌＨＶ．１９８０．Ｅｘｔｒａｔｅｒｒｅｓｔｒｉ ａｌｃａｕｓｅｆｏｒｔｈｅＣｒｅｔａｃｅｏｕｓＴｅｒｔｉａｒｙｅｘｔｉｎｃｔｉｏｎ．Ｓｃｉｅｎｃｅ，２０８：１０９５～１１０８．
ＡｒｔｈｕｒＭＡ，ＤｅａｎＷＥ，ＳｃｈｌａｎｇｅｒＳＯ．１９８５．ＶａｒｉａｔｉｏｎｓｉｎｔｈｅｇｌｏｂａｌｃａｒｂｏｎｃｙｃｌｅｄｕｒｉｎｇｔｈｅＣｒｅｔａｃｅｏｕｓｒｅｌａｔｅｄｔｏｃｌｉｍａｔｅ，ｖｏｌｃａｎｉｓｍ，ａｎｄｃｈａｎｇｅｓｉｎａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃＣＯ２．Ａｍ．Ｇｅｏｐｈｙｓ．ＵｎｉｏｎＭｏｎｏｇｒ．，３２：５０４～５２９．
ＢａｎｅｒｊｅｅＮＲ，ＦｕｒｎｅｓＨ，ＭｕｅｈｌｅｎｂａｃｈｓＫ，ＳｔａｕｄｉｇｅＨ，ｄｅＷｉｔＭ．２００６．Ｐｒｅｓｅｒｖａｔｉｏｎｏｆ～３．４～３．５Ｇａｍｉｃｒｏｂｉａｌｂｉｏｍａｒｋｅｒｓｉｎｐｉｌ ｌｏｗｌａｖａｓａｎｄｈｙａｌｏｃｌａｓｔｉｔｅｓｆｒｏｍｔｈｅＢａｒｂｅｒｔｏｎＧｒｅｅｎｓｔｏｎｅＢｅｌｔ，ＳｏｕｔｈＡｆｒｉｃａ．ＥａｒｔｈａｎｄＰｌａｎｅｔａｒｙＳｃｉｅｎｃｅ，２４１：７０７～７２２．
ＢａｒｋｅｒＡＪ，ＦａｌｌｉｃｋＡＥ．１９８９．ＥｖｉｄｅｎｃｅｆｒｏｍＬｅｗｉｓｉａｎｌｉｍｅｓｔｏｎｅｓｆｏｒｉ ｓｏｔｏｐｉｃａｌｌｙｈｅａｖｙｃａｒｂｏｎｉｎ２０００ｍｉｌｌｉｏｎｙｅａｒ ｏｌｄ ｓｅａｗａｔｅｒ．Ｎａｔｕｒｅ，３３７：３５２～３５４．
ＢｅｋｋｅｒＡ，ＨｏｌｌａｎｄＨＤ，ＷａｎｇＰＬ，ＲｕｍｂｌｅＤ，ＳｔｅｉｎＨＪ，ＨａｎｎａｈＪＬ，ＣｏｅｔｚｅｅＬＬ，ＢｅｕｋｅｓＮＪ．２００４．Ｄａｔｉｎｇｔｈｅｒｉｓｅｏｆａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃｏｘｙｇｅｎ．Ｎａｔｕｒｅ，４２７：１１７～１２０．
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第２期周树青等：稳定同位素记录与环境、生命演化中的重大事件
