（海洋地质专业论文）南海及西太平洋海区中新世以来深海碳酸盐沉积与古环境变化.pdf

同济大学海洋与地球科学学院硕士学位论文 陈晓良 南海及西太平洋海区中新世以来深海碳酸盐沉积与 古环境变化 陈晓良 ，摘要 对南海北部o d p1 1 4 8 站井深4 6 5r e e d ( 综合深度米) 以上中新世以来的 1 7 0 0 个沉积物样品以及赤道西太平洋m d 0 1 2 3 8 6 站晚第四纪1 2 7 3 个样品测定 了c a c 0 3 和粗组分( 6 3 肿) 百分含量。在此基础上，计算了c a c 0 3 和非钙质堆积 速率( m a r ) ，进而结合浮游有孔虫丰度和碎壳率以及底栖有孔虫全群的比值， 探讨南海和西太平洋海区中新世以来深海碳酸盐沉积与古环境变化的特征。 南海北部碳酸盐百分含量自中新世以来有逐步下降的趋势，主要可以分为 三个高生产力阶段和两个低生产力阶段。其中8 8 5 8 m a 的高生产力与印度洋、 太平洋中新世晚期和上新世早期的“生物勃发”事件相对应，而3 2 0 m a 的生产力 增加与北半球冰盖扩大有关。 非钙物质堆积在南海碳酸盐记录中的三次阶段性大辐度提升，与青藏高原 阶段性隆升相对应。这种构造运动带来的陆源物质对碳酸盐沉积的稀释作用是造 成南海北部上新世晚期和第四纪碳酸盐百分含量明显下降的原因。 南海北部中新世以来碳酸盐溶解作用逐渐增强，1 5 帖1 4 2 m a , 1 1 8 1 0 9 m a ，9 8 8 8m a 和5 0 - 3 2m a 存在四个明显的碳酸盐溶解事件，其 中中新世的几次碳酸盐溶解事件与太平洋和加勒比海的中晚中新世过渡时期的 “碳酸盐崩塌”事件相对应，说明这次事件具有更广泛的全球影响；而5 0 3 2 m a 的溶解事件主要与南大洋底层水的活动有关。 南海南北部以及苏禄海的碳酸盐沉积有着明显的差别，主要是由于控制碳 酸盐沉积的各种因素的组合以及力量对比发生改变造成的。 同济大学海洋与地球科学学院硕士学位论文 陈晓良 西太平洋m d 0 1 2 3 8 6 孔的碳酸盐沉积属于“大西洋型碳酸盐沉积旋回”； 南海的陆源物质稀释作用强于西太平洋，同时，冰期南海陆源物质输入的增辐明 显高于西太平洋海区；西太平洋碳酸盐沉积主要受到岁差和半岁差周期的控制， 表现出热带独有的特征；高纬区发现的千年尺度周期在西太平洋也存在，说明千 年尺度的周期并不是高纬地区独有的特征。 一、日盯吾 1 1 碳酸盐沉积一直是古海洋学研究的热点和重点课题。a r r h e n i u s ( 1 9 5 2 ) 最早 发现太平洋碳酸盐旋回时，他认为是生产力周期性变化的结果，但b e r g e r 从6 0 年代起通过对碳酸盐溶解作用的研究，认为热带太平洋碳酸盐由生产力，溶解和 稀释三种作用共同控制。地球系统演化涉及“水循环”和“碳循环”两大课题，其中 “碳循环起步较晚，但却相当重要。“碳循环”包括有机碳和无机碳两个方面，其 关键在于两者的转化过程。譬如表层海水浮游生物将大气中的c 0 2 泵”入海底岩 石圈( 汪品先，2 0 0 0 ) ，就是从无机碳到有机碳的过程；而这些钙质壳体沉降到 深海并埋藏的过程中会发生溶解，释放出c 0 2 。这两个过程很大程度上与水柱中 碳酸盐的饱和度有关系( b e r g e r , 1 9 9 2 ) 。因此，深海碳酸盐旋回一直是全球碳循 环研究的重要环节，对它的研究有助于加强对全球气候环境演变的认识。 本次研究涉及的主要站位均位于中国南海。选取南海作为本次研究的重心， 是因为南海的特殊地位，而且这个特殊的地位在世界范围内得到了越来越大的重 视。它北接中国南部大陆，接受珠江、湄公河等河流的来自青藏高原的大量陆源 输入，是目前世界上沉积速率最快的海区之一( 汪品先，赵泉鸿，1 9 9 5 ) ，适合 进行高分辨率的古海洋学研究；东部与太平洋相联，联结处海槛深度为 2 4 0 0 2 6 0 0 米，足以监测太平洋中层和深层水的演变( 业治铮，汪品先，1 9 9 2 ) ； 也决定了南海在沉积学以及古环境研究中的重要地位。1 9 9 9 年2 月 4 月，中国 海首次大洋钻探取得了南海讫今最完整的深海沉积记录，其中南海北部陆坡的 o d p i1 4 8 站，更是揭示南海近3 2 m a 以来的地层古环境的良好剖面。 同济大学海洋与地球科学学院硕士学位论文 陈晓良 对于南海的碳酸盐旋回，前人已经作了大量的工作。譬如涂霞( 1 9 8 3 ) 、谢 凯旋和陈民本( 1 9 8 4 ) 讨论了南海深海沉积中有孔虫碳酸盐壳体的溶解作用：汪 品先等( 1 9 8 6 ) 分析了南海北部溶跃层以上的v 3 6 3 柱状样品约1 3 0 0 万年来的 记录，发现其碳酸盐含量曲线显示“大西洋型”碳酸盐旋回，而不是“太平洋型”旋 回，引起了同行们的兴趣；碳酸盐含量曲线和6 l s o 曲线平行的现象，在同年汪 中和等( c w a n ge t ，1 9 8 6 ) 分析的南海南部s c s l 5 a 柱状样中是同样存在的现象； 接着，李粹中( 1 9 8 7 1 9 8 9 ) 、郑连福( 1 9 8 7 ) 、陈木宏和陈绍谋( 1 9 8 9 ) 等分别 根据表层沉积物的分析，探讨了南海碳酸盐溶解作用与溶跃层和c c d 的分布； 卞云华( 1 9 9 2 ) 通过南海北部水深1 0 0 0 4 0 0 0 米范内六个沉积柱状样的分析和比 较，指出南海存在的两种碳酸盐旋回：溶跃层之上碳酸盐含量主要受到陆源碎屑 物质的稀释作用控制，属于大西洋型旋回，而溶跃面之下主要受溶解作用控制， 属于太平洋型旋回；成鑫荣( 1 9 9 2 ) 也用钙质超微化石的相对丰度，论证了上述 的趋势；王慧中和翦知滑( 1 9 9 2 ) 将南海碳酸盐旋回的稀释作用与北大西洋相比， 发现南海碳酸盐含量的变化超前于t 5 1 s o 的变化，而大西洋滞后于6 1 8 0 的变化； 汪品先等( 1 9 9 5 ) 在汇总了3 4 个沉积柱状样分析资料之后，对南海晚第四纪的 表层海水环流和深海碳酸盐旋回进行了比较系统的讨论。但前人的研究主要侧重 于第四纪特别是晚第四纪，也很少探讨南海作为边缘海与太平洋开放大洋之间的 碳酸盐沉积差异。 本论研究以南海大洋钻探o d p i l 4 8 站为重点，旨在通过碳酸盐含量分析， 及其沉积作用的变化，从构造尺度( 1 0 5 1 0 6 以上) 上讨论南海中新世以来沉积 环境的演变特征，为研究东亚古环境演变规律提供依据。同时，计划通过对赤道 西太平洋m d 0 1 2 3 8 6 站的分析，比较晚第四纪南海和太平洋碳酸盐沉积作用的 异同，为揭示边缘海碳酸盐沉积环境的特殊性提供参考资料。 同济大学海洋与地球科学学院硕士学位论文 陈晓良 二、材料与方法 2 1 材料 本次研究的样品取自于o d p 第1 8 4 航次1 1 4 8 站( 1 8 0 5 0 1 7 n ，1 1 6 0 3 3 9 4 e ， 水深3 3 0 8m ) 和1 1 4 7 站( 1 8 0 5 0 1 1 n ，1 1 6 0 3 3 2 8 e ，水深3 2 3 8m ) 两个邻近站位 的合成剖面( o d p i l 4 7 1 1 4 8 ) ，以及赤道西太平洋m d 0 1 2 3 8 6 ( 1 2 9 0 4 7 。5 6 n ， 0 1 0 0 7 。8 0 e ，水深2 8 1 6m ) 。( 图1 ) 在o d p i l 4 8 站井深4 6 5m c d ( 合成深度米，下同) 以上采样1 6 0 0 块，在1 1 4 7 站顶部井深7 4m c d 以上采样7 5 块，总计1 6 7 5 块。通过两站磁化率地层的详细 图1 南海o d p i1 4 8 站、西太平洋m d 0 1 2 3 8 6 站及其他相关站位 对比，将1 1 4 7 站 的样品合成到 1 1 4 8 站中( 以下简 称o d p1 1 4 8 站。 全孔岩芯涉及地 层达3 2 m a ，样品 的平均时间分辨 率约1 4 3k a 。 m d 0 1 2 3 8 6 站位于印度尼西 亚东部陆坡的北 缘，处于西太平洋 暖池的中心，岩芯 长3 2 8 4 米，共测 f i g 1l 0 c a 缸。n0 f o d p s t e1 1 4 8i i ls 。u mc s e a , s i t e 0 1 2 3 8 6 定样品1 2 7 3 块。 h w e s 啪p a c l f i ca n d 。崎r e l a t i v es i t e s 证s o u 也弛a s e a 。 全孔岩芯涉及地 4 层3 0 0 k a ，样品的 同济大学海洋与地球科学学院硕士学位论文 陈晓良 平均分辨率在2 1 6 k a 以后为2 0 0 年，之前为1 0 0 0 年。 2 2 碳酸盐测定和堆积速率计算方法 在对o d p i l 4 8 站进行碳酸盐含量测定中，采用胜利油田管理局和海安石油 科研仪器厂生产的岩石碳酸盐测定仪g m y - m ，在实验室利用定量的稀盐酸 ( 1 0 m 1 ) 和定量的样品( 约2 0 0 m g ) 进行反应，生成的二氧化碳气体由电子气压 计测出。为了减小时间、温度、气压的变化对实验结果造成的影响，采用标准碳 酸钙( 分析纯) 与盐酸反应，生成的二氧化碳气体作为标准值。通过换算公式 c = c l m l p m p l 得到所要分析样品的碳酸盐的百分含量：其中c 为样品中碳酸盐 的含量( ) ；c l 为标准碳酸盐的百分含量( ) ；m 为样品的质量( m 曲；m 1 为标 准样品的质量( m g ) ip 为样品的碳酸盐产生的c 0 2 气体的压强( p a ) ；p 1 为标 准碳酸盐产生气体的压强。 对西太平洋m d 0 1 2 3 8 6 站的碳酸盐含量测定采用盐酸滴定法，仪器为法国 c o n t r o l a b 公司生产的n f p l 8 。5 0 8 碳酸盐分析仪，分析误差小于1 。通过测量反 应生成的二氧化碳气体的体积，利用标准状态下二氧化碳的体积进行换算，计算 出样品中碳酸钙的重量百分比。测定过程中测得样品质量为m ( 曲，反应过程中 生成的气体为a v ( c m 3 ) ，则可以根据公式c a c 0 3 = ( 1 0 0 * a v ) ( 2 2 4 1 4 m ) 算出碳 酸盐百分含量。 在此基础上计算了o d p i l 4 8 站沉积物和碳酸盐的堆积速率。沉积物堆积速 率( m a r ) 通过下列公式计算获得( f a r r e l ljw 1 9 9 1 ) ：m a r - d b d l s r 。其中l s r 是沉积物的线性沉积速率( c m 2 k y ) ，d b d 指沉积物干样密度( g c m 3 ) 。l s r 是 根据3 2m a 以来高分辨率的氧同位素事件地层序y u ( 翦知、滑，成鑫荣，2 0 0 1 ) 及 3 2 m a 之前浮游有孔虫和超微化石的古生物地层学资料( l ie ta 1 ，i np r e s s ) 获得。 沉积物堆积速率与碳酸盐百分含量相乘即可得到碳酸盐的堆积速率m a r ( g e r a 2 k a ) 。 同济大学海洋与地球科学学院硕士学位论文 陈晓良 本次研究还对o d p i l 4 8 站中与碳酸盐堆积和溶解有关的参数进行了测试： a ) 1 7 0 2 个样品中沉积物的粗组分( ) ，即样品经6 3 # m 孔径的筛网冲选后剩余 的物质干样重量占样品总干样重量的百分含量；b ) 6 8 4 个样品( o 1 5r e i n 粗组 分) 中的浮游有孔虫完整壳和破碎壳数，以8 个破壳作为一个完整壳，用破壳数 与完整壳总数相比得到浮游有孔虫的破壳率( ) ：c ) 6 4 3 个样品( o 1 5m n l 粗组 分) 中浮游有孔虫丰度( 每克沉积物所含浮游有孔虫的个数) ；d ) 6 8 4 个样品( o 1 51 1 3 1 1 1 粗组分) 中底栖有孔虫在全群有孔虫( 底栖+ 浮游) 中的百分含量。这部 分测定工作主要由同济大学赵泉鸿教授完成，作者在此表示由衷的感谢。 赤道西太平洋m d 0 1 2 3 8 6 孔碳酸盐沉积的其他相关指标测定目前仅完成 粗组分测定。 三、分析结果 年代地层框架的建立 生物蔓佳逯廑逝亟) 生数丝垦 远援运空( 堡垒堂g 垄2 l o & s e r e i n u l i n a1 6 4 6 83 1 29 5 5 p u l l e n i a t i n as dc o i l i n gc h a n g e 1 7 2 6 l3 9 54 0 2 8 l og n e p e n t h e s1 8 2 6 84 21 1 3 6 l o & k o c h i1 8 6 4 3 4 5 3 9 9 6 f og t u m i d a1 9 9 2 85 8 21 6 3 0 l og m a y e r i2 7 5 4 0 1 0 4 9 1 3 6 4 f og n e p e n t h e s 2 8 4 9 51 1 1 97 5 2 f od u n i v e r s a3 1 4 3 71 5 12 6 2 5 l oc d i s s i m i l i s3 7 2 1 31 7 39 1 5 l op k u g l e r i 4 1 0 5 42 1 5 1 4 6 6 l og o p i m ao p i m a4 7 5 0 42 7 11 1 3 6 同济大学海洋与地球科学学院硕士学位论文 陈晓良 本次研究在南海北部o d p1 1 4 8 孔的年代框架建立是以大洋钻探o d p 第1 8 4 航次的原始报告为依据。其中3 2 m a 以来采用氧同位素事件定年，3 2 m a 前则 采用修改后的1 1 4 8 站渐新世有孔虫生物地层( 表1 ) ，数据资料来自于同济大学 翦知滑教授。 在西太平洋m d 0 1 2 3 8 6 孔利用碳酸盐地层学的方法确定氧同位素事件( 图 2 b ) ，在此基础上建立年代框架，氧同位素事件的年龄对照i m b r i e 的工作( i m b r i ee t a 1 ，1 9 8 4 ) ，然后通过线插值将样品的r e e d ( 合成深度米) 换算成对应的样品年龄。 表2 表示m d 0 1 2 3 8 6 孔样品深度与氧同位素事件及相应年龄的对照关系： 涯廑卷 一 氢回焦嚣塞鲑生数( 照) 1 1 21 16 2 0 09 6 1 2 2 21 7 8 8 1 83 12 8 9 6 83 35 3 1 3 6 8 4 26 5 1 4 9 85 18 0 1 7 5 05 39 9 1 9 0 45 51 2 2 2 0 2 66 21 3 5 2 4 4 06 61 8 3 2 5 4 57 11 9 4 2 8 6 57 32 1 6 3 0 0 57 52 3 8 3 1 5 08 42 6 9 同济大学海洋与地球科学学院硕士学位论文 陈晓良 3 2 南海o d p i l 4 8 站中新世以来碳酸盐沉积变化 ( 1 ) 碳酸盐百分含量和堆积速率 o d p i l 4 8 站6 4 5 m c d 以上中新世约2 4 0 0 万年以来碳酸盐百分含量和堆积速 率的变化如图3 a , b 所示，其中c a c 0 3 曲线自中新世早期向第四纪呈现逐步下降 的趋势，而碳酸盐堆积速率则呈阶段性变化，在2 4 毗1 5 m a ，1 6 5 1 4 8 m a ， 1 0 6 9 8 m a ，8 8 5 8 m a ，3 2 , - , 0 m a 明显增大。其中c a c 0 3 最高值发生在早中新 世的最早期( 2 4 , - , 2 3 4 m a ) ，碳酸盐百分含量在5 5 和6 5 之间，碳酸盐堆积速率 也达到6 8g c m 2 l ( a 。然后c a c 0 3 呈阶梯状的逐步下降，在1 5 0 - - , 1 4 2m a 时形 成明显的低值谷，平均只有5 左右，是中新世来碳酸盐百分含量和堆积速率最 低时期。中新世晚期至第四纪碳酸盐百分含量呈起伏状缓慢下降，存在 1 1 8 1 0 9 m a 、9 8 8 8 m a 和4 8 3 2m a 三个低谷时期，及1 4 2 1 1 8m a 、1 0 6 9 8 m a 和8 8 5 8 m a 三个相对的高值时期。上新世晚期约3 2m a 以来的碳酸盐百分 含量和堆积速率两者变化呈相反趋势，前者具有明显的下降特征。 ( 2 ) 非钙质堆积速率 图3 c 和图4 所示为中新世以来非钙质堆积速率曲线。从钙质堆积速率的平 均值来看，中新世以来南海北部的碳酸盐沉积主要可以分为三个阶段： 2 4 8 6 m a ，8 6 3 2 m a ，3 2 o m a 。 a ) 2 4 8 6 m a 是南海北部非钙质堆积速率较低的时期，平均值在2 0 眺m 2 k a 左右。但从局部范围来看，这一时期的非钙堆积速率也存在着几次明显的增加， 如2 3 5 2 1 5 m a ，1 6 5 1 4 8 m a ，1 0 6 9 8 m a 。这几个时期的碳酸盐堆积速率增加 在数量上高出早中中新世平均值一倍，达到3 2 左右。b ) 晚中新世非钙质堆积速 率在8 6 m a 陡然上升，而后在8 6 3 2 m a 逐步下降，但波动不大，而且在8 8 5 8 m a 一直保持着相对高值，平均约为2 7 9 e m 2 k a 。c ) 3 2 , - , 0 m a ，南海北部非钙质堆积 速率快速增加，达到南海北部非钙堆积速率的最高值( 平均达到7 1g c m 2 l ( a ， 最高达到1 5g c m 2 k a ) ，增辐和波动辐度也明显强于中新世。而且呈现阶段性增 加，如3 2 m a ，2 5 m a ，1 7 1 5 m a ，0 9 m a 和0 2 m a 便是非钙堆积速率在这一时 同济大学海洋与地球科学学院硕士学位论文 陈晓良 期的几次比较明显的阶段性增加。与碳酸盐的含量和堆积速率一样，非钙质堆积 速率分别在1 5 肚1 4 2m a 、11 8 1 0 9m a 、9 8 8 8 m a 和6 3 2m a 四个时期表 现为相对低值。 ( 3 ) 浮游有孔虫丰度和粗组分百分含量 1 1 4 8 站的粗组分基本上是由浮游有孔虫壳及其碎壳构成，因此，如图3 d ，e 所示，浮游有孔虫丰度和粗组分百分含量两者具有十分相似的变化。两者在早中 新世和中中新世早期( 1 3 - 2 4m a ) 、上新世晚期和第四纪( 3m a 以来) 具较高值， 其中最高值发生在早中新世晚期( 约1 8 1 6m a ) 。两者在中中新世晚期至上新世 早期( 1 3 3m a ) 总体上很低。 ( 4 ) 浮游有孔虫碎壳率和底栖有孔虫百分含量 浮游有孔虫破壳率和底栖有孔虫在全群有孔虫中的百分含量在一定程度上 指示了底层海水溶解作用的强弱。前者的变化如图3 f 所示，自中新世早期2 4m a 以来在总体上呈现为上升趋势，其中在9 4m a 之前增加缓慢，最高值不超过3 0 ； 9 4m a 起显著上升，在9 4 - - , 8 8m a 和5 2 2 0m a 形成两个高值峰( 5 0 ) ，破 壳率最高大于9 0 。底栖有孔虫百分含量的高值主要发生在早中新世 ( 2 4 - - , 1 5 m a ) 、中中新世晚期( 1 1 8 1 0 8m a ) 、晚中新世早期( 9 4 8 8m a ) 及晚 中新世晚期和上新世( 6 2 2 0m a ) ( 图3 9 ) 。底栖有孔虫百分含量和浮游有孔虫破 壳率两者在9 4m a 之后的变化基本同步。 3 3 西太平洋m d 0 1 2 3 8 6 站晚第四纪的碳酸盐沉积变化 ( 1 ) 碳酸盐百分含量及颜色亮度曲线 沉积物碳酸盐百分含量和颜色亮度曲线( p ) 在一定程度上有着相关性， 一般浅色物质主要是海洋生物的碳酸钙壳体，陆源物质的颜色相对较深，所以岩 芯的亮度越高，碳酸盐百分含量越高，反之碳酸盐百分含量越低。从实验室得到 的碳酸盐百分含量曲线和船上实地测得的岩芯亮度曲线看，两者有着很好的相关 性( 图2 b ，c ) ，都呈现出典型的冰期间冰期旋回。 同济大学海洋与地球科学学院硕士学位论文 陈晓良 图2 西太平洋m d 0 1 - 2 3 8 6 站碳酸盐沉积记录：粗组分百分含量( a ) 、碳酸盐百分含量( b ) 、亮 度曲线( c ) ；图中数字为氧同位素分期 f i g 2c o a r s ef r a c t i o n ( a ) 、c a r b o n a t ec o n t e n tc o ) 、s e d i m e n tl i g h t n e s s ( c ) o fs i t em d 0 1 2 3 8 6i n w e s t e r np a c i f i c t h en u m b e r si nc h a r ti n d i c a t eo x y g e ni s o t o p es t a g e 一般来说，陆源物质稀释作用占主要地位的“大西洋型 ，c a c 0 3 曲线与 6 1 8 0 曲线平行，本次研究的赤道太平洋m d 0 1 2 3 8 6 站的碳酸盐百分含量曲线就 体现这样的特点。从图2 中可以清楚的辨认出8 1 8 0 的期次，间冰期6 1 8 01 、3 、 5 、7 期c a c 0 3 含量和亮度值均高，而冰期6 1 8 02 、4 、6 、8 期值低。在冰期碳 酸盐百分含量平均为2 5 ，间冰期碳酸盐百分含量平均为4 0 左右，其中碳酸盐 百分含量在7 期较高。 根据采样记录，m d 0 1 2 3 8 6 站离岸较近，在沉积物中曾多次出现浊积层。 所以测定过程中，该站碳酸盐含量出现的一些异常的高值或低值可能是受到了浊 流沉积的干扰。 同济大学海洋与地球科学学院硕士学位论文 陈晓良 ( 2 ) 粗组分百分含量 m d 0 1 2 3 8 6 站的粗组分百分含量曲线的变化趋势也与该站碳酸盐百分含 量基本保持一致( 图2 a , b ) 。氧同位素l 、3 、5 、7 期为高值区，其中氧同位素1 期粗组分含量最高，平均达到2 6 左右。与碳酸盐含量和亮度曲线一样， m d 0 1 2 3 8 6 站粗组分的百分含量曲线也表现出典型的“大西洋型”旋回。 8 跻大学海洋与地：2 誊学院顽+ 学位论文 四、南海中新世以来碳酸盐沉积变化的古环境意义 深海沉积物中的碳酸盐沉积，主要取决于三大作用因素：( 1 ) 具钙质骨骼 的生物生产力，主要指浮游生物如有孔虫、颗石藻、翼足类，也包括珊瑚、苔藓 虫和贝壳类碎片的输入量i ( 2 ) 非碳酸盐沉积物，主要是陆源碎屑矿物的输入， 硅质化石和火山灰等，也就是非钙质颗粒的“稀释作用”；( 3 ) 碳酸盐的深海溶 。1 册紫c 雌m - 8 k 4 a f 。g ：? 亭静茔强* 删鬻薏魏飘儿= ” 二二二二二t f # j 日目i i i i i ：i 雪女 f 女”r 目月 图3 南海北部o d p i l 4 8 站中新世以来的c a c 0 3 含量( a ) 、c a c 0 3 堆积速率( b ) 、非钙质堆积 速率0 ) 、浮游有孔虫丰度( 由、粗组分含量0 ) 、浮游有孔虫破壳牢和底栖有孔虫全群中的 百分禽量( 曲。( 阴影区表示重要的碳酸盐溶解事件) f i g3 v a r i a t i o n s i n c a c 0 3c 0 咖ms i n c e 斟m a ( a ) ，m a r m ) ，一t 曲o m k m a r ( c ) ，p l a n k t o n i c f o r a m i n i f e r a lr e l a t i v ea b u n d a n c e ( d ) ，s e f r a c t i o n ( 电p l a n k t o n i c f o r a m i n i f e r a f r a g m e n l a t i o n ，蛆db e n t h i c f o r a m i n i f e m lr a t i o t o t o t a l f o r a m i n i f e r a l f a u n a l 幢) a t o d ps i t e1 1 4 8 ，t h en o r t h e r n s o u t h c h i n as e a f s h a d e da m a s i n d i c a t e m a j o rc a 而o l a k d i s s o l u t i o ne v e n 曲 同济大学海洋与地球科学学院硕士学位论文 陈晓良 解作用，它随着水温的降低、压力的加大而增强。与此相应，钙质生物的产量和 保存程度，也随着海区所处的纬度而异：高纬的冷水海区以硅质骨骼的浮游生物 如硅藻、放射虫为多，而低纬的暖水海区一般由钙质骨骼的浮游生物如颗石藻、 有孔虫占优势。西太平洋边缘海沉积中的碳酸盐含量，主要由这些因素控制 ( b e r g e r ，1 9 9 2 ：汪品先，1 9 9 8 ) 。 4 1 碳酸盐生产力 图3 b 、d 、e 、g 所示碳酸盐堆积速率和浮游有孔虫丰度曲线在一定程度上 反映了碳酸盐生产力的变化，南海北部自中新世以来生产力变化总体上呈阶段式 的下降趋势。c a c 0 3 百分含量和c a c 0 3 堆积速率在2 4 o 15 8 m a ，1 4 2 1 1 8 m a ， 1 0 纠9 m a ，3 4 0 m a 都表现为相对高值，浮游有孔虫丰度和粗组分的高值主要 发生在上述的高值时期，反映南海北部中新世以来四次高碳酸盐生产力时期。 总体来说，南海北部中新世以来碳酸盐生产力可以分为以下几个阶段： ( 1 ) 早中新世2 4 0 - - 1 4 8 m a ：这一时期碳酸盐生产力最高，从图3 b 可以 看出，c a c 0 3m a r 平均值达到1 5g c m 2 k a 。这一时期c a c 0 3m a r 也有几次明 显的高峰期，如2 4 - - - 2 1 5 m a ( 平均值2 2 3g c m 2 k a ) 和1 6 5 - 1 4 8 m a ( 平均值1 6 2 g e m 2 k a ) 。从图3 d 也可以看出，这两个时期浮游有孔虫丰度也明显增高，表明 这一时期碳酸盐生产力极高。 另外，2 4 - - 1 4 8 m ab f ( b f + p f ) 有较高的值，但碎壳率却较低( 图3 f ，g ) ， 说明这一时期碳酸盐溶解作用不强，因而b f f 8 f + p f ) 的高值可能归因子底栖有 孔虫丰度高。由此可见这一时期表层海水沉降的食物来源充足，使得底栖有孔虫 大量繁殖，这从一个侧面反映了早中新世南海碳酸盐的高生产力。 以前有关早中新世的碳酸盐堆积速率的记录不多，并且都是时间分辨率很 低的。根据赤道太平洋的深海钻孔资料，在早中新世早、中期具有高的碳酸盐百 同济大学海洋与地球科学学院硕士学位论文 陈晓良 分含量或碳酸盐堆积速率( b e r g e rw h ，1 9 9 3 ；t h e y e rf ，1 9 8 5 ；v m c e n te ，1 9 8 5 ) ，这 种现象也见于加勒比海( m u t t im ，2 0 0 0 ) 。而o d p i l 4 8 孔的碳同位素分析显示， 早、中中新世曾发生过几次显著的“碳位移事件”，如2 3 1 2 2 2 m a 和1 7 3 1 3 6 m a 的6 1 3 c 正位移。其中1 7 3 1 3 6 m a 的碳位移与全球性的“m o n t e r y 碳位”移对应( 赵 泉鸿等，2 0 0 1 ) ，这一事件也是控制o d p i l 4 8 站在1 6 5 1 4 8 m a 的生产力高峰的 主要因素。 ( 2 ) 中中新世1 4 8 8 8 m a ：这一时期碳酸盐生产力相对较低，主要表现 在这一时期碳酸盐堆积速率不高，有孔虫丰度也很低。虽然碳酸盐百分含量在这 一时期并不低，但这可能与这一时期碳酸盐总体溶解作用不强有关。 ( 3 ) 晚中新世8 8 5 8 m a ：这一时期南海碳酸盐含量与堆积速率都具有较 高的值，另外o d p i l 4 3 站o p a l 的堆积速率也在8 2 5 3 m a 突然增高( 王汝建未 发表论文) ，可能与这一时期南海生产力高，生物勃发有关。赤道印度洋和太平 洋在中新世晚期和上新世早期普遍存在高碳酸盐堆积速率，称之为生物勃发 ( b i o g e n i cb l o o m ) ，但发生的时间各不相同。在印度洋发生在9 3 5 m a , 以6 - 5 m a 最 盛( d i c k e n sg r ，1 9 9 9 ) ：在西赤道太平洋的翁通爪哇海台为9 2 - 4 1 m a ( b e r g e rw h ，1 9 9 3 ) ；在东赤道太平洋发生在6 7 4 5 m a ( f a r e l ljw ，1 9 9 1 ) 。据1 1 4 8 站1 0 6 - 4 9 m a 的碳酸盐百分含量和碳酸盐堆积速率高值堆测属于同一事件。所以，8 8 5 8 m a 南海碳酸盐的高值与这时期生物勃生，钙质生产力加强密切相关。生物勃发事件 反映海水表层生产力的提高，对其机理至今尚不十分清楚( d i c k e n sgr ，1 9 9 9 ： f a r e l ljw j l 9 9 5 ) 。 ( 4 ) 上新世5 8 3 2 m a ：这一时期碳酸盐含量较低，而且碳酸盐堆积速 率以及浮游有孔虫丰度也是南海碳酸盐沉积中的低值区。种种指标都说明这一时 期南海碳酸盐生产力较低。 ( 5 ) 晚上新世以来3 2 - q ) m a ：最后一期高碳酸盐生产力主要表现为具有 高的碳酸盐堆积速率和浮游有孔虫丰度( 图3 b 、d ) 。根据f a r r e l l 和p r e l l ( 1 9 9 1 ) 同济大学海洋与地球科学学院硕士学位论文 陈晓良 提供的赤道太平洋中部1 6 个深海钻孑l 4 m a 来的碳酸盐含量变化资料，约从3 0 m a 起碳酸盐保存显著变好并且c a c 0 3 含量增加( f a r r e l ljw , p r e l lwl ，1 9 9 1 ) 。黄宝 琦在博士论文中提到南海北部表层生产力在3 1 m a ，2 1 m a ，0 9 m a 阶段性增加， 可能与冰盖扩张，冬季风强化有关( 黄宝琦博士论文，2 0 0 2 ) 。晚上新世以来南 海北部具有高生产力，原因可能有以下两点：a ) 青藏高原隆升和大规模陆架出露， 使得陆源营养元素的输入量增加；b ) 冬季风的加强，引起了南海表层生产力的增 加。 对比非钙质和钙质两者堆积速率变化( 图3 b 、c ) ，可以发现尽管两者在晚 上新世与第四纪变化幅度上存在明显的差异，但总体上变化趋势基本对应，即非 钙质堆积速率增加，钙质堆积速率也相应增大，反映了非钙物质( 包括陆源物质 和硅质生物) 的供应对钙质生物生产力有一定的控制作用。 4 2 陆源物质的稀释作用 4 2 1 快速的陆源物质的堆积造成南海碳酸盐稀释作用的加强 1 1 4 8 站中新世以来的沉积物除了碳酸盐成分外，还有硅藻、放射虫和海绵 骨针等海洋白色的硅质生物化石，但含量较低，一般含量小于2 ，最高含量不 足8 ，其它物质主要还包括陆源物质、火山灰和宇宙尘埃。由于后两者含量除 个别层位外，含量较低，因而可以认为图3 c 的非钙质堆积速率曲线主要反映了 陆源物质输入量的变化。 如o d p i l 4 8 孔非碳酸盐堆积速率曲线( 图3 c 、图4 ) ，中新世以来，南海 北部的陆源物质堆积大致可以分成三个阶段，而大量陆源物质的堆积主要发生在 3 2 m a 之后： ( 1 ) 早中新世到中中新世( 2 4 , - , 8 6 m a ) 这是南海陆源物质堆积的第一个 台阶，平均堆积速率最低，仅为2 0g c m 2 k a 。但在这一时期也存在着三次快速 8 济大学海洋与地：学院硕士学位论文 增长时期( 2 35 2 1 】65 1 48 ，1 06 - 0 8 m a ，见图4 阴影部分) 。这三个时期陆 源物质堆积表现出很强的突变性，堆积速率增加明显，辐度较大，这可能与青藏 高原的隆升有关。 ( 2 ) 晚中新世到上新世( 8 6 - - 32 m a ) ：晚中新世南海北部陆源物质堆积 经过段低速堆积后，在86 m a 突然增加，其后有所下降，但却保持在一个较为 稳定的水平上，平均值达2 7g c m a 。这就是南海北部陆源物质堆积的第二个 阶段，较第一阶段变化更为平稳，无较大的波动。 ( 3 ) 晚上新世以来( 32 0 m a ) ：第三阶段是南海北部陆源物质堆积变化 最剧烈的时期，平均堆积速率高达71 c m 2 m a 。这一时期非钙物质的增加十分 明显，而且呈现出分阶段增加特别是在32 m a ，25 m a ，17 - 15 m a ，o9 m a 和 0 2 m a 几个时期表现尤为剧烈。南海北部的陆源物质堆积速率，在经过了这几次 快速增加，从3 2 m a 的28g c m a 一直提升到现在的1 5g 庀m ： k a ，增辐非常大。 02，45 67si i【2 】川151 6i ，l8q2 02 i2 2232 4 州m a l 图4 南海o d p i l 4 8 站非碳酸盐堆积速率0 ) 、碳酸盐堆积速率m ) ，阴影匿为非钙质堆积速率相 对于碳酸盐堆积速率的几次突变，可能与青藏高原的隆升有密切的芙系 f i g4s i t e o d p i l 4 8n o n - c a r b o n a t e m a r ( 劬、c a r b o n a t e m a r 啦) ，s h a d e d 删拈i n d i c a t e ss e v e r a l n o n a r b o n a t ea b r u p t i n c r e 咖r e l a t i v e t oe a r b o n a t e m a r ，w h i c h m a y h a v e i n t i m a c yr e l a t i o n s h i p w i t h t h eu p l i f to f t i b e t a n p l a t e a u 同济大学海洋与地球科学学院硕士学位论文 陈晓良 在这三个阶段中，南海北部的陆源物质堆积逐级提升，这表明中新世以来 陆源物质对南海北部碳酸盐沉积的稀释作用在逐渐加强，3 2 m a 以后达到高峰。 而且，对比碳酸盐和非碳酸盐的堆积速率曲线，发现南海北部在几个时期( 图4 阴影) 非碳酸盐堆积速率和碳酸盐堆积速率比值相当大，这几个时期应是南海陆 源物质注入大辐度增加的时期，也是这一海区陆源物质稀释作用加强的时期。 4 2 2 大量的陆源物质堆积可能来自于青藏高原的隆升 南海深海区的陆源物质主要来源于中国陆地风化剥蚀的产物，中新世以来 南海北部陆源物质的增加可能与中国西南部青藏高原的构造运动有关。随着印度 板块与亚洲大陆的碰撞，青藏高原不断隆升，风化剥蚀的产物通过珠江，湄公河 不断输入到南海，同时也使得南海沉积物中的碳酸盐含量降低。 青藏高原的隆升及其对周围环境的影响是青藏高原研究中的热点，青藏高 原隆升的影响已不仅限于中国以及高原周边的地区。许多学者将新生代以来全球 气候的变冷，及大范围的环境变化，都归因于青藏高原及其他山地高原的隆升 ( r a y m oe ta 1 ，1 9 9 2 ；f l o h n ，1 9 8 7 ) 。青藏高原的隆升，对气候环境产生了巨大的影 响。最近w r u d d i m a n 和m r a y m o 认为北半球青藏高原及南半球a l t i p l a n o 山脉 和东科迪勒拉的隆升，对大气和洋流有大规模的影响，并通过风化和侵蚀作用使 大气中的c 0 2 浓度降低，从而造成全球气候的变冷( r u d d i m a n ，1 9 9 7 ) 另外，从 区域范围内而言，青藏高原的隆升阻挡了冬季风的南下，也是亚洲内陆干旱和沙 漠化的主要因素之一( 孙东怀，安芷生，1 9 9 8 ) 。 在中国和西方学者对青藏高原隆升所作的研究中，比较一致的观点是青藏 高原在9 - q s m a ，4 - - 2 m a 有两次比较强烈的隆起过程。其中奠定现今高原构造地 貌格架的构造运动开始于8 m a b p 左右( 吴锡浩，王富葆，安芷生，1 9 9 2 ；吴锡 浩，1 9 9 6 ；a ne ta 1 ，2 0 0 1 ) ；另外，3 4 - 2 6 m a b p 时段青藏高原的加速隆升，对 北半球大冰期的发生和东亚季风的发生起着重要的驱动作用( 安芷生，王苏民， 吴锡浩等，1 9 9 8 ) 。这两次青藏高原的强烈构造运动在南海o d p i l 4 8 站的碳酸盐 同济大学海洋与地球科学学院硕士学位论文 陈晓良 沉积记录中有着很好的显示( 图4 ) ：1 1 4 8 站的非钙质堆积速率8 ”2 m a ， 3 2 - 4 ) m a 两个时期相对于碳酸盐堆积速率有明显增大，与前人所做的工作中青藏 高原的两次较大的构造运动相吻合。1 1 4 8 站的非钙质堆积速率在8 6 7 2 m a 和 3 4 0 m a 增量很大，绝对值大大高于同时期的钙质堆积速率，3 1 2 5 m a 期间表 现尤其突出。可见，这两个时期南海北部陆源物质的堆积速率非常迅速。这种高 速堆积的陆源物质的稀释作用，是造成3 2 m a 以后南海北部碳酸盐含量明显下降 的主要原因。 另外，在早一中中新世，南海北部的非钙质堆积速率虽然较低，但在 2 3 5 2 1 5 m a ，1 6 4 1 4 8 m a ，1 0 乱9 8 m a 有几次明显的增加，也可能指示了青藏 高原的快速隆升。但青藏高原整体上是在8 乱5 8 m a 和3 - q 3 m a 两个时期急剧抬 升的。 其实青藏高原隆升的影响还存在于其他各种地质记录中：7 6 m a 起黄土高 原风尘沉积开始堆积，形成红粘土，到3 4 - 2 5 m a 开始的黄土高原的风尘沉积速 率加大，同时形成典型的黄土一古土壤序列，这种阶段性可以从北太平洋风成粉 尘( s h o e c k xe ta 1 ，1 9 9 5 ) 中得到印证；东喜马拉雅构造结构裂变径迹年龄表示 了3 m a b p 以来加速隆升( 钟大赍，丁林，1 9 9 6 ) ；北印度洋o d p 7 5 8 孔的钻孔资 料显示了3 4 m a 以来钙质堆积速率的降低主要原因是河流带来的陆源物质的稀 释作用的加强( j o h nw ，f a r r e l l a n d ，1 9 9 1 ) ；北太平洋的风成石英颗粒通量在3 2 m a 快速增力l ：l ( l e i n e nm ，h e a t hgr ，1 9 8 1 ) ( 图5 ) ；印度洋的一系列站位o d p 7 0 9 ，7 0 7 ， 7 1 0 等站位在3 5 m a 以后由于陆源物质稀释使得碳酸盐含量突然下降。这些记录 与南海碳酸盐沉积记录相当吻合，在一定程度上显示青藏高原的隆升对全球气候 环境巨大影响的普遍性。当然，也有研究认为3 2 m a 以来的这次碳酸盐沉积的稀 释作用加强并不是一个地区性事件，可能跟全球陆壳出露海面导致风化加剧有关 ( z h a n ge ta 1 ，2 0 0 1 ) 。 而且，3 2 m a 以来，南海陆源物的几次快速增加，如 2 5 m a ，1 7 - - - 1 4 m a ， 0 9 m a ，- - 0 1 5 m a ，与青藏高原几次快速隆升的陆地记录相当吻合( l ie ta 1 ，1 9 9 1 ； 同济大学海洋与地球科学学院硕士学位论文 陈晓良 方小敏等，1 9 9 8 ) 。 种种现象表明，青藏高原的隆升在时间上，以及构造运动造成的影响辐度 上，都与南海碳酸盐沉积记录中出现的波动相吻合，这说明青藏高原隆升在很大 程度上影响着南海沉积。 一 i 时 _ 之 静 蠲 蒜 嚣 一 暑 ，膏 t 6 ： 蒋4 期 氍2 ；s o 一 一 _ n u 翻 凄 嚣 自 球 掉 a g e ( 1 l a ) 图5 黄土高原风尘沉积速率变化西峰剖面( a ) 、灵台剖面( b ) 、北太平洋l l 4 4 g p c 3 孔风尘 石英通量( c ) ( l e i n e n & h e a t h ，1 9 8 1 ) 、北太平洋o d p 8 8 5 8 8 6 站风成粉尘堆积( d ) ( s n o e c k xc t a 1 ，1 9 9 5 ) 、南海o d p i1 4 8 站非碳酸盐堆积速率( e ) 。 f i g 5a e o l i a nd u s ta c c u m u l a t i o nr a t eo f x i - f e n gi nl o e s sp l a t e a u ( a ) 、l i n - t a ii nl o e s sp l a t e a u c o ) 、a e o l i a nq u a r t zf l u xo fs i t el l 4 4 - g p c 3i nn o r t h e r np a c i f i c ( c ) ( l e i n e n & h e a t h ，1 9 8 1 ) 、 a e