第十章-浅海碳酸盐与珊瑚礁(简版)..ppt

现代浅海碳酸盐沉积与珊瑚礁 研究意义 浅海碳酸盐沉积是现代海洋中的一类比较特殊的沉积 现代碳酸盐岩的沉积量占全球碳酸盐岩沉积量的22 古代碳酸盐岩沉积量巨大 并赋存重要资源 需要用将今论古的原理进行研究 一 浅海碳酸盐沉积的环境控制因素 1 温度2 盐度3 水深4 区域海流 暖水型碳酸盐沉积区海水表层最低温度不得低于14 15 位于南北纬30 之间 是最主要的碳酸盐沉积区 温水型碳酸盐沉积区温度可以适当降低 但要满足盐度要求 1 温度 浅海碳酸盐沉积的环境控制因素 2 盐度 浅海碳酸盐沉积的环境控制因素 骨骼性碳酸盐沉积物必须适合海洋生物大量生长发育 一般盐度在32 42 该盐度最适合各种生物生长 鲕粒 颗粒集合体要求盐度偏高 主要分布在南北回归线附近 赤道两侧没有鲕粒 颗粒集合体沉积 3 海水深度 浅海碳酸盐沉积的环境控制因素 就全球来说 CCD面的深度变化在3200 5500m 碳酸盐沉积应发生在小于深度区域 浅海地带 尤其是水深小于130 150m海域 碳酸钙沉积最为发育 该深度处于生物发育的真光带 无论底栖生物还是浮游生物都能大量生长繁殖 藻类也能在该范围内进行光合作用 但还要参考不同海域的透光度和浑浊度 现代热带浅海10 15m水深的海域产生的CaCO3比陆缘海的CaCO3多几倍 4 区域海流 浅海碳酸盐沉积的环境控制因素 全球性或区域性暖流为碳酸盐沉积提供了优越的环境和营养物质 使暖流经过区碳酸盐沉积纬度更高 1 矿物成分方解石 高镁方解石 文石 白云石2 结构组分颗粒 异化粒 文石泥 藻 藻席和叠层石 二 浅海碳酸盐组分 含MgCO3mol 4 即普通方解石 是碳酸盐岩中最稳定矿物 是组成石灰岩的主要矿物 现代海相碳酸岩沉积物中 低镁方解石较高镁方解石和文石少 只在深海碳酸盐沉积物中才占优势 多形成于低水温的环境中 方解石 低镁方解石 三方晶系 此外它常组成一些海生物的骨骼 如介形虫 三叶虫 苔藓虫 某些腕足类及有孔虫 蓝藻 颗石藻等海生生物的骨骼 MgCO3 4mol 的方解石称为高镁方解石 但MgCO3的摩尔体积百分含量常常变化在10 20 之间 它形成于水温较高的浅海及滨岸地区的海水中 当海水中Mg2 浓度大于正常海水的Mg2 浓度 盐度偏高时 容易形成高镁方解石沉淀 许多海洋生物的钙质硬体是由高镁方解石组成 高镁方解石是一种不稳定碳酸盐矿物 只存在现代碳酸盐沉积物中 在成岩作用中高镁方解石的Mg2 逸出 转变为低镁方解石 高镁方解石 是CaCO3在高压下的稳定同质多像体 即25 压力 4X108Pa时稳定存在 在地表条件下为亚稳定状态 当加热或长期处于地表条件 常压 下转变成方解石 文石 霰石 斜方晶系 另一方面文石的溶解度较方解石大 在成岩作用过程中转变为方解石或几乎全被溶解 所以现代碳酸盐沉积物中文石很常见 但在古代岩石中不存在文石 晶体多为菱面体状 标准白云石的分子结构为Ca2 和Mg2 阳离子层与CO32 阴离子层交替排列 呈Mg2 CO32 Ca2 CO32 即Mg2 Ca2 为1 1 白云石 Ca Mg CO3 2 颗粒 异化粒 文石泥藻 藻席和叠层石 结构组分 1 颗粒 grains 碳酸盐岩中的颗粒 内颗粒 盆内颗粒 外颗粒 盆外颗粒 非生物碎屑颗粒 内碎屑 鲕粒 球粒等 生物碎屑颗粒 沉积盆地中 由于侵蚀作用 化学凝聚作用及生物作用形成的砂级及粉砂级质点 1 内碎屑 intraclast 主要是沉积盆地中沉积不久的 半固结或固结的碳酸盐岩岩层 受波浪 潮汐水流 风暴等的作用 破碎 搬运 磨蚀 再沉积而成的 2 鲕粒 oolith 具有核心和同心层结构的球状颗粒 很象鱼子 大小0 2 2mm 常见的为0 2 0 6mm 核心 内碎屑 化石 陆源碎屑等 同心层 主要是泥晶方解石 现代主要是文石 卡耶 Cayeux 1935 提出鲕粒生长的必要条件 CaCO3供应丰富且达到饱和 有充分的核心来源 水要受到搅动 鲕粒形成于浅于2m的扰动水体中 局限于热带和亚热带浅海 超高盐环境有利于鲕粒的形成 3 球粒 pellet 和粪球粒 fecalpellet 球粒 较细粒的 粉砂级或细砂级 不具特殊内部结构的 泥晶的 球形卵形的 分选较好的颗粒 表面光滑 一般0 1 0 03mm 少数0 5 0 7mm 粪球粒 呈卵形或椭球形 分选甚好 有机质含量较高 在薄片中呈暗色 4 集合粒 Aggregate 几个碳酸盐颗粒被泥晶基质或藻类粘结在一起 基质为混乱的文石针 可能是未完全胶结的碳酸盐沉积中裂隙两壁的脱落产物 2 泥 muds 泥 指泥级的碳酸盐质点 微晶碳酸盐泥 微晶 泥晶 泥屑 泥 灰泥 方解石成分的泥 微晶方解石泥 云泥 白云石成分的泥 现代碳酸盐沉积物中 灰泥大多由针状文石组成 针状文石晶体平均长度近于0 03mm 宽度约为长度的1 10 灰泥的成因 化学沉淀作用生成的 针状文石 机械破碎作用生成的 泥屑 生物作用生成的 在活的钙质藻中含大量针状文石 吃下碳酸盐颗粒并消化磨碎 一些藻类 如蓝绿藻和红藻 其粘液可以粘结其他碳酸盐组分 如灰泥 颗粒 生物碎屑等 从而形成粘结格架 如各种叠层石 其他粘结格架 3 藻 藻席和叠层石 三 滨岸碳酸盐沉积 1 碳酸盐潮坪沉积2 碳酸盐泻湖沉积3 碳酸盐海滩沉积 碳酸盐潮坪沉积潮湿地带的海侵型潮坪 以巴哈马滩为例干旱地带的海退型潮坪 以波斯湾为例 潮差小 具有障壁岛 潮流以辐射状方式进入或退出浅滩 潮汐水道两侧为生物碎屑堆积的天然堤 天然堤把浅滩分为若干池塘 池塘中堆积纹层状和球粒状灰泥 池水盐度多变 生物具有广盐性 潮下带沉积分布在浅滩边缘 为大片鲕粒浅滩 潮上带主要为蓝绿藻丝和红树林 巴哈马滩碳酸盐潮坪沉积特征 波斯湾地区海退型潮坪特征 年降水量仅40 62mm 净增发量150cm a 海水盐度40 50 潮差1 2 2 1m 潮坪上为含石膏的藻席沉积 藻席中夹有粗粒骨屑砂 砾和少量鲕粒 藻席保存良好 碳酸盐泻湖沉积 太平洋环礁区 泻湖与大洋海水交换条件好 属正常泻湖 泻湖沉积物为珊瑚 有孔虫等骨屑和仙掌藻 加勒比海礁区 泻湖为半咸湖和超咸湖等不正常泻湖 以非骨屑的球粒和隐晶团块为主 近岸泻湖中有陆源碎屑混入 并受到陆上淡水作用 产生白云岩化作用 碳酸盐海滩沉积 碳酸盐海滩属于高能浪控海滩沉积 碳酸盐海滩可含少量陆源碎屑 一般小于20 碳酸盐沉积海滩一个重要特征是存在海滩岩 特别在渗流作用发育的前滨带海滩生物砂很快胶结成岩 产状和层理与海滩一致 有少量高镁方解石 文石针等颗粒环边 也有新月形和重力型胶结 主要分布在中低纬度地区 根据沉积物特征可以分为 无陆源碎屑的碳酸盐沉积陆架区碳酸盐与陆源碎屑的混合沉积陆架 四 碳酸盐沉积陆架 无陆源碎屑的碳酸盐沉积陆架区 墨西哥湾南部尤卡坦岛岸外没有较大河流入海 海水盐度稳定 水温较高 具高波能 陆架上软体动物十分发育 内陆架为现代碳酸盐沉积 沿岸形成一系列平行岸线的贝壳浅滩和脊状障形堆积体 分割出一系列干盐湖 泻湖和沼泽泥坪 外陆架为来自下伏灰岩的残余鲕粒 球粒和内碎屑组成的残余沉积 水深90m至陆架坡折处有现代浮游有孔虫等现代沉积 西欧北海内陆架陆源碎屑主要分布在英国南部和法国北部岸外的内陆架区 主要为石英砂和少量泥质 含有一定数量的贝壳介屑 往北部外陆架和陆架边缘出现有孔虫砂和残余鲕粒滩沉积 软体动物被深水种代替 碳酸盐与陆源碎屑的混合沉积陆架 中国南海北部陆架区内陆架为粉砂 粉细砂和泥质沉积物 外陆架和陆架边缘有碳酸盐鲕粒滩和内碎屑的残留沉积物 碳酸盐与陆源碎屑的混合沉积陆架 五 现代珊瑚礁 定义 珊瑚一般为群体生活 固着在海底基岩上 珊瑚在生长过程中 其硬体 骨骼部分不断增加 在海底 以珊瑚骨骼为主骨架 辅以其他造礁及喜礁生物的骨骼和壳体所构成的一个能抵御风浪侵袭的生物堆积体 称为珊瑚礁 珊瑚礁的定义 基本特征和类型 珊瑚礁 由造礁珊瑚的石灰质遗骸和石灰质藻类堆积而成的一种礁石 其形成与造礁珊瑚生长条件密切相关 珊瑚属于海生底栖动物 为腔肠动物门较高的一个纲 外形不一 有单体与复体 其软体称珊瑚虫 造礁珊瑚生长于水温18 36 最适为25 30 盐分27 40 的海水中 因共生的藻类须有光才能生长 故珊瑚礁的生长主要位于低潮位与水深30米间的海底 又因需氧气和各种营养盐类 含泥太多的混浊海域不利于珊瑚虫生长 世界上珊瑚礁多见于南北纬30 之间的海域中 尤以太平洋中 西部为多 按形态划分有 岸礁 堡礁 环礁 桌礁及一些过渡类型 据估计全世界珊瑚礁连同珊瑚岛面积共有1000万平方公里 珊瑚礁生长速度一般为每年2 5厘米左右 有些珊瑚礁厚度很大 系因珊瑚礁生长发育过程中礁基不断下沉或海面不断上升所致 澳大利亚大堡礁为世界最大的珊瑚礁 呈链状断续分布于澳大利亚东北海岸 共长2011公里 离岸16 241公里 在南太平洋 澳大利亚 巴布亚新几内亚 新喀里多尼亚岛及南纬30度线间 有一个五彩缤纷的海 叫珊瑚海 这里是世界最大的堡礁 座落着世界最大的三个珊瑚礁群 这就是大堡礁 塔古拉堡礁和新喀里多尼亚堡礁 大堡礁最大 位于澳大利亚东北部 离岸最近处只有16公里 最远处达240多公里 大堡礁长达2000多公里 东西最宽处达150公里 面积约10万平方公里 它大部分礁石隐没在水下 露出海面的成为珊瑚岛 500多个珊瑚岛 星罗棋布散落在900多平方公里的海面上 GreatBarrierReef GreatBarrierReef Nanshareef Nanshareef Nanshareef 礁体的组成 1 礁体生长带 礁核 是造礁珊瑚和喜礁生物大量生长 发育的地带 整个礁体以它为核心 形成一个能抵抗风浪侵袭的生物堆积体 一般位于潮下带 2 礁前带 位于礁体生长带的前沿 面向开阔外海 地形较陡峻 海水动能大 常为粗粒生物碎屑堆积区 物质来源于礁体生长带 这些沉积物呈现层状 席状 透镜状和槽沟状碎屑流堆积 向深海延伸可达数百米至数公里 3 礁后带 又称礁坪 位于礁体生长带的后侧或内侧 一般位于潮间带 部分位于潮上带 地形平坦 海水能量低 沉积物主要为珊瑚及其他生物砂 泥 鲕粒和藻叠层石等 常以礁坪 障壁砂坝 砂丘和灰砂岛等形式出现 向陆侧的某些局部低洼地内常形成泻湖或礁湖 珊瑚礁的基本特征 珊瑚礁 泻湖 礁滩 礁滩 礁后带 靠陆 向洋 礁体的生长速度以单个珊瑚体生长速度来说 枝状珊瑚生长速度最快 鹿角珊瑚为10cm a 块状滨珊瑚为5cm a 但作为群体生长的礁体来说 生长速度要慢得多 风浪的侵蚀 各种溶解和腐蚀作用都会对珊瑚礁体进行破坏 一般认为整个礁体平均生长速度为2 5cm a 珊瑚礁的分布现代珊瑚礁分布在南北纬30 之间的热带浅海区 目前世界珊瑚礁主要分布在太平洋西南诸群岛和印度洋区 其次为大西洋加勒比海区等 其中太平洋和印度洋在生物组成方面有很多相似的地方 与大西洋区具有较大的差异性 主要在于海域热带面积及受大陆的影响不同 珊瑚礁的类型 根据礁体与岸线之间的关系 珊瑚礁可分为岸礁 堤礁 堡礁 和环礁 岸礁 珊瑚礁沿大陆或岛屿的崖边生长 发育 局部崖区 礁与岸之间有一小而狭窄的水道 则称为离岸礁 但仍属岸礁 堤礁 礁体呈长条状 平行海岸发育 但离海岸有一定距离 有如长堤或城堡环抱海岸 使之免受风浪侵袭 礁体与岸之间的水源称为泻湖 环礁 珊瑚礁体呈环带状生长发育 中央围成礁湖 礁湖与外海之间有水道相通 礁体一般呈椭圆形 大的直径可达数十公里 环礁均出现在大洋区 由于礁湖四周有礁体为屏障 湖内风浪很小 珊瑚礁还可以根据形态进行分类 点礁 又称斑点礁或补丁礁 礁体呈圆形或不规则状 往往形成与陆架浅海区 或者在泻湖或滨外海底一些较小的隆起上 形成孤立的小礁体 圆丘礁 又称礁丘 近于圆形的孤立的丘状礁 一般生长在陆架边缘或盆地中的单个基岩隆起上 塔礁 又称尖柱礁 一般为孤立锥状的礁体 礁体发育的海区水深也较大 马蹄礁 又称新月形礁 礁体突出面为迎风面 发育较好 背风面发育较差 以至形成马蹄形 多分布在开阔海域 层状礁 又称席状礁 礁体面积大而厚度薄 多分布于碳酸盐台地上 相当于生物礁层 小环礁 指位于浅滩或大陆架上的环状礁体 礁体往往成群出现 根据群体特征 可以分为以下几种礁群 线礁群 礁体呈线状排列 这种线状礁常与基地断裂有关 弧形或马蹄形礁群 由一些不连续的长条状礁体组成链状环 可围绕着碳酸盐台地边缘的高地生长 分散 孤立礁 碳酸盐台地中 不成群的孤立的礁体 根据抗浪性强弱礁体可以分为四类 生物骨架礁 有造架生物 包覆生物和被包覆的生物碎屑 非生物联结骨架礁 或称亮晶胶结的骨架礁 即生物碎屑由亮晶方解石胶结的碳酸盐沉积体 叠层石礁 礁的角砾块体由叠层石组成 灰泥格架礁 砾块由灰泥组成 缺乏生物碎屑的礁 影响珊瑚礁发育的因素 1 温度现代造礁珊瑚生活在海水中的年平均温度为20 一般认为海水温度在20 30 最适合珊瑚的生长发育 23 27 是珊瑚生长发育的最佳水温 所以现代珊瑚礁主要发育于南北纬30 之间 我国西沙群岛年平均水温在25 以上 夏季较少出现30 以上的高温 海南岛年平均水温在25 27 最低水温为21 所以整个南海区域都适合珊瑚礁的生长发育 一些藻类如虫黄藻与珊瑚之间具有共生关系 虫黄藻通过光合作用为珊瑚提供营养物质和氧气并清除其排放出的CO2和排泄物 另外虫黄藻为珊瑚提供色素 不同的虫黄藻具有不同的色素 它们附着在珊瑚上时就会使珊瑚出现不同的颜色 珊瑚表皮的荧光色素也可以保护虫黄藻 如果环境改变造成虫黄藻的大量离去会使珊瑚白化死亡 2 共生藻的作用 图中黄色球形的细胞 就是造礁珊瑚细胞内的共生藻 而透明的长条则是珊瑚的刺细胞 可以射出毒针 捕捉小生物 适合珊瑚生长的盐度范围为32 40 最佳范围是34 36 造礁珊瑚对高盐度海水表现了较强的耐受性 在某些海区盐度达到42 珊瑚仍可生长发育 低盐会影响珊瑚的生长与分布 快速的盐度降低会导致珊瑚白化死亡 与珊瑚共生的藻类对盐度的要求范围更广 3 盐度 一般认为最适合珊瑚和珊瑚礁发育的水深范围是从低潮线开始至水深20m左右的浅海区 在这一深度内 阳光能透射 微生物多 养料丰富 有利于珊瑚的生长发育 另一方面与珊瑚共生的单细胞虫黄藻的活动条件有关 所以有人认为珊瑚生长发育的水深范围实际上就是虫黄藻要求的20m以内的水深范围 随着深度的增加 珊瑚种 属显著减少 数量也减少 形态也有所变化 但是在世界许多地方也发现深水珊瑚和深水珊瑚礁 如在美国东海岸水深850m处发现珊瑚礁 4 深度 风浪 迎风浪的礁体发育好 平面上礁体向迎风方向突出 呈新月形或马蹄形 如果季风方向交替 则产生相背的双马蹄礁 因此可以根据古代礁体的形态判断古风向 恢复当时古地理环境 但是过强的风浪会对礁体产生破坏作用 海流 一般来说 中等强度的海流最有利于珊瑚的生长 过强的海流会使珊瑚体遭受侵蚀甚至毁灭性破坏 珊瑚礁多数分布在各大洋低纬度的西侧 那里是赤道暖流西流并转向而形成的温暖海区 有利于珊瑚的生长 浑浊度 海水浑浊 含大量泥沙或藻类 会使珊瑚礁窒息死亡 虽然一般珊瑚具有自身排污功能 但如果泥沙量大 珊瑚自身不能清除 便会窒息死亡 5 风浪 海流和浑浊度 6 海底地形无论对于大洋区或浅海区来说 珊瑚礁总是生长在海底的正地形 如大洋中的海底平顶山 海底火山和浅海大陆架的边缘堤以及构造隆起之上 7 基底性质珊瑚幼虫要固着在一个比较坚硬的基底上生长发育 大洋区的珊瑚礁几乎全部以火山岛和海底平顶山为生长基底 随着海山的下沉 珊瑚礁不断向上生长 礁体的形态和大小 在一定程度上决定于海底山 8 地壳运动和海平面升降 如果珊瑚礁基底不断下沉或海平面不断上升 基底下沉速度或海平面上升速度与珊瑚礁生长速度相适应 礁体则由岸礁发育为堤礁 堡礁 再发展为环礁 如果基底稳定 海平面变化稳定 则礁体发育为层状 如果基底下降快或海平面上升快 礁体则发育成塔状 有些藻类直接参与造礁 成为礁体的一部分 藻体破坏后的碎屑参与造礁 通常在珊瑚礁的生物碎屑中含20 50 的藻屑 珊瑚藻能使礁体内的生物碎屑和礁块之间以及礁块和礁块之间迅速粘结起来 变得坚硬 起到加固礁体的作用 藻类对珊瑚礁也有一定的破坏作用 当珊瑚藻大量覆盖礁体表面达到较大面积时 礁体本身的发育受到抑制 严重的可窒息致死 另外钻孔藻在礁体中钻孔 对礁体结构起破坏作用 9 藻类作用 11 河流作用河流带来的淡水和泥沙往往抑制珊瑚礁的发育 如在河口区不利于礁体的发育 10 溶蚀作用处于海平面以下的礁体 一面生长 一面又受到生物侵蚀作用和海水溶蚀作用 对于任何一个礁体 上述诸因素往往是同时起作用的 一般来说 在温度和盐度适合珊瑚礁发育的海区