范慶超, 徐兆凱

白堊紀(jì)大洋缺氧事件研究進(jìn)展

范慶超1, 2, 3, 徐兆凱1, 2, 4, 5, 6

(1. 中國科學(xué)院海洋研究所, 山東 青島 266071; 2. 中國科學(xué)院海洋地質(zhì)與環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 山東 青島 266071; 3. 中國科學(xué)院大學(xué), 北京 100049; 4. 青島海洋科學(xué)與技術(shù)試點(diǎn)國家實(shí)驗(yàn)室海洋地質(zhì)過程與環(huán)境功能實(shí)驗(yàn)室, 山東 青島 266061; 5. 中國科學(xué)院海洋大科學(xué)研究中心, 山東 青島 266071; 6. 中國科學(xué)院第四紀(jì)科學(xué)與全球變化卓越創(chuàng)新中心, 陜西 西安 710061)

系統(tǒng)總結(jié)了白堊紀(jì)OAEs的研究進(jìn)展, 重點(diǎn)討論了OAE1a、OAE1b和OAE2時(shí)期的有機(jī)碳(TOC)含量、碳同位素、古溫度和鍶同位素特征及其古環(huán)境指示意義, 綜合分析了白堊紀(jì)OAEs的成因機(jī)制。結(jié)果表明白堊紀(jì)OAEs的發(fā)生可能與該時(shí)期海底大規(guī)模的火山活動(dòng)以及由其引起的氣溫升高、碳水化合物大量分解、水文循環(huán)加快和海洋生物生產(chǎn)力提高等一系列變化有關(guān)。對于白堊紀(jì)OAEs演化特征和成因機(jī)制的深入研究具有重要借鑒意義。通過對白堊紀(jì)OAEs的綜合分析發(fā)現(xiàn), 當(dāng)前的研究區(qū)域主要集中在大西洋/特提斯盆地及其周邊陸地, 而對南半球高緯度地區(qū)的研究報(bào)道迄今未見, 從而無法對白堊紀(jì)OAEs進(jìn)行全球性對比和系統(tǒng)性研究。今后我們將重點(diǎn)圍繞南半球高緯度地區(qū)白堊紀(jì)OAEs的演化特征、成因機(jī)制及其古氣候環(huán)境效應(yīng)等進(jìn)行深入研究。

白堊紀(jì); 大洋缺氧事件; 碳循環(huán); 古環(huán)境

近年來, 隨著大氣中溫室氣體二氧化碳濃度的升高, 加速了全球范圍內(nèi)氣候變暖的趨勢, 并且該變化的發(fā)生速率遠(yuǎn)比現(xiàn)有氣候模型所預(yù)期的要快, 要理解氣候發(fā)生快速變化的風(fēng)險(xiǎn), 就必須從長遠(yuǎn)的角度來看地球系統(tǒng)對大氣溫室氣體升高的響應(yīng)[1]。這也是國際深海鉆探研究領(lǐng)域最前沿的國際合作計(jì)劃——國際大洋發(fā)現(xiàn)計(jì)劃(IODP)最核心的科學(xué)目標(biāo)之一[2]。白堊紀(jì)中、晚期是地質(zhì)歷史上典型的極端暖室期, 如高緯度地區(qū)的古表層海水溫度(SST)達(dá)到20~30℃, 在中、低緯度地區(qū)則高達(dá)30℃以上[3]; 而全球大氣二氧化碳濃度在白堊紀(jì)中期高達(dá)約1 000~2 000 ppmV (ppmV表示二氧化碳體積比的單位為μL/L, 后同)[4], 到白堊紀(jì)晚期仍維持在500 ppmV以上[5]。此外, 該時(shí)間段還是全球超級地幔柱的強(qiáng)烈活躍期[6]。上述特殊的氣候和構(gòu)造條件為探究關(guān)鍵地質(zhì)歷史時(shí)期的碳循環(huán)過程、成因機(jī)制及其古氣候環(huán)境效應(yīng)等奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

早在20世紀(jì)70年代, 由于深海鉆探計(jì)劃(DSDP)的實(shí)施, 在太平洋馬尼?；咴l(fā)現(xiàn)了白堊紀(jì)時(shí)期的、以高有機(jī)質(zhì)含量為特征的黑色沉積物, Schlanger和Jenkyn[7]發(fā)現(xiàn)此類黑色沉積物的分布具有全球性和同時(shí)性, 并認(rèn)為其形成可能與白堊紀(jì)中某些特定地質(zhì)歷史時(shí)期中全球(或局部)海洋出現(xiàn)低氧到缺氧條件有關(guān), 因此將形成這些沉積物的事件稱為大洋缺氧事件(OAEs)。其定義為: 海洋環(huán)境中大的地域范圍里短期內(nèi)(<1 Ma)明顯增強(qiáng)的有機(jī)碳(TOC)沉積階段, 并往往與海洋和陸地沉積物中碳同位素的明顯偏移相對應(yīng)。

通過對白堊紀(jì)富含有機(jī)碳地層的研究, 人們發(fā)現(xiàn)白堊紀(jì)OAEs是多期次的, 主要發(fā)生在阿普特期(約125.0~113.0 Ma)—阿爾布期(約113.0~100.5 Ma)、賽諾曼期(約100.5~93.9 Ma)—土倫期(約93.9~89.8 Ma)的交界時(shí)期和康尼亞克期(約89.8~86.3 Ma)—三冬期(約86.3~83.6 Ma), 分別被稱為OAE1、OAE2和OAE3, 而OAE1又可進(jìn)一步劃分為OAE1a(約120 Ma)、OAE1b(約111 Ma)、OAE1c(約105 Ma)和OAE1d(約100 Ma) 四期。其中以O(shè)AE1a、OAE1b和OAE2這三次事件最為顯著, 具有全球性分布特征; 而OAE1c和OAE3這兩次事件則具有區(qū)域性分布特征: 其中前者主要分布在古特提斯洋區(qū)域, 而后者則主要發(fā)現(xiàn)于大西洋地區(qū)[8]。值得注意的是, OAE1d事件最早是在古特提斯洋個(gè)別的海洋沉積巖中發(fā)現(xiàn)的, 被認(rèn)為是區(qū)域性O(shè)AEs[8], 但隨著后來該事件在大西洋[9]和加利福尼亞地區(qū)[10]的相繼出現(xiàn), OAE1d事件也有可能具有全球意義。由于白堊紀(jì)OAEs關(guān)系到碳循環(huán)、古海洋-古氣候變化等一系列重大科學(xué)問題, 自其定義被提出以來, 科學(xué)家們對全球主要大洋盆地及地表出露的海相地層中記錄到的白堊紀(jì)OAEs開展了一系列的研究工作, 本文在上述研究成果的基礎(chǔ)上從TOC含量、碳同位素、古溫度和鍶同位素等地球化學(xué)特征及其古環(huán)境指示意義等方面綜述該事件的研究進(jìn)展, 以探究其成因機(jī)制以及地球系統(tǒng)對于大氣溫室氣體濃度升高的響應(yīng)。

1 白堊紀(jì)OAEs的標(biāo)志性特征

OAEs往往對應(yīng)著TOC在短期內(nèi)迅速而大量地埋藏, 其中白堊紀(jì)OAEs的標(biāo)志性特征是在全球范圍內(nèi)廣泛分布的黑色頁巖[11]。這是一種泥質(zhì)巖類, 一般由包含有機(jī)質(zhì)和石英粉砂的黏土礦物組成, 其中TOC含量極高, 往往可達(dá)10%~30%。TOC埋藏量在阿普特早期迅速升高, 至阿爾布早期達(dá)到一個(gè)較高的值之后開始下降, 在賽諾曼末期埋藏量迅速增加, 至土侖早期埋藏量持續(xù)增加, 這段時(shí)間也正是TOC埋藏速率的高峰期[12-14]。

在空間分布上, 在阿普特早期的OAE1a中, 阿爾卑斯山、地中海地區(qū)的沉積物中TOC含量在2%~ 18%[15], 同時(shí)在美國加利福尼亞州的佛蘭西斯科雜巖以及太平洋中部和北部的海底高原、海山等處均發(fā)現(xiàn)了高TOC含量并廣泛分布的黑色頁巖, 其中北太平洋沙茨基海隆沉積物中TOC的含量更是達(dá)到了40%以上[16]。在希臘西部發(fā)現(xiàn)的OAE1b沉積物中TOC的含量也達(dá)到了30%以上。賽諾曼期和土倫期交界的OAE2黑色頁巖沉積在全球都有廣泛分布, 其有機(jī)質(zhì)含量整體偏高, 但不同海區(qū)沉積物的TOC含量有所差別。如加勒比海、大西洋、阿爾卑斯和地中海地區(qū)沉積物中TOC的含量在30%以上, 在印度洋埃克斯茅斯深海高原海洋沉積物中的TOC含量也達(dá)到了25%[17], 而太平洋多數(shù)海區(qū)沉積物的TOC含量則在8%~10%[11], 但在亞洲發(fā)現(xiàn)的黑色頁巖沉積厚度和TOC含量都有明顯降低, 如西藏地區(qū)OAE2沉積物中的TOC含量小于2%[18]。

OAEs中有機(jī)質(zhì)埋藏增加的原因可能有以下幾個(gè)方面: (1)海洋生物生產(chǎn)力的提高[19]。賽諾曼晚期—土倫早期的OAE2與海平面上升的高峰期是一致的, 全球海平面的抬升使得陸架海擴(kuò)展, 暖鹽水生物生產(chǎn)力增加, 而這又進(jìn)一步影響到中—深層水團(tuán), 如北大西洋中層水(500~1 000 m)溫度在賽諾曼末期突然從15℃上升到20℃[20], 且引起了深層水團(tuán)上涌的增加, 從而導(dǎo)致了海洋中高的生物生產(chǎn)力[6], 如赤道大西洋在OAE2期間沉積物中Ba/Al比值的大幅升高[11]。此外, 大量地質(zhì)溫標(biāo)記錄顯示OAEs期間大氣溫度升高, 可能加速了水文循環(huán)和陸地硅酸鹽的化學(xué)風(fēng)化作用, 而海洋沉積物中的鍶同位素組成變化也證實(shí)了這一點(diǎn), 從而引起了陸地入海營養(yǎng)物質(zhì)的增加, 這也促進(jìn)了海洋初級生產(chǎn)力的上升[15, 20]。(2)海洋底層水缺氧環(huán)境。目前已有大量證據(jù)證明在TOC的加速堆積階段, 海洋處于缺氧狀態(tài)。如在多次OAEs中發(fā)現(xiàn)了指示厭氧環(huán)境的生標(biāo)化合物[15, 21]。又如在大西洋附近的OAEs沉積物中記錄到了Mo同位素比值的明顯升高, 而Mo同位素組成與其自身的賦存狀態(tài)密切相關(guān), 從氧化態(tài)-次氧化態(tài)到缺氧態(tài)(硫化態(tài))其同位素值依次加重, 同時(shí)親硫元素(如As、Bi、Cd、Co、Cr、Cu、Mo、Ni和Sb)以及一些變價(jià)元素(如Ti、Fe、V和U)的富集也證明了當(dāng)時(shí)這種硫酸化海洋水體的存在[11]。而一些具有旋脊的浮游有孔蟲、一些菊石類和底棲海洋生物在OAE2時(shí)期的貧乏也可能是由于此時(shí)廣泛而強(qiáng)烈的缺氧環(huán)境造成了海洋中淺至中層生活環(huán)境的破壞[13]。生物生產(chǎn)力的上升促進(jìn)了有機(jī)質(zhì)的形成, 海洋的缺氧環(huán)境又有利于有機(jī)質(zhì)的保存, 二者共同作用, 最終導(dǎo)致了OAEs中有機(jī)質(zhì)埋藏量的顯著增加。

2 白堊紀(jì)OAEs的碳穩(wěn)定同位素特征

自然界中的碳有兩個(gè)基本儲庫: 海相碳酸鹽和TOC[22]。碳酸鹽巖中的碳同位素相對富13C, 而沉積有機(jī)質(zhì)中的碳同位素則相對富12C。碳循環(huán)以及碳同位素的演化實(shí)際上就是這兩個(gè)基本碳庫之間的轉(zhuǎn)化: 植物光合作用從大氣二氧化碳中優(yōu)先吸收12C, 將其固定在有機(jī)質(zhì)中, 經(jīng)過生物的呼吸及死亡分解氧化又會把富12C的碳返回到大氣中, 從而構(gòu)成了地球系統(tǒng)穩(wěn)定的碳循環(huán)過程。在OAEs期間, 海洋浮游植物通過光合作用將更多的12C固定在有機(jī)質(zhì)中, 由于此時(shí)海洋處于貧氧或者缺氧狀態(tài), 生物死亡后得不到充分、及時(shí)的氧化分解, 使得富含12C的大量有機(jī)質(zhì)在海底埋藏, 從而導(dǎo)致海水和大氣中的碳相對富集13C。由于海相碳酸鹽巖與海水的碳同位素保持平衡, 因此海相碳酸鹽巖的13C會發(fā)生正偏; 同時(shí)地球系統(tǒng)的碳循環(huán)過程繼續(xù)進(jìn)行, 植物將大氣中相對富集13C的碳固定在有機(jī)質(zhì)中, 因此新形成的沉積有機(jī)質(zhì)中的13C也會發(fā)生正偏[23]。

對全世界范圍內(nèi)OAE2事件的研究結(jié)果也顯示, 海洋碳酸鹽巖和有機(jī)質(zhì)中的13C均出現(xiàn)了不同程度的正偏移, 其偏幅約為2‰~5‰, 持續(xù)時(shí)間約為0.5 Ma[29]。如德國北部黑色頁巖相記錄到的OAE2事件顯示, 碳酸鹽巖和有機(jī)質(zhì)中的13C正偏了2‰~3‰, 并且有機(jī)質(zhì)中13C的偏移幅度相對更大[24-25]。又如藏南崗巴地區(qū)海相碳酸鹽巖的13C含量在OAE2事件期間驟增, 達(dá)到2.7‰的正偏移量[26]。再如美國內(nèi)陸海道地區(qū)沉積物中記錄, OAE2事件中有機(jī)質(zhì)13C的正偏移量為4‰, 碳酸鹽巖13C的正偏移量為2‰[27]。而意大利中部翁布里亞-亞平寧山脈地區(qū)的黑色頁巖沉積記錄則顯示, 有機(jī)質(zhì)的13C在OAE2早期有3‰的負(fù)偏移, 但這可能與當(dāng)時(shí)地面大規(guī)?；鹕交顒?dòng)所釋放的溫室氣體有關(guān)[28]。

然而, OAE1a和OAE1b事件內(nèi)的海相碳酸鹽巖、有機(jī)質(zhì)和生標(biāo)化合物中碳同位素既有出現(xiàn)正偏移、又有出現(xiàn)負(fù)偏移的情況[30-31]。如在太平洋中部海山區(qū)ODP866站點(diǎn), OAE1a中海相碳酸鹽巖中碳同位素組成剖面變化開始于劇烈的13C負(fù)偏移(0.5‰~3.0‰), 隨后13C升高并長期保持正偏[11]。此外, 在阿爾布早期的OAE1b時(shí)期,13C也先發(fā)生1‰的負(fù)偏移, 隨后升高并保持正偏[32-33]。這種現(xiàn)象表明在OAEs發(fā)生早期必定有偏輕的12C同位素進(jìn)入到當(dāng)時(shí)的海洋-大氣系統(tǒng)中。同時(shí), 研究還發(fā)現(xiàn)OAE1b早期的13C呈階梯狀下降, 表明富含12C的物質(zhì)在極短時(shí)間內(nèi)以快速脈沖的形式進(jìn)入到海洋-大氣系統(tǒng)中。據(jù)此可以推測這可能是火山排氣作用[28]、天然氣水合物分解[34]以及煤層熱分解[35]單獨(dú)或者共同作用的結(jié)果。比如現(xiàn)在一般認(rèn)為OAE1a的發(fā)生是翁通-爪哇太平洋超級地幔柱噴發(fā)的結(jié)果[6, 36]。由于海底大規(guī)?；鸪蓭r省的活動(dòng)導(dǎo)致了海水溫度升高, 在短時(shí)間內(nèi)使水合甲烷分解而釋放出大量的二氧化碳進(jìn)入到海洋-大氣系統(tǒng)中, 從而造成了海洋-大氣系統(tǒng)中碳同位素的顯著變輕。

3 白堊紀(jì)OAEs的古海水溫度背景

前面已經(jīng)提到, 白堊紀(jì)中、晚期全球氣溫處在一個(gè)整體偏高的水平, 是典型的極端暖室期。根據(jù)全球不同地區(qū)的底棲有孔蟲氧同位素重建的古溫度記錄顯示, 當(dāng)時(shí)全球底層海水溫度在8~20℃范圍變化。從整體趨勢上來看, 從115 Ma開始底層海水逐漸升溫, 至97~91 Ma達(dá)到最高, 其后則開始緩慢降溫, 至78 Ma左右達(dá)到8~12℃, 其后直至白堊紀(jì)結(jié)束則基本保持穩(wěn)定[37]。

根據(jù)全球范圍內(nèi)大洋鉆探(ODP)站位的浮游有孔蟲氧同位素記錄可知, 白堊紀(jì)中、晚期全球SST較現(xiàn)在也有顯著的提高, 如白堊紀(jì)極熱期赤道大西洋的SST可達(dá)33~34℃[38]。Norris 和Wilson等[39]對30°N的ODP1052站點(diǎn)古海水溫度的重建研究結(jié)果表明, 阿爾布期至早賽諾曼期的SST也達(dá)到了30~ 31℃。而高緯度地區(qū)的SST在白堊紀(jì)中、晚期同樣有較大幅度的升溫, 如南半球高緯度地區(qū)的SST在晚阿爾布期與赤道SST相差接近14℃, 但到了白堊紀(jì)極熱期其差距則僅為0~4℃[40]。

海洋鈣質(zhì)超微化石的氧同位素則顯示, 白堊紀(jì)多數(shù)的OAEs均發(fā)生在海水溫度最高的時(shí)期前后, 但是在某些OAEs發(fā)生期間也會發(fā)生短暫的降溫事件。如赤道大西洋DSDP367和ODP1260站位根據(jù)有孔蟲氧同位素和生標(biāo)化合物TEX86重建的古溫度記錄顯示, 該海區(qū)在OAE2事件開始時(shí)SST先快速地從約33℃升溫至35~36℃, 然后降溫約4℃, 之后再次升溫直到OAE2事件結(jié)束[41]。OAEs開始時(shí)期快速升溫、之后發(fā)生降溫的情況也發(fā)生在OAE1a和OAE1b事件期間。如赤道大西洋ODP1049站位有孔蟲氧同位素?cái)?shù)據(jù)顯示, SST在OAE1b事件開始時(shí)快速上升了約8℃, 隨后降溫約3℃, 之后再次升溫[42]。又如赤道太平洋DSDP463站高分辨率氧同位素?cái)?shù)據(jù)顯示, 在OAE1a開始時(shí)SST快速上升了約8℃, 之后則開始緩慢降溫[43]。

4 OAEs期間的鍶同位素相對豐度比值變化及其古環(huán)境指示意義

87Sr相較于地幔更容易在地殼中富集, 因此常用海水中87Sr和86Sr的相對豐度之比87Sr/86Sr來指示海底熱液活動(dòng)和大陸化學(xué)風(fēng)化作用[44-45]。87Sr/86Sr降低, 指示著海底火山熱液活動(dòng)的增強(qiáng), 而其比值的升高則指示著大陸化學(xué)風(fēng)化作用的加強(qiáng)。多數(shù)的OAEs前期往往對應(yīng)著海底熱液、火山活動(dòng)的明顯增強(qiáng), 引起了87Sr/86Sr的降低, 其后隨著全球溫度的升高, 引起了水文循環(huán)和大陸化學(xué)風(fēng)化作用的增強(qiáng)以及87Sr/86Sr的相應(yīng)升高[31]。

對意大利某一碳酸鹽巖臺地中保存完好的雙殼類生物方解石殼體的研究發(fā)現(xiàn), 在賽諾曼—土倫期,87Sr/86Sr整體上呈現(xiàn)下降的趨勢, 可能指示著熱液源或其他鎂鐵質(zhì)火成巖源地幔87Sr的補(bǔ)充。但在OAE2開始階段,87Sr/86Sr呈脈沖式升高, 說明該時(shí)期的水文循環(huán)和大陸化學(xué)風(fēng)化作用都有著明顯的增強(qiáng), 并且也表明了大陸化學(xué)風(fēng)化作用的增強(qiáng)效應(yīng)足以掩蓋地幔來源鍶同位素的增加趨勢[32, 46]。

在太平洋地區(qū), 根據(jù)對ODP886站點(diǎn)海山區(qū)沉積物的研究發(fā)現(xiàn), 在OAE1a早期,87Sr/86Sr先是小幅度降低然后急劇升高。對于87Sr/86Sr的降低, jenkyns等人的解釋是在該事件發(fā)生初期, 海水鍶同位素受地幔成因非放射性鍶同位素影響較大, 有熱液源或其他鎂鐵質(zhì)火成巖源獲得的地幔鍶同位素的補(bǔ)充; 之后大陸化學(xué)風(fēng)化作用對于鍶同位素變化起到了主要作用, 即OAE1a時(shí)期全球溫度升高, 導(dǎo)致大陸化學(xué)風(fēng)化作用加強(qiáng), 致使鍶同位素比值升高[32-33]。與之相類似, Bralower和Fullagar等[47]對大西洋地區(qū)多個(gè)DSDP站位的研究發(fā)現(xiàn),87Sr/86Sr在OAE1b時(shí)期顯著升高, 也指示著當(dāng)時(shí)全球溫度的升高以及大陸化學(xué)風(fēng)化作用的加強(qiáng)。

Ingram等[45]對亞平寧山脈東北部和威尼斯阿爾卑斯山脈地區(qū)白堊紀(jì)OAEs的研究結(jié)果顯示, 在阿普特早期、阿爾布早期以及賽諾曼—土倫期交界的缺氧事件中, 整體上87Sr/86Sr都有一定程度的正偏, 指示著此時(shí)大陸化學(xué)風(fēng)化作用和水文循環(huán)的相應(yīng)加強(qiáng)。其中, 在阿普特早期和賽諾曼—土倫期的OAEs事件早期,87Sr/86Sr有小幅度的負(fù)偏移, 表明OAEs初期海水鍶同位素受到了地幔成因非放射性鍶同位素的較大影響, 即存在熱液源或其他鎂鐵質(zhì)火成巖源地幔鍶同位素的補(bǔ)充。而地幔源非放射性成因的鍶同位素可能與海底擴(kuò)張速率和板塊俯沖速率的加快以及大火成巖省的活動(dòng)有關(guān)。如OAE1a事件一般認(rèn)為是與翁通-爪哇太平洋超級地幔柱的噴發(fā)活動(dòng)有關(guān)[6, 36]。而OAE2早期海水鍶同位素比值的降低也記錄到了太平洋、加勒比海等地區(qū)廣泛分布的海底火山活動(dòng)[48]。

5 白堊紀(jì)OAEs的成因機(jī)制

白堊紀(jì)OAEs的成因機(jī)制比較復(fù)雜, 涉及地球內(nèi)、外各圈層的共同作用, 至今尚無定論。但總體而言, OAEs的發(fā)生可能與大火成巖省的活動(dòng)密切相關(guān)(圖1)。白堊紀(jì)海底巖漿的大規(guī)模噴發(fā)改變了洋盆體積, 引發(fā)了海水溫度和海平面的升高及全球性的海侵, 導(dǎo)致了海陸性質(zhì)的改變, 加強(qiáng)了對太陽輻射的吸收, 最終促進(jìn)了全球大氣溫度的升高[49]; 另一方面由于大規(guī)模的火山噴發(fā), 引起地球內(nèi)部大量熱能和二氧化碳等溫室氣體的釋放, 這也會引起大氣溫度的升高[50]。白堊紀(jì)中期大氣二氧化碳濃度為現(xiàn)今大氣二氧化碳濃度的9倍, 到晚白堊紀(jì)尚為現(xiàn)在的1.5倍; 白堊紀(jì)時(shí)期全球古海水溫度也提高了3~ 8℃[41-43]。大氣二氧化碳濃度和海水溫度的提高是OAEs發(fā)生的前提, 即兩者的升高會共同導(dǎo)致海水中溶解氧含量的下降, 是大洋缺氧環(huán)境的一個(gè)重要原因。同時(shí)由于海底大規(guī)?；鹕交顒?dòng), 釋放出大量的營養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)入到底層海水中, 而底層海水因?yàn)闇囟鹊纳哂謺l(fā)生上涌, 從而引發(fā)海洋中大面積的生物生產(chǎn)力水平的上升[51]; 更何況全球氣溫的上升, 還會促進(jìn)大陸化學(xué)風(fēng)化作用和水文循環(huán), 加強(qiáng)陸地營養(yǎng)物質(zhì)向海洋的輸送, 這也會使得海洋生物生產(chǎn)力大幅度提高[52]。海洋生物生產(chǎn)力的提高及其產(chǎn)物的向海底沉降和分解會進(jìn)一步消耗水體中的氧氣, 使得海洋中的缺氧環(huán)境進(jìn)一步加劇。海底缺氧環(huán)境不利于有機(jī)質(zhì)的氧化, 進(jìn)而使其在海底得以有效埋藏和大量保存, 從而形成大洋缺氧時(shí)期全球范圍內(nèi)的黑色頁巖沉積。

而且白堊紀(jì)時(shí)期的幾次OAEs的成因機(jī)制也不盡相同。根據(jù)碳同位素研究結(jié)果可知, OAE1a事件初期的13C值負(fù)偏, 大量富含12C的物質(zhì)進(jìn)入海洋-大氣系統(tǒng), Larson認(rèn)為這與翁通-爪哇太平洋超級地幔柱的噴發(fā)活動(dòng)有著密切關(guān)系[6]。同時(shí)全球大火成巖省的大規(guī)?；顒?dòng)以及法拉龍板塊向北美板塊的俯沖引起的大陸邊緣沉積物中天然氣水合物的分解[34]也可能是OAE1a事件的誘發(fā)原因。上述活動(dòng)共同作用, 導(dǎo)致大量的溫室氣體——二氧化碳釋放到大氣中, 引起了全球溫度的升高以及地表化學(xué)風(fēng)化作用和水循環(huán)的加強(qiáng); 同時(shí)海洋中營養(yǎng)物質(zhì)輸入量的增加引起了大洋中鈣質(zhì)生物鈣化速度的降低和硅質(zhì)生物的大幅度繁盛, 引起了大洋酸化和底層水缺氧, 導(dǎo)致了碳酸鹽臺地的消失和黑色頁巖的沉積[52]。

OAE1b在成因機(jī)制上表現(xiàn)出與OAE1a的差異性。OAE1b事件對應(yīng)著多期的黑色頁巖層, Erbacher等[42]通過分析北大西洋西赤道ODP 1049站位OAE1b段的浮游和底棲有孔蟲穩(wěn)定同位素組成, 認(rèn)為SST的升高或者陸地淡水輸入的增加, 造成了海水分層的加劇, 從而使得底層海水缺氧。而法國 Vocontian盆地OAE1b事件的研究結(jié)果表明, 該事件可能與海洋生物生產(chǎn)力的提高有關(guān)[53-54]。此外, 根據(jù)對西班牙Basque Cantabrian盆地OAE1b的研究, Millan認(rèn)為徑流增加、海平面升高是OAE1b事件發(fā)生的重要原因[55]?？傊? OAE1b事件的出現(xiàn)應(yīng)該與氣候變化、生產(chǎn)力和海平面波動(dòng)等密切相關(guān)。

圖1 白堊紀(jì)OAEs成因模式圖[52]

OAE2早期并沒有13C的負(fù)偏, 表明此時(shí)的12C并沒有大量進(jìn)入到海洋-大氣系統(tǒng)中, 而是表現(xiàn)為大量有機(jī)質(zhì)在海洋中的形成和快速埋藏。因此OAE2的發(fā)生可能是由于全球大火成巖省的大規(guī)?；顒?dòng), 釋放出大量包括鐵元素在內(nèi)的營養(yǎng)物質(zhì)到海洋中, 同時(shí)底層海水溫度的上升還引起了富營養(yǎng)的中層水和底層水的上涌, 從而引發(fā)了海洋中大面積的、生物生產(chǎn)力水平的上升[51]。

6 結(jié)論與展望

白堊紀(jì)OAEs是地質(zhì)歷史上極端氣候時(shí)期的代表性事件, 將古論今, 通過研究白堊紀(jì)時(shí)期地球氣候重大擾動(dòng)的過程、成因和影響, 對于了解地球氣候系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)制、解決當(dāng)今世界面臨的“全球變暖”問題具有重大意義。白堊紀(jì)OAEs時(shí)期的古海水溫度和大氣二氧化碳濃度的升高是其發(fā)生的前提條件, 鍶同位素相對豐度比值在該時(shí)期的升高還表明了當(dāng)時(shí)大陸化學(xué)風(fēng)化作用和水文循環(huán)的相應(yīng)增強(qiáng)。由于此時(shí)大洋中高的生物生產(chǎn)力水平及缺氧性的海底環(huán)境, 使得大量的有機(jī)質(zhì)得以埋藏和保存下來, 因此富含有機(jī)質(zhì)的黑色頁巖在全球的廣泛分布是OAEs的標(biāo)志性特征。此外, 缺氧事件時(shí)期有機(jī)質(zhì)的大量埋藏, 還引起了海水13C的正偏移; 但部分缺氧事件初期的13C也會發(fā)生短暫的負(fù)偏移, 這與當(dāng)時(shí)大量天然氣水合物的分解有關(guān)?；谇叭说拈L期研究工作可知, 白堊紀(jì)幾次OAEs的成因雖不盡相同, 但總體而言主要源自于海底的大規(guī)模、劇烈火山活動(dòng)。

當(dāng)前對白堊紀(jì)OAEs研究最為深入的區(qū)域?yàn)榇笪餮?特提斯盆地及其周邊陸地。但印度洋的相關(guān)記錄則非常匱乏, 特別是南半球高緯度地區(qū)的相關(guān)報(bào)道迄今未見, 而這主要是由研究材料的限制造成的。即南半球高緯度地區(qū)現(xiàn)有的低取芯率DSDP和ODP鉆孔根本無法滿足進(jìn)行當(dāng)?shù)氐湫桶讏准o(jì)OAEs研究的需要, 致使許多關(guān)鍵科學(xué)問題迄今仍無法得到有效的解譯。如南半球高緯度地區(qū)典型白堊紀(jì)OAEs期間的靜海相狀態(tài)是持續(xù)性的還是短暫性的？又如南半球高緯度地區(qū)典型白堊紀(jì)OAEs期間所沉積的黑色頁巖中是否以微量元素富集的形式記錄到了當(dāng)時(shí)的火山活動(dòng)這一典型白堊紀(jì)OAEs的潛在驅(qū)動(dòng)機(jī)制？以及南半球高緯度地區(qū) OAE2 中是否存在和北半球地區(qū)相同的短期降溫事件(Plenus cold event)？

國際大洋發(fā)現(xiàn)計(jì)劃(IODP)于2017年底在印度洋東南部執(zhí)行了369航次, 并成功獲取了典型白堊紀(jì)OAEs期間及其前后所形成的高質(zhì)量、連續(xù)長巖芯沉積物, 為追蹤南半球高緯度地區(qū)典型白堊紀(jì)OAEs的演化特征、形成機(jī)制及其古氣候環(huán)境效應(yīng)等提供了絕佳材料。在今后的研究工作中, 我們應(yīng)重點(diǎn)探討南半球高緯度地區(qū)典型白堊紀(jì)OAEs的演化歷史以及火山活動(dòng)、陸地風(fēng)化、生物生產(chǎn)力和洋流循環(huán)等關(guān)鍵地質(zhì)/氣候因子在其形成演化過程中的重要性, 進(jìn)而在與中-低緯度地區(qū)相關(guān)事件記錄間進(jìn)行系統(tǒng)對比的基礎(chǔ)上, 探索典型白堊紀(jì)OAEs期間不同緯度地區(qū)在生物和地球化學(xué)響應(yīng)上的異同, 最終查明南半球高緯度地區(qū)乃至全球范圍內(nèi)典型白堊紀(jì)OAEs的成因機(jī)制及其在全球碳循環(huán)中的作用。

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A review of Cretaceous ocean anoxia events

FAN Qing-chao1, 2, 3, XU Zhao-kai1, 2, 4, 5, 6

(1. Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266071, China; 2. CAS Key Laboratory of Marine Geology and Environment, Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266071, China; 3. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China; 4.Laboratory for Marine Geology and Environment, Pilot National Laboratory for Marine Science and Technology (Qingdao), Qingdao 266061, China; 5. Center for Ocean Mega-Science, Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266071, China; 6. CAS Center for Excellence in Quaternary Science and Global Change, Xi'an 710061, China)

This paper reviews the research progress on Cretaceous oceanic anoxic events (OAEs), focusing on total organic carbon (TOC) content, carbon isotopes, paleotemperature, Sr isotope characteristics, and their potential significance in the paleoenvironment during the periods of OAE1a, OAE1b, and OAE2. The mechanisms of the genesis of Cretaceous OAEs were comprehensively analyzed. The results show that the occurrence of Cretaceous OAEs may be related to large-scale submarine volcanism during these periods and its impacts, which include an increase in atmospheric temperature, massive decomposition of carbohydrates, acceleration of hydrological cycles, and an increase in marine biological productivity. It is of great significance to further study the evolutionary characteristics and genetic mechanisms of Cretaceous OAEs. Moreover, it is found that current research on Cretaceous OAEs mainly focuses on the Atlantic/Tethys Basin and its surrounding lands; a systematic study of Cretaceous OAEs in the high latitudes of the Southern Hemisphere has not yet been conducted. In the future, we will focus on the evolutionary characteristics, genetic mechanisms, and paleoclimatic and environmental effects of the Cretaceous OAEs in the high latitudes of the Southern Hemisphere.

Cretaceous; oceanic anoxic events; carbon cycle; paleoenvironment

Mar. 3, 2019

[National Natural Science Foundation of China, No. 41876034]

P736.21

A

1000-3096(2020)02-0138-08

10.11759/hykx20190303001

2019-03-03;

2019-03-29

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41876034)

范慶超(1995-), 男, 山東青島人, 碩士研究生, 主要從事海洋地質(zhì)學(xué)研究, 電話: 19801268283, E-mail: qingchao_fan@163.com; 徐兆凱(1978-), 男,通信作者, 研究員, 主要從事海洋地質(zhì)學(xué)研究, 電話: 0532-82898835, E-mail: zhaokaixu@qdio.ac.cn

(本文編輯: 劉珊珊 李曉燕)