2020, Vol. 44
文章信息
- 范庆超, 徐兆凯. 2020.
- FAN Qing-chao, XU Zhao-kai. 2020.
- 白垩纪大洋缺氧事件研究进展
- A review of Cretaceous ocean anoxia events
- 海洋科学, 44(2): 138-145
- Marina Sciences, 44(2): 138-145.
- http://dx.doi.org/10.11759/hykx20190303001
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文章历史
- 收稿日期：2019-03-03
- 修回日期：2019-03-29
2. 中国科学院海洋地质与环境重点实验室, 山东 青岛 266071;
3. 中国科学院大学, 北京 100049;
4. 青岛海洋科学与技术试点国家实验室海洋地质过程与环境功能实验室, 山东 青岛 266061;
5. 中国科学院海洋大科学研究中心, 山东 青岛 266071;
6. 中国科学院第四纪科学与全球变化卓越创新中心, 陕西 西安 710061
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
近年来, 随着大气中温室气体二氧化碳浓度的升高, 加速了全球范围内气候变暖的趋势, 并且该变化的发生速率远比现有气候模型所预期的要快, 要理解气候发生快速变化的风险, 就必须从长远的角度来看地球系统对大气温室气体升高的响应[1]。这也是国际深海钻探研究领域最前沿的国际合作计划——国际大洋发现计划(IODP)最核心的科学目标之一[2]。白垩纪中、晚期是地质历史上典型的极端暖室期, 如高纬度地区的古表层海水温度(SST)达到20~30℃, 在中、低纬度地区则高达30℃以上[3]; 而全球大气二氧化碳浓度在白垩纪中期高达约1 000~2 000 ppmV (ppmV表示二氧化碳体积比的单位为μL/L, 后同)[4], 到白垩纪晚期仍维持在500 ppmV以上[5]。此外, 该时间段还是全球超级地幔柱的强烈活跃期[6]。上述特殊的气候和构造条件为探究关键地质历史时期的碳循环过程、成因机制及其古气候环境效应等奠定了坚实的基础。
早在20世纪70年代, 由于深海钻探计划(DSDP)的实施, 在太平洋马尼希基高原发现了白垩纪时期的、以高有机质含量为特征的黑色沉积物, Schlanger和Jenkyn[7]发现此类黑色沉积物的分布具有全球性和同时性, 并认为其形成可能与白垩纪中某些特定地质历史时期中全球(或局部)海洋出现低氧到缺氧条件有关, 因此将形成这些沉积物的事件称为大洋缺氧事件(OAEs)。其定义为:海洋环境中大的地域范围里短期内(< 1 Ma)明显增强的有机碳(TOC)沉积阶段, 并往往与海洋和陆地沉积物中碳同位素的明显偏移相对应。
通过对白垩纪富含有机碳地层的研究, 人们发现白垩纪OAEs是多期次的, 主要发生在阿普特期(约125.0~113.0 Ma)—阿尔布期(约113.0~100.5 Ma)、赛诺曼期(约100.5~93.9 Ma)—土伦期(约93.9~89.8 Ma)的交界时期和康尼亚克期(约89.8~86.3 Ma)—三冬期(约86.3~83.6 Ma), 分别被称为OAE1、OAE2和OAE3, 而OAE1又可进一步划分为OAE1a(约120 Ma)、OAE1b(约111 Ma)、OAE1c(约105 Ma)和OAE1d(约100 Ma)四期。其中以OAE1a、OAE1b和OAE2这三次事件最为显著, 具有全球性分布特征; 而OAE1c和OAE3这两次事件则具有区域性分布特征:其中前者主要分布在古特提斯洋区域, 而后者则主要发现于大西洋地区[8]。值得注意的是, OAE1d事件最早是在古特提斯洋个别的海洋沉积岩中发现的, 被认为是区域性OAEs[8], 但随着后来该事件在大西洋[9]和加利福尼亚地区[10]的相继出现, OAE1d事件也有可能具有全球意义。由于白垩纪OAEs关系到碳循环、古海洋-古气候变化等一系列重大科学问题, 自其定义被提出以来, 科学家们对全球主要大洋盆地及地表出露的海相地层中记录到的白垩纪OAEs开展了一系列的研究工作, 本文在上述研究成果的基础上从TOC含量、碳同位素、古温度和锶同位素等地球化学特征及其古环境指示意义等方面综述该事件的研究进展, 以探究其成因机制以及地球系统对于大气温室气体浓度升高的响应。
1 白垩纪OAEs的标志性特征OAEs往往对应着TOC在短期内迅速而大量地埋藏, 其中白垩纪OAEs的标志性特征是在全球范围内广泛分布的黑色页岩[11]。这是一种泥质岩类, 一般由包含有机质和石英粉砂的黏土矿物组成, 其中TOC含量极高, 往往可达10%~30%。TOC埋藏量在阿普特早期迅速升高, 至阿尔布早期达到一个较高的值之后开始下降, 在赛诺曼末期埋藏量迅速增加, 至土仑早期埋藏量持续增加, 这段时间也正是TOC埋藏速率的高峰期[12-14]。
在空间分布上, 在阿普特早期的OAE1a中, 阿尔卑斯山、地中海地区的沉积物中TOC含量在2%~ 18%[15], 同时在美国加利福尼亚州的佛兰西斯科杂岩以及太平洋中部和北部的海底高原、海山等处均发现了高TOC含量并广泛分布的黑色页岩, 其中北太平洋沙茨基海隆沉积物中TOC的含量更是达到了40%以上[16]。在希腊西部发现的OAE1b沉积物中TOC的含量也达到了30%以上。赛诺曼期和土伦期交界的OAE2黑色页岩沉积在全球都有广泛分布, 其有机质含量整体偏高, 但不同海区沉积物的TOC含量有所差别。如加勒比海、大西洋、阿尔卑斯和地中海地区沉积物中TOC的含量在30%以上, 在印度洋埃克斯茅斯深海高原海洋沉积物中的TOC含量也达到了25%[17], 而太平洋多数海区沉积物的TOC含量则在8%~10%[11], 但在亚洲发现的黑色页岩沉积厚度和TOC含量都有明显降低, 如西藏地区OAE2沉积物中的TOC含量小于2%[18]。
OAEs中有机质埋藏增加的原因可能有以下几个方面: (1)海洋生物生产力的提高[19]。赛诺曼晚期—土伦早期的OAE2与海平面上升的高峰期是一致的, 全球海平面的抬升使得陆架海扩展, 暖盐水生物生产力增加, 而这又进一步影响到中—深层水团, 如北大西洋中层水(500~1 000 m)温度在赛诺曼末期突然从15℃上升到20℃[20], 且引起了深层水团上涌的增加, 从而导致了海洋中高的生物生产力[6], 如赤道大西洋在OAE2期间沉积物中Ba/Al比值的大幅升高[11]。此外, 大量地质温标记录显示OAEs期间大气温度升高, 可能加速了水文循环和陆地硅酸盐的化学风化作用, 而海洋沉积物中的锶同位素组成变化也证实了这一点, 从而引起了陆地入海营养物质的增加, 这也促进了海洋初级生产力的上升[15, 20]。(2)海洋底层水缺氧环境。目前已有大量证据证明在TOC的加速堆积阶段, 海洋处于缺氧状态。如在多次OAEs中发现了指示厌氧环境的生标化合物[15, 21]。又如在大西洋附近的OAEs沉积物中记录到了Mo同位素比值的明显升高, 而Mo同位素组成与其自身的赋存状态密切相关, 从氧化态-次氧化态到缺氧态(硫化态)其同位素值依次加重, 同时亲硫元素(如As、Bi、Cd、Co、Cr、Cu、Mo、Ni和Sb)以及一些变价元素(如Ti、Fe、V和U)的富集也证明了当时这种硫酸化海洋水体的存在[11]。而一些具有旋脊的浮游有孔虫、一些菊石类和底栖海洋生物在OAE2时期的贫乏也可能是由于此时广泛而强烈的缺氧环境造成了海洋中浅至中层生活环境的破坏[13]。生物生产力的上升促进了有机质的形成, 海洋的缺氧环境又有利于有机质的保存, 二者共同作用, 最终导致了OAEs中有机质埋藏量的显著增加。
2 白垩纪OAEs的碳稳定同位素特征自然界中的碳有两个基本储库:海相碳酸盐和TOC[22]。碳酸盐岩中的碳同位素相对富13C, 而沉积有机质中的碳同位素则相对富12C。碳循环以及碳同位素的演化实际上就是这两个基本碳库之间的转化:植物光合作用从大气二氧化碳中优先吸收12C, 将其固定在有机质中, 经过生物的呼吸及死亡分解氧化又会把富12C的碳返回到大气中, 从而构成了地球系统稳定的碳循环过程。在OAEs期间, 海洋浮游植物通过光合作用将更多的12C固定在有机质中, 由于此时海洋处于贫氧或者缺氧状态, 生物死亡后得不到充分、及时的氧化分解, 使得富含12C的大量有机质在海底埋藏, 从而导致海水和大气中的碳相对富集13C。由于海相碳酸盐岩与海水的碳同位素保持平衡, 因此海相碳酸盐岩的13C会发生正偏; 同时地球系统的碳循环过程继续进行, 植物将大气中相对富集13C的碳固定在有机质中, 因此新形成的沉积有机质中的13C也会发生正偏[23]。
对全世界范围内OAE2事件的研究结果也显示, 海洋碳酸盐岩和有机质中的13C均出现了不同程度的正偏移, 其偏幅约为2‰~5‰, 持续时间约为0.5 Ma[29]。如德国北部黑色页岩相记录到的OAE2事件显示, 碳酸盐岩和有机质中的13C正偏了2‰~3‰, 并且有机质中13C的偏移幅度相对更大[24-25]。又如藏南岗巴地区海相碳酸盐岩的13C含量在OAE2事件期间骤增, 达到2.7‰的正偏移量[26]。再如美国内陆海道地区沉积物中记录, OAE2事件中有机质13C的正偏移量为4‰, 碳酸盐岩13C的正偏移量为2‰[27]。而意大利中部翁布里亚-亚平宁山脉地区的黑色页岩沉积记录则显示, 有机质的13C在OAE2早期有3‰的负偏移, 但这可能与当时地面大规模火山活动所释放的温室气体有关[28]。
然而, OAE1a和OAE1b事件内的海相碳酸盐岩、有机质和生标化合物中碳同位素既有出现正偏移、又有出现负偏移的情况[30-31]。如在太平洋中部海山区ODP866站点, OAE1a中海相碳酸盐岩中碳同位素组成剖面变化开始于剧烈的13C负偏移(0.5‰~3.0‰), 随后13C升高并长期保持正偏[11]。此外, 在阿尔布早期的OAE1b时期, 13C也先发生1‰的负偏移, 随后升高并保持正偏[32-33]。这种现象表明在OAEs发生早期必定有偏轻的12C同位素进入到当时的海洋-大气系统中。同时, 研究还发现OAE1b早期的13C呈阶梯状下降, 表明富含12C的物质在极短时间内以快速脉冲的形式进入到海洋-大气系统中。据此可以推测这可能是火山排气作用[28]、天然气水合物分解[34]以及煤层热分解[35]单独或者共同作用的结果。比如现在一般认为OAE1a的发生是翁通-爪哇太平洋超级地幔柱喷发的结果[6, 36]。由于海底大规模火成岩省的活动导致了海水温度升高, 在短时间内使水合甲烷分解而释放出大量的二氧化碳进入到海洋-大气系统中, 从而造成了海洋-大气系统中碳同位素的显著变轻。
3 白垩纪OAEs的古海水温度背景前面已经提到, 白垩纪中、晚期全球气温处在一个整体偏高的水平, 是典型的极端暖室期。根据全球不同地区的底栖有孔虫氧同位素重建的古温度记录显示, 当时全球底层海水温度在8~20℃范围变化。从整体趋势上来看, 从115 Ma开始底层海水逐渐升温, 至97~91 Ma达到最高, 其后则开始缓慢降温, 至78 Ma左右达到8~12℃, 其后直至白垩纪结束则基本保持稳定[37]。
根据全球范围内大洋钻探(ODP)站位的浮游有孔虫氧同位素记录可知, 白垩纪中、晚期全球SST较现在也有显著的提高, 如白垩纪极热期赤道大西洋的SST可达33~34℃[38]。Norris和Wilson等[39]对30°N的ODP1052站点古海水温度的重建研究结果表明, 阿尔布期至早赛诺曼期的SST也达到了30~ 31℃。而高纬度地区的SST在白垩纪中、晚期同样有较大幅度的升温, 如南半球高纬度地区的SST在晚阿尔布期与赤道SST相差接近14℃, 但到了白垩纪极热期其差距则仅为0~4℃[40]。
海洋钙质超微化石的氧同位素则显示, 白垩纪多数的OAEs均发生在海水温度最高的时期前后, 但是在某些OAEs发生期间也会发生短暂的降温事件。如赤道大西洋DSDP367和ODP1260站位根据有孔虫氧同位素和生标化合物TEX86重建的古温度记录显示, 该海区在OAE2事件开始时SST先快速地从约33℃升温至35~36℃, 然后降温约4℃, 之后再次升温直到OAE2事件结束[41]。OAEs开始时期快速升温、之后发生降温的情况也发生在OAE1a和OAE1b事件期间。如赤道大西洋ODP1049站位有孔虫氧同位素数据显示, SST在OAE1b事件开始时快速上升了约8℃, 随后降温约3℃, 之后再次升温[42]。又如赤道太平洋DSDP463站高分辨率氧同位素数据显示, 在OAE1a开始时SST快速上升了约8℃, 之后则开始缓慢降温[43]。
4 OAEs期间的锶同位素相对丰度比值变化及其古环境指示意义87Sr相较于地幔更容易在地壳中富集, 因此常用海水中87Sr和86Sr的相对丰度之比87Sr/ 86Sr来指示海底热液活动和大陆化学风化作用[44-45]。87Sr/ 86Sr降低, 指示着海底火山热液活动的增强, 而其比值的升高则指示着大陆化学风化作用的加强。多数的OAEs前期往往对应着海底热液、火山活动的明显增强, 引起了87Sr/ 86Sr 的降低, 其后随着全球温度的升高, 引起了水文循环和大陆化学风化作用的增强以及87Sr/ 86Sr 的相应升高[31]。
对意大利某一碳酸盐岩台地中保存完好的双壳类生物方解石壳体的研究发现, 在赛诺曼—土伦期, 87Sr/86Sr 整体上呈现下降的趋势, 可能指示着热液源或其他镁铁质火成岩源地幔87Sr的补充。但在OAE2开始阶段, 87Sr/ 86Sr呈脉冲式升高, 说明该时期的水文循环和大陆化学风化作用都有着明显的增强, 并且也表明了大陆化学风化作用的增强效应足以掩盖地幔来源锶同位素的增加趋势[32, 46]。
在太平洋地区, 根据对ODP886站点海山区沉积物的研究发现, 在OAE1a早期, 87Sr/ 86Sr先是小幅度降低然后急剧升高。对于87Sr/86Sr的降低, jenkyns等人的解释是在该事件发生初期, 海水锶同位素受地幔成因非放射性锶同位素影响较大, 有热液源或其他镁铁质火成岩源获得的地幔锶同位素的补充; 之后大陆化学风化作用对于锶同位素变化起到了主要作用, 即OAE1a时期全球温度升高, 导致大陆化学风化作用加强, 致使锶同位素比值升高[32-33]。与之相类似, Bralower和Fullagar等[47]对大西洋地区多个DSDP站位的研究发现, 87Sr/ 86Sr在OAE1b时期显著升高, 也指示着当时全球温度的升高以及大陆化学风化作用的加强。
Ingram等[45]对亚平宁山脉东北部和威尼斯阿尔卑斯山脉地区白垩纪OAEs的研究结果显示, 在阿普特早期、阿尔布早期以及赛诺曼—土伦期交界的缺氧事件中, 整体上87Sr/ 86Sr都有一定程度的正偏, 指示着此时大陆化学风化作用和水文循环的相应加强。其中, 在阿普特早期和赛诺曼—土伦期的OAEs事件早期, 87Sr/ 86Sr有小幅度的负偏移, 表明OAEs初期海水锶同位素受到了地幔成因非放射性锶同位素的较大影响, 即存在热液源或其他镁铁质火成岩源地幔锶同位素的补充。而地幔源非放射性成因的锶同位素可能与海底扩张速率和板块俯冲速率的加快以及大火成岩省的活动有关。如OAE1a事件一般认为是与翁通-爪哇太平洋超级地幔柱的喷发活动有关[6, 36]。而OAE2早期海水锶同位素比值的降低也记录到了太平洋、加勒比海等地区广泛分布的海底火山活动[48]。
5 白垩纪OAEs的成因机制白垩纪OAEs的成因机制比较复杂, 涉及地球内、外各圈层的共同作用, 至今尚无定论。但总体而言, OAEs的发生可能与大火成岩省的活动密切相关(图 1)。白垩纪海底岩浆的大规模喷发改变了洋盆体积, 引发了海水温度和海平面的升高及全球性的海侵, 导致了海陆性质的改变, 加强了对太阳辐射的吸收, 最终促进了全球大气温度的升高[49]; 另一方面由于大规模的火山喷发, 引起地球内部大量热能和二氧化碳等温室气体的释放, 这也会引起大气温度的升高[50]。白垩纪中期大气二氧化碳浓度为现今大气二氧化碳浓度的9倍, 到晚白垩纪尚为现在的1.5倍; 白垩纪时期全球古海水温度也提高了3~ 8℃[41-43]。大气二氧化碳浓度和海水温度的提高是OAEs发生的前提, 即两者的升高会共同导致海水中溶解氧含量的下降, 是大洋缺氧环境的一个重要原因。同时由于海底大规模火山活动, 释放出大量的营养物质进入到底层海水中, 而底层海水因为温度的升高又会发生上涌, 从而引发海洋中大面积的生物生产力水平的上升[51]; 更何况全球气温的上升, 还会促进大陆化学风化作用和水文循环, 加强陆地营养物质向海洋的输送, 这也会使得海洋生物生产力大幅度提高[52]。海洋生物生产力的提高及其产物的向海底沉降和分解会进一步消耗水体中的氧气, 使得海洋中的缺氧环境进一步加剧。海底缺氧环境不利于有机质的氧化, 进而使其在海底得以有效埋藏和大量保存, 从而形成大洋缺氧时期全球范围内的黑色页岩沉积。
而且白垩纪时期的几次OAEs的成因机制也不尽相同。根据碳同位素研究结果可知, OAE1a事件初期的δ13C值负偏, 大量富含12C的物质进入海洋-大气系统, Larson认为这与翁通-爪哇太平洋超级地幔柱的喷发活动有着密切关系[6]。同时全球大火成岩省的大规模活动以及法拉龙板块向北美板块的俯冲引起的大陆边缘沉积物中天然气水合物的分解[34]也可能是OAE1a事件的诱发原因。上述活动共同作用, 导致大量的温室气体——二氧化碳释放到大气中, 引起了全球温度的升高以及地表化学风化作用和水循环的加强; 同时海洋中营养物质输入量的增加引起了大洋中钙质生物钙化速度的降低和硅质生物的大幅度繁盛, 引起了大洋酸化和底层水缺氧, 导致了碳酸盐台地的消失和黑色页岩的沉积[52]。
OAE1b在成因机制上表现出与OAE1a的差异性。OAE1b事件对应着多期的黑色页岩层, Erbacher等[42]通过分析北大西洋西赤道ODP 1049站位OAE1b段的浮游和底栖有孔虫稳定同位素组成, 认为SST的升高或者陆地淡水输入的增加, 造成了海水分层的加剧, 从而使得底层海水缺氧。而法国Vocontian盆地OAE1b事件的研究结果表明, 该事件可能与海洋生物生产力的提高有关[53-54]。此外, 根据对西班牙Basque Cantabrian盆地OAE1b的研究, Millan认为径流增加、海平面升高是OAE1b事件发生的重要原因[55]。总之, OAE1b事件的出现应该与气候变化、生产力和海平面波动等密切相关。
OAE2早期并没有δ13C的负偏, 表明此时的12C并没有大量进入到海洋-大气系统中, 而是表现为大量有机质在海洋中的形成和快速埋藏。因此OAE2的发生可能是由于全球大火成岩省的大规模活动, 释放出大量包括铁元素在内的营养物质到海洋中, 同时底层海水温度的上升还引起了富营养的中层水和底层水的上涌, 从而引发了海洋中大面积的、生物生产力水平的上升[51]。
6 结论与展望白垩纪OAEs是地质历史上极端气候时期的代表性事件, 将古论今, 通过研究白垩纪时期地球气候重大扰动的过程、成因和影响, 对于了解地球气候系统的运转机制、解决当今世界面临的“全球变暖”问题具有重大意义。白垩纪OAEs时期的古海水温度和大气二氧化碳浓度的升高是其发生的前提条件, 锶同位素相对丰度比值在该时期的升高还表明了当时大陆化学风化作用和水文循环的相应增强。由于此时大洋中高的生物生产力水平及缺氧性的海底环境, 使得大量的有机质得以埋藏和保存下来, 因此富含有机质的黑色页岩在全球的广泛分布是OAEs的标志性特征。此外, 缺氧事件时期有机质的大量埋藏, 还引起了海水δ13C的正偏移; 但部分缺氧事件初期的δ13C也会发生短暂的负偏移, 这与当时大量天然气水合物的分解有关。基于前人的长期研究工作可知, 白垩纪几次OAEs的成因虽不尽相同, 但总体而言主要源自于海底的大规模、剧烈火山活动。
当前对白垩纪OAEs研究最为深入的区域为大西洋/特提斯盆地及其周边陆地。但印度洋的相关记录则非常匮乏, 特别是南半球高纬度地区的相关报道迄今未见, 而这主要是由研究材料的限制造成的。即南半球高纬度地区现有的低取芯率DSDP和ODP钻孔根本无法满足进行当地典型白垩纪OAEs研究的需要, 致使许多关键科学问题迄今仍无法得到有效的解译。如南半球高纬度地区典型白垩纪OAEs期间的静海相状态是持续性的还是短暂性的？又如南半球高纬度地区典型白垩纪OAEs期间所沉积的黑色页岩中是否以微量元素富集的形式记录到了当时的火山活动这一典型白垩纪OAEs的潜在驱动机制？以及南半球高纬度地区OAE2中是否存在和北半球地区相同的短期降温事件(Plenus cold event)？
国际大洋发现计划(IODP)于2017年底在印度洋东南部执行了369航次, 并成功获取了典型白垩纪OAEs期间及其前后所形成的高质量、连续长岩芯沉积物, 为追踪南半球高纬度地区典型白垩纪OAEs的演化特征、形成机制及其古气候环境效应等提供了绝佳材料。在今后的研究工作中, 我们应重点探讨南半球高纬度地区典型白垩纪OAEs的演化历史以及火山活动、陆地风化、生物生产力和洋流循环等关键地质/气候因子在其形成演化过程中的重要性, 进而在与中-低纬度地区相关事件记录间进行系统对比的基础上, 探索典型白垩纪OAEs期间不同纬度地区在生物和地球化学响应上的异同, 最终查明南半球高纬度地区乃至全球范围内典型白垩纪OAEs的成因机制及其在全球碳循环中的作用。
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