第四紀(jì)地質(zhì)與環(huán)境：第九章 古海洋環(huán)境2

1、第二節(jié)古洋流、海水古溫度一、古洋流研究方法概述1、表層流 模擬法：物理模擬與數(shù)學(xué)模擬全球環(huán)流系統(tǒng) 古生物地理法： 海流標(biāo)志生物群 古溫度、古鹽度法：再造古洋流的主要方法，利用微體古生物法、穩(wěn)定同位素等方法求出古溫度在平面上的分布格局，便不難繪出相應(yīng)的古洋流圖。2、底層流沉積學(xué)法：運(yùn)用沉積學(xué)標(biāo)志，如沉積物的組份、結(jié)構(gòu)、構(gòu)造以及沉積間斷等標(biāo)志識(shí)別。 標(biāo)志化石法：根據(jù)某些水團(tuán)所特有的底棲生物標(biāo)志種或標(biāo)志組合的分布。同位素法：一定的底水團(tuán)具有一定的同位素成份。3、上升流沉積學(xué)法：海岸上升流區(qū)的底 質(zhì)組份中，具有高濃度的有機(jī)碳、富含磷灰石，并有大量硅藻沉積。古生物學(xué)法：上升流種和高生產(chǎn)力種同位素法：浮游

2、與底棲有孔蟲(chóng)殼體中的氧同位素值可以反映水體溫度與鹽度的變化，而溫鹽的異常梯度值又可用來(lái)指示上升流的存在。二、古生物學(xué)方法在海流、水團(tuán)、和海水古溫度等水文條件的各項(xiàng)地質(zhì)記錄中，以古生物記錄最有價(jià)值。不能快速運(yùn)動(dòng)、積極游移的有豐富的數(shù)量易于鑒定沒(méi)有大幅度的晝夜垂向遷移已知其生態(tài)適應(yīng)范圍和生物學(xué)特征對(duì)環(huán)境的變化反應(yīng)靈敏浮游(底棲)有孔蟲(chóng)、鈣質(zhì)超微化石、翼足類(lèi)、放射蟲(chóng)、硅藻、介形類(lèi)。（一）標(biāo)志性種和標(biāo)志性組合底層水的標(biāo)志性生物北大西洋現(xiàn)代底棲有孔蟲(chóng)組合分布 2. 表層水的標(biāo)志性生物 浮游有孔蟲(chóng) 鈣質(zhì)超微 放射蟲(chóng) 硅藻 翼足類(lèi)極地亞極地過(guò)渡帶亞熱帶熱帶（二）非種方法以化石群的群落結(jié)構(gòu)或化石種群的形態(tài)特征

3、為基礎(chǔ)1. 群落結(jié)構(gòu) 化石群的分異度、優(yōu)勢(shì)度、均衡度等都具有指示環(huán)境的意義2. 形態(tài)特征微體生物的生態(tài)表型也往往受到環(huán)境條件的制約，具有一定的指溫、指緯的意義。殼體的形態(tài)、殼徑、殼面孔隙率、殼體旋向、殼口大小等形態(tài)結(jié)構(gòu)變量。（三）定量研究物種最適度方法(species preference temperature aquation)：將各化石種的最適生存溫度加權(quán)平均。Test=PiTi/Pi運(yùn)用不同種的豐度求溫度轉(zhuǎn)換函數(shù)(transfer function)： Imbrie 和kipp在1971年提出。結(jié)合因子分析及多元回歸分析兩種多元統(tǒng)計(jì)方法，找出現(xiàn)今海溫與現(xiàn)在化石組合之間的關(guān)系，然后再將地

4、層柱中微體化石的含量逆推估算古海溫。將表層沉積中定量數(shù)據(jù)作因子分析，得出代表性組合用多次回歸分析得出求取各項(xiàng)環(huán)境參數(shù)的公式和轉(zhuǎn)換函數(shù)鉆孔剖面中逐層的化石數(shù)據(jù)作因子分析用轉(zhuǎn)換函數(shù)對(duì)鉆孔中化石組合值作古環(huán)境推算現(xiàn)代類(lèi)比法（modern analog technigue）：將地層柱里標(biāo)本的化石組合和現(xiàn)世各地的化石組合相比較，找到最相似的標(biāo)本，再以現(xiàn)世標(biāo)本所對(duì)應(yīng)的溫度來(lái)代表古水溫。夏季西南季風(fēng)盛行，其環(huán)流方向?yàn)轫槙r(shí)針，赤道暖流經(jīng)巽他陸架進(jìn)入南海，經(jīng)巴士海峽流出南海。 冬季東北季風(fēng)盛行，表層環(huán)流方向?yàn)槟鏁r(shí)針，部分經(jīng)巽他陸架流出南海和進(jìn)入蘇祿海。末次冰期時(shí)南海的表層海流與古水溫三、地球化學(xué)方法穩(wěn)定同位素地

5、球化學(xué)方法 氧、碳穩(wěn)定同位素方法O16 、 O 17 、 O18 含量99.76%、0.04%及0.2%， C12 、 C13 含量分別為98.89%及1.11% 由于同一元素諸同位素的質(zhì)子數(shù)及核外結(jié)構(gòu)相同，因此它們的化學(xué)性質(zhì)極為相似，但它們的原子量又各不相同，因而在某些物理-化學(xué)過(guò)程中卻能顯示出微細(xì)差別，謂之同位素效應(yīng)。 當(dāng)物質(zhì)間發(fā)生相互作用或轉(zhuǎn)化時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致同位素間的交換與再分配，輕、重同位素在不同物質(zhì)中將相對(duì)富集，同位素組份比值也隨之發(fā)生微小的變化。這種在物理-化學(xué)過(guò)程中造成某一同位素在兩種物質(zhì)中分配上的差異，稱為同位素分餾作用。三、地球化學(xué)方法= X1000標(biāo)準(zhǔn)樣品： 芝加哥箭石，美國(guó)

6、Pee Dee組的小箭石PDB，將其轉(zhuǎn)化成 CO2去測(cè)氧同位素值測(cè)定樣品的比值-標(biāo)準(zhǔn)樣品的比值標(biāo)準(zhǔn)樣品的比值三、地球化學(xué)方法三、地球化學(xué)方法（一）氧穩(wěn)定同位素溫度效應(yīng) 二氧化碳-水-碳酸鹽系統(tǒng)中氧同位素的分餾作用與海水溫度間存在著相關(guān)關(guān)系。 1/3CaCO316+H2O18 1/3CaCO318+H2O16 18O 隨溫度的上升而下降 底層水變化10C，相當(dāng)于18O 值 0.26 用來(lái)進(jìn)行海水古溫度測(cè)量的生物殼體，必須是那些能隨著溫度變化始終與海水溶液保持同位素的平衡狀態(tài)。碳酸鹽物質(zhì)只有在與海水呈同位素平衡的狀態(tài)下沉淀時(shí)，碳酸與海水的18O/ 16O比值的差值才會(huì)嚴(yán)格地是溫度的函數(shù)。印度洋區(qū)：

7、Globigerinoides ruber T=(5.48- 18O )/0.28G.sacculifer T=(2.36- 18O )/0.16Orbulina universa T=(3.3- 18O )/0.17鹽度效應(yīng)水體變咸-18O 值趨正 鹽度升高1 18O 相應(yīng)增加0.29 18O 值1的變化相當(dāng)于鹽度0.2 冰期效應(yīng)冰期時(shí)-18O值正偏移間冰期時(shí)- 18O值負(fù)偏移導(dǎo)致生物殼體18O值變動(dòng)的因素很多：溫度、鹽度、冰期效應(yīng)、海平面升降。分析時(shí)應(yīng)注意：是否冰期；冰期時(shí)：分析底層水，或赤道地區(qū)表層水；無(wú)冰期時(shí)，不存在冰期效應(yīng)。Reef flat, Palau Archipelago (

8、Micronesia) Caribbean star coral(Montastraea annularis), Belize Barrier ReefBranching coral(Pocillopora damicornis) from the Gulf of Panam The anatomy of a coral polypBleached (Pocillopera) 1983, shows how an El Nio year can affect coral growthCoral reefs only grow under certain conditionsExtracting

9、 core with hydraulic drill on a Porites lobata colony, Clipperton AtollPositive x-radiograph collage of Galapagos Pavona clavus coral.A mass spectrometer measures chemical isotopes建立大洋水柱的垂直溫度梯度剖面（二）Uk37 通過(guò)有機(jī)地球化學(xué)方法獲得的沉積物中烯酮化合物的相對(duì)豐度來(lái)估算古海水表面溫度。Sonzogni 在低緯印度洋海區(qū)建立的Uk37 -SST關(guān)系：Uk37 =0.317+0.023T ()這是利用印度

10、洋24-29海區(qū)巖芯頂部樣品的Uk37數(shù)據(jù)建立的函數(shù)關(guān)系，專(zhuān)門(mén)適用于低緯高溫海區(qū)的Uk37 -SST校正。（三）Mg/Ca比值 現(xiàn)代大洋中浮游有孔蟲(chóng)殼體中的Mg的含量隨緯度產(chǎn)生差異，生物成因的碳酸鈣殼體中的Mg的含量是生物生長(zhǎng)時(shí)水溫的函數(shù)。（三）Mg/Ca比值熱帶太平洋海區(qū)建立起來(lái)的基于Mg/Ca 比值的表層海水溫度計(jì)算公式：Mg/Ca(mmol/mol)=0.38(0.02)exp0.090(0.003)*SST(C)這是Anand et al. (2003)在馬尾藻海應(yīng)用6 年的沉積物捕獲器為浮游有孔蟲(chóng)Mg/Ca 比值建立起來(lái)的校正公式。（四）碳穩(wěn)定同位素1.自然界碳同位素分布及其中生物中

11、的分餾作用 大氣, 0.000069X1016噸, 13C為-7 大洋, 0.004X1016噸, 13C為0 碳酸鹽, 7X1016噸, 13C為0 沉積物中有機(jī)質(zhì), 2X1016噸, 13C為-25 地球內(nèi)部的原生碳, 9X1016噸, 13C為-5.5 碳酸鹽從海水中沉淀出來(lái)時(shí)，不會(huì)影響到海水原先的13C值。但當(dāng)有機(jī)物質(zhì)從海水中析出時(shí)，則對(duì)13C值有明顯影響。地球上表面碳穩(wěn)定同位素的分餾作用主要是由植物光合作用引起的?？梢愿鶕?jù)有機(jī)質(zhì)的13C值的差異作為判別海陸相的一項(xiàng)指標(biāo)，陸相輕，海相重。無(wú)論是植物還是動(dòng)物，相對(duì)于海水碳同位素標(biāo)準(zhǔn)值，都表現(xiàn)出大幅度的負(fù)偏移。2.物理因素對(duì)殼體13C值的影

12、響 溫度、鹽度等物理因素對(duì)13C值的影響遠(yuǎn)不及對(duì)18O的影響。低溫偏負(fù)，暖水偏正。可以用來(lái)研究古代光線強(qiáng)弱的變化。3碳同位素分析法的應(yīng)用反映森林植被面積和冰期效應(yīng)全球陸生植物的總含碳量為8.4X1017克，土壤、泥炭中的含碳量為12X1017克。冰期時(shí)，森林面積減少，海水13C值降低。間冰期時(shí)，森林大模復(fù)蘇，海水的13C值回升。指示水團(tuán)的性質(zhì)(肥力、含氧量),來(lái)源及年齡不同的水團(tuán)可具有不同的碳同位素組份。表層水植物進(jìn)行光合作用吸收CO2時(shí)，萃取其中的12C而使 13C 值上升，同時(shí)放出O2，使含氧量升高。同理， 13C 值又是確定水團(tuán)年齡的一個(gè)參數(shù)。浮游有孔蟲(chóng)與底棲有孔蟲(chóng)，底棲有孔蟲(chóng)表生種與內(nèi)

13、生種的13C 值的差別是古生產(chǎn)率的一個(gè)標(biāo)志。南海北部晚第四紀(jì)碳同位素記錄與古生產(chǎn)力指示大氣成份,生物量及有機(jī)碳堆積量的變化冰期時(shí)：大氣CO2含量是現(xiàn)代的一半；理論上作為全球巨大碳貯庫(kù)的CO2量應(yīng)無(wú)明顯變化，其CO2含量下降起因于生物生產(chǎn)力上升； 表層水與底層水13C值差異反映大氣CO2含量 大洋中13C值的變化推斷有機(jī)碳的堆積速率四、 沉積學(xué)方法深海沉積物的組份、結(jié)構(gòu)和構(gòu)造也是指示古洋流與古水團(tuán)的重要標(biāo)志之一。表層流：冰載物質(zhì)可以為追索表層洋流提供特殊的標(biāo)記。上升流：高含量的蛋白石質(zhì)與有機(jī)質(zhì)，大量保存完好、個(gè)體偏大的硅質(zhì)微體化石，相對(duì)較高的底棲有孔蟲(chóng)含量，魚(yú)類(lèi)殘骸量明顯增高，低氧或缺氧環(huán)境，高

14、沉積速率等。底流大洋底流的活動(dòng)可以對(duì)洋底沉積物進(jìn)行直接改造，底流的侵蝕、溶蝕、搬運(yùn)、沉積作用，都可在沉積物中留下痕跡。1.沉積構(gòu)造（1）波浪（2）砂波與砂丘（3）沉積脊（4）深水侵蝕痕跡2.沉積間斷沉積間斷在深海沉積物中相當(dāng)普遍，古近紀(jì)地層中有一半以上記錄消失，而新近紀(jì)則缺失1/2至1/10之間，沉積間斷主要出現(xiàn)在白堊紀(jì)/古新世，始新世/漸新世，漸新世/中新世以及更新世/全新世等交界時(shí)期。大洋底流造成的沉積間斷主要出現(xiàn)在強(qiáng)水流區(qū)，如西部邊界流區(qū)或海峽等地區(qū)。它們的出現(xiàn)一般都帶有全球性質(zhì)，底流侵蝕作用的增強(qiáng)經(jīng)常與板塊構(gòu)造活動(dòng)或全球氣候條件的惡化事件有關(guān)。冰期是底層流侵蝕作用最為活躍的階段。深海沉積間斷的判別：地層或化石帶缺失，巖性突變，古地磁極性