富鈷結(jié)殼形成的古海洋環(huán)境與古海洋事件

富鈷結(jié)殼形成的古海洋環(huán)境與古海洋事件

富鈷結(jié)殼是指主要分布在山區(qū)的平坦、皮殼和部分礫石和結(jié)核狀鐵錳沉積物。它也被稱為felt或felt。主要發(fā)育于最低含氧量以下，碳酸鹽補償深度大于1000.3500m的沿海平原山。根據(jù)海灣地區(qū)的計算，中太平洋結(jié)殼的平均含量為0.79%。因此，它是現(xiàn)代海洋中最具潛在價值的礦產(chǎn)之一。已有的研究證明,富鈷結(jié)殼形成時古海洋環(huán)境的變化明顯影響到結(jié)殼的生長以及主要成礦元素和化學組成.如潘家華等對麥哲倫海山結(jié)殼的研究認為,該結(jié)殼三層構(gòu)造界面間,特別是構(gòu)造和色澤發(fā)生“突變”的下/中層界面間于漸新世/中新世邊界附近開始生長的特征,似乎蘊含著該特定時間古氣候“驟變”(由冷變暖)的重要信息.而始新世/漸新世和漸新世/中新世界面附近發(fā)生的磷酸鹽化事件,是海山結(jié)殼貧鈷的重要原因之一.盡管不同的結(jié)殼形成年代可能差異很大,但晚新生代是它們的主要形成期.晚新生代是全球海洋重大變革的時期,由于地球板塊運動改變了全球的海陸分布格局和海洋環(huán)流系統(tǒng),引起了一系列重大古海洋事件.氣候變冷與上升流發(fā)育導致生物生產(chǎn)力增加,最低含氧帶發(fā)育;底流的活動既降低了沉積速率提供氧化環(huán)境,又帶來大量成礦物質(zhì),所以南極底層水、上升流、生物生產(chǎn)力、沉積間斷等古海洋事件和環(huán)境是控制和影響富鈷結(jié)殼的形成和分布的主要因素.精確地確定富鈷結(jié)殼生長的年代框架,通過富鈷結(jié)殼不同生長層的結(jié)構(gòu)以及礦物學、地球化學特征分析,并與已有的古海洋古氣候?qū)W研究成果進行對比,能夠比較系統(tǒng)地了解生物生產(chǎn)力、碳酸鹽補償深度、大洋環(huán)流、沉積間斷和古氣候條件等的變化對富鈷結(jié)殼生長的影響,對認識富鈷結(jié)殼成礦的古海洋環(huán)境控制作用以及富鈷結(jié)殼資源的勘查具有非常重要的理論和實際意義.本次研究通過中太平洋海盆兩側(cè)海山上的兩塊富鈷結(jié)殼樣品Os同位素地層學、超微化石生物地層學、微量元素地球化學等的研究,并與該區(qū)前人的研究成果、國際大洋鉆探ODP144航次的研究成果進行對比,分析研究區(qū)富鈷結(jié)殼的生長發(fā)育規(guī)律,探討它們與中新生代構(gòu)造-海洋演化之間的關(guān)系.1表面構(gòu)造組成本次分析的樣品,分別由DY105-15和DY105-13航次取自中太平洋海盆東西兩側(cè).結(jié)殼MHD79位于馬紹爾群島海山鏈北端某海山,MP3D10位于萊恩群島海山鏈西北端某海山,樣品地理位置和水深見表1和圖1.MHD79結(jié)殼采自水深2621~2140m處結(jié)殼厚9.7cm,呈板狀,從底到表面分為6層:層1為致密層;層2為較致密層;層3為下疏松層,夾有較多的灰白-黃白色團塊和細脈;層4為上疏松層,夾有黃白色細脈;層5為較致密層;層6為致密層,主要為柱狀和層狀構(gòu)造.MP3D10結(jié)殼采自水深2293~3183m處,結(jié)殼厚6.2cm,從底到表面分為6層:層1為致密層;層2為疏松層,夾有大量黃白-黃褐色團塊和細脈;層3為致密層;層4為較致密層;層5為疏松層,呈黑褐-黃褐色,疏松多孔;層6為較致密層,褐黑色,呈致密塊狀(圖2).將兩結(jié)殼平行其生長方向切割成約2cm厚的片狀,選用1.0mm的合金鉆頭用臺鉆逐層取樣,單層取樣厚度約1mm,重量約2g.鉆取的碎屑用瑪瑙研缽研磨成<74μm(200目)的粉末.MHD79及MP3D10(圖2)分別取樣20和17個,在國家地質(zhì)實驗測試中心使用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀TJAX-seriesICP-MS進行Os同位素測定.同時,兩結(jié)殼另取同樣層位樣品,在中國地質(zhì)大學(武漢)地球科學學院應用ICP-MS進行微量元素分析.MP3D10結(jié)殼在Os同位素取樣的同樣層位上,先用小刀將采樣部位表面清理干凈以免污染,然后在新鮮表面刮取樣品粉末置于載玻片上,加蒸餾水涂抹均勻,干燥后用中性樹膠和蓋玻片制成觀察片.用德國Zeiss偏光顯微鏡放大1000倍(油鏡)觀察和鑒定鈣質(zhì)超微化石.此外,本文還把ODP144航次在西太平洋Limalok海山的871站位、Lo-En海山的872站位、Wodejebato海山的873-877站位和Mit海山的878站位結(jié)殼的資料以及中太平洋海山的結(jié)殼CD29-2N5E-06和N1-15的資料(地理位置和水深見表1和圖1)與本文分析的兩個結(jié)殼的特征進行了詳細的比較和綜合研究.2鐵錳結(jié)殼的生長間斷Manheim等在對太平洋地區(qū)結(jié)殼中Co,FeMn含量與生長速率關(guān)系研究的基礎(chǔ)上,提出結(jié)殼生長速率與這些元素含量之間存在著相關(guān)關(guān)系,本文據(jù)此計算了結(jié)殼MHD79及MP3D10的生長速率,對其中磷酸鹽化部分老結(jié)殼進行了校正.圖3中紅色曲線為結(jié)殼MHD79和MP3D10據(jù)上述Co經(jīng)驗公式定年形成的187Os/188Os值變化曲線,是一條連續(xù)的曲線,無從判斷結(jié)殼的生長間斷,形象地暴露了該定年方法最大的弱點.本文將此曲線與全球海水Os同位素組成的演化曲線進行對比分析,建立結(jié)殼MHD79和MP3D10的187Os/188Os演化曲線(圖3),據(jù)此確定這兩個結(jié)殼的生長和間斷時間.其中,MHD79結(jié)殼的Os同位素地層學定年方法詳見文獻,其生長和間斷年齡如表1.結(jié)殼MP3D10187Os/188Os變化曲線與全球大洋海水187Os/188Os演化曲線對比(圖3),層6在0~4Ma期間與海水187Os/188Os演化曲線基本吻合;層5187Os/188Os值與8~11Ma期間海水187Os/188Os值相吻合.層6與層5之間呈現(xiàn)生長間斷,間斷期為4~8Ma.層4187Os/188Os值則與23~33Ma期間海水187Os/188Os演化曲線相符.層5與層4之間亦有生長間斷,間斷期為11~23Ma.從9號樣點開始,該結(jié)殼的187Os/188Os值明顯偏高,形成的鋨同位素演化曲線在圖中的位置高于相對應的海水187Os/188Os演化曲線,但在形態(tài)上很相似,至于樣品的187Os/188Os值偏高的原因,目前還不得而知.從形態(tài)上推斷9號樣點附近對應于38~40Ma期間,由于該段較薄,未單獨分層與上部的10號樣點之間呈現(xiàn)出一個生長間斷,間斷期為33~38Ma.層3與層2之間未呈現(xiàn)明顯的生長間斷,生長期對應于51~59Ma.層2與MHD79結(jié)殼年齡相近的層3下部結(jié)構(gòu)非常相似.這兩層與層4的生長間斷為40~51Ma;層1由于厚度較薄,僅分析了一個點的187Os/188Os值,推測其生長期間為62Ma前與層2之間的沉積間斷為59~62Ma(表1).超微化石生物地層學也證實,層1中見早古新世NP1帶的帶化石Markaliusapertus,年齡約為64~65.5Ma.國際大洋鉆探ODP144航次主要針對西北太平洋富鈷結(jié)殼分布區(qū)海山形成的地質(zhì)歷史進行研究.該航次在西太平洋海山分布區(qū),沿西北方向在5個連續(xù)分布的海山Limalok(871),Lo-En(872),Wodejebato(873-877),Mit(878)和Takuyo-Diaisan(879-880)上布鉆(從5°33'N,172°20'E到34°12'N,144°18'E),鐵錳結(jié)殼在各個海山均有發(fā)現(xiàn).海山火山巖基質(zhì)之上的沉積物自下而上由3個部分組成:(1)淺水碳酸巖臺地;(2)臺地表層為卵石集合體巖床,大約3cm厚的鐵錳結(jié)殼套在巖床頂部,或海山被侵蝕的火山基質(zhì)頂部;(3)遠洋碳酸鹽沉積.生物地層學方法確定沉積物年代,遠洋碳酸鹽沉積的基部年齡與碳酸巖臺地的頂部年齡用來限定結(jié)殼的生長年齡,其間的生長間斷則無法判斷.各站位結(jié)殼的生長時間見表1,其中871站位比較明確,873-877站位鐵錳沉積性質(zhì)比較復雜,集合體巖床位于Maastrichtian期碳酸巖臺地之上,晚古新世到中始新世遠洋碳酸鹽充滿了集合體顆粒內(nèi)的空間,指出至少3~4個被鐵錳結(jié)殼形成和磷酸鹽化的多重侵蝕分開的生物侵蝕時期,也即結(jié)殼在Maastrichtian到中始新世期間應有多次生長間斷.872站位卵石集合體和鐵錳結(jié)殼碎片被Campanian期遠洋有孔蟲軟泥包圍.集合體的生物地層學研究指出,至少有兩個時期的鐵錳結(jié)殼沉淀,第一個時期發(fā)生在晚Campanian早期和晚古新世,第二個時期發(fā)生在早始新世.CD29-2結(jié)殼為F7-86-HW航次在中太平洋采得,結(jié)殼厚125mm,上部21mm經(jīng)10Be定年,并由鈷含量經(jīng)驗公式估算出平均生長速率2.1mm/Ma,底部基巖年齡為81~86Ma.Klemm等結(jié)合Os同位素曲線和生長速率,并參考基巖底部年齡,確定出該結(jié)殼的生長和間斷時間(見表1).該結(jié)殼52mm(47Ma)之下磷酸鹽化.N1-15和N5E-06為“大洋一號”調(diào)查船在中太平洋采集的兩塊富鈷結(jié)殼樣品,蘇新等采用超微化石生物地層學方法對它們進行了定年,確定兩個結(jié)殼上致密層為晚更新世的沉積,而中疏松層為上新世到中更新世的沉積,兩個結(jié)殼都沒有發(fā)現(xiàn)可靠的晚漸新世到中新世的化石記錄.其中N1-15可能自中新世19~23.2Ma開始生長,中新世/上新世之間,也即19~1.95Ma之間沒有可靠的化石記錄,不能確定是否有生長間斷.N5E-06自古新世59.7~55.3Ma開始生長,漸新世/上新世也即34.2~4.5Ma之間沒有可靠的化石記錄,不能確定是否有間斷,早更新世與晚更新世期間也即1.58~0.26Ma之間有一時間長度為1.32Ma的生長間斷(表1).3結(jié)殼生長時間及構(gòu)造綜合本次及前人的研究成果,研究區(qū)共有9塊樣品獲得了比較可靠的定年,通過對這些富鈷結(jié)殼的生長及生長間斷期作圖(圖4),我們發(fā)現(xiàn)有幾期比較一致的生長和間斷期,自下而上總結(jié)如下:(ⅰ)生長期Ⅰ和間斷期Ⅰ.所研究的結(jié)殼中有6塊出現(xiàn)在生長期Ⅰ階段,Mit878站位的結(jié)殼最早生長時間可能是~90Ma,Wodejebato873-877站位可能是Maastrichtian,Lo-En872可能是晚Campanian.據(jù)Co經(jīng)驗公式,結(jié)殼MHD79及MP3D10在此階段的平均生長速率分別為2.38和1.7mm/Ma.間斷期Ⅰ的時間大致位于早古新世晚期距今63~59Ma前后,其中MHD79和MP3D10結(jié)殼有此間斷,ODP144航次各站位結(jié)殼生長時間是據(jù)上下沉積物年齡確定的,其間可能存在多次間斷,CD29-2沒有發(fā)現(xiàn)存在此間斷的可靠證據(jù).(ⅱ)生長期Ⅱ和間斷期Ⅱ.所研究的結(jié)殼中有7塊在生長期Ⅱ生長,871站位結(jié)殼尚未開始生長.Co經(jīng)驗公式計算的結(jié)殼MHD79及MP3D10在此階段的平均生長速率較高,分別為3.01和3.3mm/Ma,結(jié)構(gòu)也都出現(xiàn)疏松層.間斷期Ⅱ時間大致位于早到中始新世距今51~43Ma前后.其中CD29-2,MHD79和MP3D10結(jié)殼在此其間有明確的生長間斷.ODP144航次各站位結(jié)殼生長時間是據(jù)上下沉積物年齡確定的,無法判斷結(jié)殼生長時間內(nèi)是否有間斷,N5E-06在55.3~49.7Ma期間沒有可靠的超微化石帶年齡控制點,其間也有可能存在生長間斷.(ⅲ)生長期Ⅲ和間斷期Ⅲ.所研究的結(jié)殼中有8塊在生長期Ⅲ生長.Co經(jīng)驗公式計算的結(jié)殼MHD79及MP3D10在此階段的平均生長速率分別為2.23和5.84mm/Ma.間斷期Ⅲ時間大致位于始新世漸新世界線附近,距今大約37~33Ma前后.CD29-2MHD79和MP3D10結(jié)殼在此期間都有明確的間斷,ODP各站位仍然無法判斷結(jié)殼生長時間內(nèi)是否有間斷,N5E-06沒有可靠的化石記錄,不能確定是否有間斷.(ⅳ)生長期Ⅳ和間斷期Ⅳ.所研究的結(jié)殼中有7塊在生長期Ⅳ生長,Co經(jīng)驗公式計算的結(jié)殼MHD79及MP3D10在此階段的平均生長速率很接近,分別為1.75和1.64mm/Ma,且結(jié)構(gòu)也很相似,都為較致密層.間斷期IV非常明顯,且延續(xù)時間較長,大致位于早中新世至中中新世,距今約23~13.5Ma前后.CD29-2,MHD79和MP3D10結(jié)殼在此階段都有非常明確的生長間斷,ODP144航次各站位此階段均為遠洋碳酸鹽沉積,覆蓋在下部鐵錳結(jié)殼上.N5E-06和N1-15沒有可靠的化石記錄,其間有可能存在生長間斷.(ⅴ)生長期Ⅴ.所研究的結(jié)殼中有5塊在生長期Ⅴ生長,Co經(jīng)驗公式計算的結(jié)殼MHD79及MP3D10在此階段的平均生長速率分別為2.12和2.35mm/Ma,但此階段兩結(jié)殼的結(jié)構(gòu)差別很大.ODP144航次各站位鐵錳結(jié)殼均已為遠洋碳酸鹽沉積所取代,MP3D10在距今4~8Ma還存在一次間斷N5E-06和N1-15沒有可靠的化石記錄,有可能也有此生長間斷.4富鉻結(jié)殼生長的反應據(jù)以上太平洋海山富鈷結(jié)殼生長和生長間斷期的分析,為了將問題簡單化,忽略由于定年精度的問題,各生長期內(nèi)可能還存在一些沒有發(fā)現(xiàn)的間斷,本文就富鈷結(jié)殼生長的這5個時期探討研究區(qū)富鈷結(jié)殼的生長過程與新生代海洋演化的關(guān)系.4.1世界和全球碳源事件的結(jié)殼古地理與形成時代研究區(qū)富鈷結(jié)殼自晚白堊世開始生長,至早古新世晚期出現(xiàn)第1次生長間斷.間斷期Ⅰ歷時不長大約4Ma之后,結(jié)殼繼續(xù)生長,至早始新世出現(xiàn)第2次更為明顯的生長間斷,為間斷期Ⅱ,生長期Ⅱ大致時間為晚古新世-早始新世.早新生代自中古新世(59Ma)至早始新世(52Ma)出現(xiàn)顯著的變暖趨勢,δ18O值負偏1.5‰,峰值出現(xiàn)在52~50Ma的早始新世氣候最佳期(EarlyEoceneClimaticOptimum,簡寫為EECO)(圖5).新生代兩次最顯著的δ13C正偏移記錄之一出現(xiàn)在晚古新世(~59.5-56Ma),稱為古新世碳同位素最高期(LatePaleocenecarbonisotopemaximum,簡寫為PCIM),也是間斷期Ⅰ結(jié)束,生長期Ⅱ開始的時間(圖4).該事件與早新生代氣候溫暖潮濕,陸地化學風化作用強烈,陸源營養(yǎng)物質(zhì)供應豐富有關(guān).也有人認為是早古新世時,更高的緯度開始降溫,在海洋中發(fā)展了更陡的溫度梯度,可能引起赤道上升流增強和相關(guān)的生物生產(chǎn)力增加.海洋原始生產(chǎn)力上升導致最低含氧帶擴張,有機碳埋藏速率增加[18~22].推測正是由于PCIM期間全球海洋生產(chǎn)力上升,最低含氧帶發(fā)育一方面有利于有機質(zhì)溶解釋放生物生長過程中攝取的金屬元素,另一方面有利于海水中呈膠體狀態(tài)水合氧化物的存在,并吸附大量其他陽離子,致使結(jié)殼成礦元素富集,刺激了海山結(jié)殼的生長,富鈷結(jié)殼的第一個生長間斷結(jié)束.MHD79結(jié)殼在生長期Ⅱ距今58.5~53.5Ma期間Al和Si的含量最高(圖6),指示較多的陸源物質(zhì)輸入,而Mn含量偏低(圖6),則與生物生產(chǎn)率升高,最低含氧帶擴大有關(guān).Wodejebato海山晚古新世-早始新世生長的結(jié)殼Zn含量增加,指示高的生物生產(chǎn)力.地球表面溫度在古新世-始新世界線附近(約55.5Ma)極短的時間間隔內(nèi)升高4~8℃,這個全球極端氣候事件被稱為古新世-始新世最暖期(PaleoceneEoceneThermalMaximum,簡寫為PETM)(圖5).PETM事件使得熱帶地區(qū)表層海水溫度增加~5℃,高緯增加達9℃,底層水變暖4~5℃,而全球海洋和陸地系統(tǒng)中δ13C至少發(fā)生3.0%的負偏移[16,17,24,25,26,27].這一事件普遍認為與海底甲烷氣體水合物的釋放有關(guān),大量的CO2氣體進入大氣和海水中,致使全球變暖,陸地風化作用增強,海水pH值下降,碳酸鹽沉積發(fā)生溶解,CCD和溶躍面變淺.有證據(jù)證明,PETM時陸地化學風化強度增加20%~30%,大量的陸源物質(zhì)輸入,可造成大洋生產(chǎn)率上升.南大西洋沉積物中鈣質(zhì)超微化石Sr/Ca的比值變化、熱帶大西洋鈣質(zhì)超微化石證據(jù)均顯示,此階段大洋生產(chǎn)率增加,盡管大洋酸化,并沒有發(fā)生鈣質(zhì)浮游植物的生產(chǎn)力危機.距今~55.5Ma富鈷結(jié)殼的生長沒有受到明顯的影響,可能與PETM期間較高的大洋肥力有關(guān).結(jié)殼MHD79和MP3D10在生長期Ⅰ,Ⅱ有著相似的元素含量變化,都表現(xiàn)為高P,低Mn,Co,如圖6.P含量最高都接近4%~5%,而Co含量都在0.4%以下,和Mn含量一樣,都是整個結(jié)殼最低的階段,且生長期Ⅱ兩結(jié)殼結(jié)構(gòu)疏松,并有較高的生長速率,推測與當時氣候溫暖、洋流垂直交換不活躍、營養(yǎng)物質(zhì)供應更多源于陸地風化,大洋生產(chǎn)力遠不能與其后相比,高生產(chǎn)力帶分布也主要局限在赤道地區(qū)有關(guān).這一階段全球大洋碳同位素值也都表現(xiàn)為較高值(圖5),說明有較一致的氣溫和底流活動.MHD79結(jié)殼還表現(xiàn)為高Si,Al,Ca,S,低Ti,Ni,Mg的特點(圖6).至EECO階段,也即大約距今52Ma前后,這兩個結(jié)殼的Mn,Co,P元素,以及MHD79的Ca,S,Ni,Zn,Mg等元素的含量都發(fā)生了明顯的變化(圖6).EECO階段氣候仍然溫暖,兩極地區(qū)無冰,緯向溫度梯度小,風驅(qū)海洋循環(huán)以及與之相關(guān)聯(lián)的上升流活動微弱,且沒有PETM時期那么強烈的陸地風化作用放射蟲、硅藻、浮游和底棲有孔蟲證據(jù)都證明,開放大洋的生物生產(chǎn)力是低的.Muttoni等認為,EECO時期燧石的廣泛發(fā)育應是無機成因的,而非硅質(zhì)生物生產(chǎn)力上升的結(jié)果.Hollis等也指出,西南太平洋高緯地區(qū)EECO時期生產(chǎn)力條件是低的.故自EECO事件開始,富鈷結(jié)殼再次出現(xiàn)生長間斷(間斷期Ⅱ).從圖5也可以看出,全球大洋碳同位素值自此明顯下降,其后全球氣溫和底流活動進入另一個新階段.Wodejebato海山的殼體沉淀跟著基部集合體的沉積和磷酸鹽化,晚古新世-中始新世可以看到Fe-Mn殼層和磷酸鹽的紋層交替.Mit海山的大部分黑色橢圓形Fe-Mn結(jié)核浮在軟泥中,大部分結(jié)核有強烈磷酸鹽化的灰?guī)r碎片組成的核.CD29-2樣品52mm處也即距今47Ma之前也出現(xiàn)磷酸鹽化.可見生長期Ⅰ,Ⅱ富鈷結(jié)殼普遍存在磷酸鹽化現(xiàn)象.在氣候溫暖多雨的地質(zhì)時期里,大陸化學風化作用加強,河流攜入大洋的溶解磷酸鹽增多,為大規(guī)模磷酸鹽沉積提供了物質(zhì)基礎(chǔ);海面上升或海侵時,可供磷酸鹽沉積的外陸架和陸坡面積增大,缺氧帶增厚而擴延到陸架區(qū),因而海洋表層的浮游生物遺體沉落時很快進入缺氧環(huán)境而使磷酸鹽得以保存.始新世早-中期的最暖期伴隨著廣泛的海侵,淺海面積增大,碳酸鹽大量沉積在淺海區(qū),相對減少了大洋CaCO3的供應.地球化學模型也顯示,PETM這種快速氣候事件發(fā)生時,pH值下降,碳酸鹽補償深度(CCD)變淺,并導致深海沉積物中CaCO3大量溶解.由于CCD較淺,使得深海富磷儲庫的頂界也隨之上升,當因地質(zhì)事件或氣候突變事件等造成的較強底流出現(xiàn)時,深海富磷儲庫中的磷被帶到最低含氧層附近的中層水團中,剛好浸漫富鈷結(jié)殼發(fā)育的海山頂部和斜坡,當磷和氟的濃度達到可以交代碳酸鹽巖的程度時,磷酸鹽化事件就形成了.4.2始新世-漸新世轉(zhuǎn)換期巖相古地理中始新世早期至始新世晚期是一個長期漸進的變冷過程,這一階段由于極地溫度下降,緯向溫度梯度增大,海洋循環(huán)和上升流活動增強,生物生產(chǎn)力上升,最有利于富鈷結(jié)殼的生長,因而研究區(qū)大部分結(jié)殼在此階段都有發(fā)育.在始新世-漸新世界線附近,存在一次比較明顯的結(jié)殼生長間斷期,為間斷期Ⅲ,其前后分別為結(jié)殼生長期Ⅲ和Ⅳ.間斷期Ⅲ對應于始新世-漸新世界線(E/O)附近,δ18O值大幅度正偏,在短期內(nèi)由1.2‰迅速增加到3.0‰(圖5),底層海水溫度從12℃降低為4.5℃.保存在大洋和大陸中的記錄表明,E/O界線附近,全球氣溫大幅降低,海陸生物均有不同程度的滅絕,指示了氣候變冷、變干的趨勢.始新世-漸新世轉(zhuǎn)換期間,南極洲與澳大利亞之間的塔斯曼尼亞海道和南極洲與南美洲之間的德雷克海峽相繼打開,形成環(huán)南極洋流,從而阻止赤道地區(qū)的熱量向南極傳送,導致南極大陸“熱隔絕”,使南極大陸東部為冰川所覆蓋.始新世末期的沉積物中微玻隕石的分布甚廣,一些學者提出,在始新世末可能發(fā)生過另一次天體撞擊事件.突發(fā)的隕擊事件可能在一定程度上使全球氣候加速變冷.推測始新世-漸新世之交的氣候急速變冷、天體撞擊事件引起了海洋生物面貌的巨大變化,也對底流的活動產(chǎn)生影響,打破了結(jié)殼生長的平衡狀態(tài),導致始新世-漸新世界線附近這一明顯的結(jié)殼生長間斷.富鈷結(jié)殼的生長期Ⅲ和Ⅳ(大約42~22Ma)有著比較接近的元素含量變化,P的含量下降,Co,Mn的含量上升,MHD79樣品Al,Si,Ca的含量下降(圖3)而Zn和Cu的含量是整個結(jié)殼最高的階段(圖6).Cu和Zn的富集可能指示金屬來源取自有機物活動或被動吸收,指示結(jié)殼生長時期生物生產(chǎn)力增加.結(jié)殼生長期Ⅰ和Ⅱ雖然也有較高的生物生產(chǎn)力,但其主要源于強烈的風化陸源營養(yǎng)物質(zhì)輸入,而生長期Ⅲ和Ⅳ階段是由于氣候變冷,緯向溫度梯度增大,海洋循環(huán)和上升流活動增強導致的生物生產(chǎn)力上升.這兩階段元素含量明顯不同,生長期Ⅲ,Ⅳ相較Ⅰ,Ⅱ水成成因元素Fe,Mn和Co及生物成因元素Zn含量明顯增加,碎屑元素Al含量則相反,表明了它們截然不同的形成環(huán)境.生長期Ⅲ和Ⅳ具有更加適宜結(jié)殼生長的古海洋環(huán)境,水動力條件相對較弱,生物生產(chǎn)力相對較高,同時又有Fe,Mn和Co等元素的大量供給.此階段全球大洋碳同位素值較生長期Ⅰ,Ⅱ明顯下降,說明有明顯不同的氣溫和較強的底流環(huán)境生長期Ⅲ和Ⅳ結(jié)殼賦存的海山的古緯度分布范圍也較此前增加并向北移,說明南極冰蓋形成,赤道與兩極地區(qū)溫度梯度增加,洋流的垂直交流活躍,高生產(chǎn)力區(qū)不局限在赤道地區(qū),且底流活動增強,抑制了沉積物在海底的堆積,使得結(jié)殼在海山區(qū)普遍發(fā)育.4.3中新世中期—早中新世富鈷結(jié)殼的間斷(Ⅳ)和其后的生長期(Ⅴ)中新世期間,大洋的形狀和海陸的分布已與現(xiàn)代十分相似.氧同位素資料表明,漸新世晚期(26~27Ma)至中中新世(15Ma),氣溫轉(zhuǎn)暖,全球冰體積減小底層水溫度略微上升(圖5).南極東部ODP1165站位的孢粉組合研究證明,早到中中新世大約22~15Ma,氣候逐漸變暖,15Ma之后氣候突然轉(zhuǎn)冷,南極永久冰蓋形成.這次變暖引起南極底流的暫時退縮,從而使赤道太平洋地層中沉積間斷的出現(xiàn)頻率減少.部分結(jié)殼生長的海山上如ODP144航次的871,872,873-877站位出現(xiàn)遠洋碳酸鹽沉積.而研究區(qū)中新世早至中期多數(shù)富鈷結(jié)殼經(jīng)歷的一次較大規(guī)模的生長間斷(間斷期Ⅳ),推測都與此次回暖事件有關(guān).發(fā)生在早-中新世之間的δ13C正位移是晚新生代最為突出的古海洋事件之一,稱為“蒙特里碳位移”,開始于17.5Ma前后,約在13.5Ma結(jié)束,在16Ma前后δ13C值達最重[41~44](圖5),與之相對應的δ18O值則說明,“蒙特里碳位移”的多數(shù)時間(約3Ma)處于全球溫暖和海面較高的環(huán)境,只是在后期全球氣候才急劇變冷.南海北部24.0~15.8Ma的CaCO3百分含量和CaCO3堆積速率都表現(xiàn)為相對的高值,反映為高碳酸鹽生產(chǎn)力時期,推測該階段研究區(qū)富鈷結(jié)殼的間斷更主要的原因是氣候回暖,底流退縮,所以多數(shù)站位出現(xiàn)富含有孔蟲的鈣質(zhì)軟泥沉積.中新世中、晚期,氣候顯著變冷.中新世中期(14Ma),東南極大陸上冰蓋形成,海冰進一步擴展.中新世末期事件所伴隨的各種變化主要包括:南極冰蓋擴展;底層水環(huán)流增強,大洋肥力增加;南大洋生物硅生產(chǎn)率增加.因此,自中新世晚期,未被遠洋碳酸巖沉積所埋藏的結(jié)殼又開始生長(生長期Ⅴ).結(jié)殼MHD79在該階段元素Cu,Zn,Ni含量明顯下降(圖6),Zn被認為是硅藻需要的微營養(yǎng)元素之一,Zn濃度的增加可能指示金屬富集與硅質(zhì)浮游生物的溶解有關(guān).此階段全球大洋碳同位素值相較生長期