陳榮華,趙慶英,張海生,盧冰,Pulyaeva I A
(1.國家海洋局 第二海洋研究所,浙江 杭州 310012; 2.Federal State Unitary Geological Enterprise “Kavkazgeolsyomka” Pyatigorsk,Russia)
西太平洋富鈷結(jié)殼中鈣質(zhì)超微化石和分子化石研究
陳榮華1,趙慶英1,張海生1,盧冰1,Pulyaeva I A2
(1.國家海洋局 第二海洋研究所,浙江 杭州 310012; 2.Federal State Unitary Geological Enterprise “Kavkazgeolsyomka” Pyatigorsk,Russia)
晚白堊紀(jì);西太平洋;富鈷結(jié)殼;鈣質(zhì)超微化石;分子化石;碳同位素
洋底海山富鈷結(jié)殼中儲存有大量海洋環(huán)境信息,它記錄了過去60~100 Ma以來的海洋和氣候歷史。一個近10 cm厚的富鈷結(jié)殼蘊(yùn)藏的古海洋信息幾乎與幾千米沉積巖心相當(dāng)[1],這為研究晚白堊紀(jì)以來的異常事件(包括海底火山事件、大洋缺氧事件、生物異常更替與絕滅、沉積記錄轉(zhuǎn)變、南極底層流變化等)所引起的全球變化提供了絕佳材料。也使揭示白堊紀(jì)晚期以來全球面貌與異常事件之間的關(guān)聯(lián)和反饋機(jī)制成為可能。研究表明富鈷結(jié)殼與大洋深海沉積地層一樣能夠記錄全球氣候的變化規(guī)律,是全球變化研究中又一值得注意的研究載體。
鈣質(zhì)超微化石(Calcareous nannofossils)數(shù)量豐富、演化迅速,許多屬種具有全球分布特點(diǎn)。目前,可供全球?qū)Ρ妊芯康拟}質(zhì)超微化石序列已經(jīng)建立,它與判斷結(jié)殼沉積間斷的地質(zhì)學(xué)方法聯(lián)用[2],可使鈣質(zhì)超微化石的生物地球化學(xué)成功應(yīng)用于結(jié)殼內(nèi)部不同層位的生長速率估算和年代厘定[3—4]。
分子化石(生物標(biāo)志化合物),是以彌散狀保存在地層中的生物有機(jī)分子。它們分布廣泛(能保存在2 700 Ma以來所有的沉積物和沉積巖中[5])、含量豐富(在沉積地層中,2%的平均含量相當(dāng)于現(xiàn)今世界生物總量的1 000倍[6])、種類多且具有較高的抗生物和非生物分解蝕變性,某些分子化石的特殊結(jié)構(gòu)包含了豐富而形式多樣的與古生產(chǎn)力,古環(huán)境和古氣候等相關(guān)信息。分子化石的諸上特點(diǎn)使其在全球變化研究中有著廣泛的應(yīng)用前景[7—8]。
本文通過中太平洋海山富鈷結(jié)殼中鈣質(zhì)超微化石進(jìn)行生物地層學(xué)年代劃分,同時(shí)利用分子化石(正構(gòu)烷烴、類異戊二烯)結(jié)合痕量有機(jī)碳及其碳同位素組成研究,了解富鈷結(jié)殼物源及其結(jié)殼生長與海洋沉積環(huán)境(氧化或還原)、古大洋環(huán)流(南極底層流)、古海洋生產(chǎn)力以及古氣候變遷之間的聯(lián)系。
本次研究的樣品由“大洋一號”科考船DYI05-12航次在西太平洋CM3(麥哲倫)海山的斜坡上利用拖網(wǎng)所得,CM3D06結(jié)殼樣品位置為20.42°N,153.1°E,水深2 490 m。CM3D06富鈷結(jié)殼具有典型的3層構(gòu)造,總厚度為10.2 cm。
2.1 結(jié)殼分層、超微結(jié)構(gòu)構(gòu)造描述
CM3D06富鈷結(jié)殼下伏基底巖石為磷塊巖,結(jié)殼表面為粗糙型,結(jié)殼厚度為10.2 cm,宏觀上大致可分為3個生長階段,不同生長階段有明顯分界,色調(diào)和結(jié)構(gòu)差異特征分明:自下而上呈現(xiàn)出色澤的深—淺—深、及結(jié)構(gòu)上的致密—疏松—致密變化,呈韻律性變化特征。將結(jié)殼內(nèi)層分為6層:Ⅰ層、Ⅱ?qū)?68~98 mm)質(zhì)地致密(亮煤層),電子顯微鏡下以紋層-柱狀結(jié)構(gòu)(微層間平行狀),含脈石礦物很少,磷酸鹽細(xì)脈穿切底部多層結(jié)殼(含有磷酸質(zhì)浮游有孔蟲化石),基巖為磷塊巖;Ⅲ層(68~58 mm,孔隙發(fā)育)和Ⅳ層(28~58 mm),質(zhì)地疏松,顯微結(jié)構(gòu)主要呈疊層狀構(gòu)造,也存在斑雜狀構(gòu)造、樹枝狀構(gòu)造和指紋構(gòu)造等(說明水動力環(huán)境變化頻繁),層間夾雜脈石礦物和黃色碎屑物質(zhì)(可能代表了風(fēng)塵作用的影響),與上下層界限分明;Ⅴ層(28~13 mm)和Ⅳ層(13~5 mm)亦較致密,呈暗黑色,鏡下為柱狀構(gòu)造、樹枝狀構(gòu)造等,夾雜一定量的脈石礦物(圖1)。
圖1 麥哲倫海山區(qū)CM3D06結(jié)殼分層Fig.1 Dividing layers in crust sample CM3D06 from the Magellan Seamount CM3
2.2 古生物分析方法
依照巖石學(xué)標(biāo)準(zhǔn),選擇富鈷結(jié)殼堆積的垂直方向面和水平方向面的合適剖面位置取樣,樣品斷面新鮮,2~5 mm大小,鑒定的每一層面都要涂黃金薄膜,樣品經(jīng)過涂黃金薄膜后,安放在掃描電子顯微鏡(Scanning electron microscope,SEM)的載物臺上,選擇具有鈣質(zhì)微浮游生物樣品位置,據(jù)需要放大2 000~7 000倍或放更大倍數(shù),直接鑒定顆石藻殼體、盤星石碎片以及它們在鐵錳物質(zhì)碳酸鹽-磷酸鹽脈中的原生印模,該工作由俄羅斯專家Pulyaeva I A教授完成。
2.3 分子化石的提取和儀器條件
富鈷結(jié)殼樣品在溫度低于50℃條件下烘干,樣品粉碎至100目(粉末狀)。樣品用二氯甲烷和甲醇(分析純、全玻璃系統(tǒng)二次蒸餾、體積之比3∶1)提取72 h,加入標(biāo)準(zhǔn)樣品??偝樘嵛镄D(zhuǎn)蒸發(fā)至干,即得到樣品中的可溶有機(jī)質(zhì)(通常稱氯仿瀝青“A”)。然后將上述濃縮液用正己烷沉淀脫去瀝青質(zhì),再硅膠柱層析分離,分別用正已烷、苯和二氯甲烷/甲醇(1∶1)淋洗分離出飽和烴、芳烴、醇/甾烷和極性組分。
氣相色譜(GC)分析條件:采用HP5890氣相色譜儀,彈性石英毛細(xì)管柱(DB-5,30 m×0.25 mm內(nèi)徑、0.17 μm涂層厚度)。升溫程序:初始溫度80℃,升溫速率5℃/min,終至溫度280℃,保持30 min;氣相色譜-質(zhì)譜儀(GC-MS)分析條件:采用美國Finnigan公司的TSQ7000色質(zhì)聯(lián)用儀,HP-5MS石英毛細(xì)管柱(60 m×0.25 mm內(nèi)徑、0.25 μm)。程序升溫:初始溫度80℃,恒溫2 min—升溫速率8℃/min至220℃—升溫速率2℃/min至300℃,恒溫保持25 min。載氣He,氣化室溫度為3 002℃,質(zhì)譜儀電離方式EI;電離能量:70 eV;離化電流:400 μA;離子源溫度:185℃;掃描速度:1次/s,采集方式為全掃描檢測??瞻自囼?yàn)均未檢出分析物質(zhì)。
2.4 有機(jī)碳(TOC)及有機(jī)碳同位素測定
對樣品進(jìn)行預(yù)處理,將粉末狀的結(jié)殼放入玻璃燒杯中,加入2N HCl溶液,不斷攪拌,浸泡24 h,離心分離,并用去離子水洗至中性,以除去無機(jī)碳酸鹽,分析樣品經(jīng)40℃烘干,保存在硅膠干燥器中;有機(jī)碳同位素測定使用Thermo NE1112型CN元素分析儀,經(jīng)Conflo Ⅲ與Delta Plus AD同位素質(zhì)譜分析儀連接,在線進(jìn)行樣品分析。元素分析儀氧化爐溫度1 020℃,還原爐溫度650℃,填充柱溫度40℃,分別用USGS-24,GBW4408和IAEA-NI標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)對實(shí)驗(yàn)室鋼瓶CO2、、N2氣進(jìn)行標(biāo)定,碳同位素用PDB國際標(biāo)準(zhǔn)為參考標(biāo)準(zhǔn)。實(shí)驗(yàn)室的測定精確度為±0.2‰。樣品測試在國家海洋局海底科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成。
3.1 富鈷結(jié)殼生物地層
富鈷結(jié)殼中鈣質(zhì)超微化石的識別參考已發(fā)表的電子顯微鏡照片[9—11]。結(jié)殼殼層的定年根據(jù)每個被鑒定層位中鈣質(zhì)超微化石的年代交集來確定,特別是關(guān)注其中是否存在標(biāo)志種(時(shí)標(biāo)),基于它們在生物地層學(xué)時(shí)標(biāo)中的出現(xiàn)和未現(xiàn)帶或亞帶來確定[12—14]。本文中的每個鈣質(zhì)超微化石的時(shí)帶分布均參考沉積物巖心鈣質(zhì)超微化石分析的文獻(xiàn)資料[15—19]。
麥哲倫海山CM3D06富鈷結(jié)殼層位(老殼層)98~85 mm,化石群Zigodicusspiralis(見圖2a)、Watznaneriabarnesae(見圖2b)、Broisoniaparka,鈣質(zhì)超微化石-顆石藻(Watznaueriabarnesae)是白堊紀(jì)遠(yuǎn)洋沉積中最為常見暖水種之一[20],抗溶性最強(qiáng),一般不會因?yàn)槌蓭r作用而消失[21],因此時(shí)代劃分為晚白堊紀(jì)~70 Ma BP(或許更古老地層?)。結(jié)殼層位85~78 mm化石群組合有相當(dāng)大的層間變化,總體上對應(yīng)于Okada和Bukry劃分的化石帶CP8-CP9(對應(yīng)于55 Ma BP),由Coccolthusformosus、Discoastermultiradiatus(見圖2c)、Discoastermohleri、Discoastersp.(見圖2d)組成,時(shí)代劃分為早始新世-晚始新世。結(jié)殼層位58~68 mm化石群組合為Coccolithusformosus、Reticulofenestracoentura、Chiasmolithusconsuetus、Sphenolithusmoriformis、Transversopontispulcher、Ericsoniafenestrata,結(jié)殼地層形成時(shí)代對應(yīng)于NP14-NP20或CP12-15 (中始新世-晚始新世)。結(jié)殼層位(48~58 mm)Coccolithuspelagicus、Trochoasterduplex(見圖2e)、Pontosphaeradistincta,結(jié)殼形成時(shí)代對應(yīng)于NP14-NP20或CP12-15(中始新世-晚始新世)。結(jié)殼層位(38~48 mm)化石群組合為Ericsoniaobruta、Umbilicosphaerasibogae,結(jié)殼形成時(shí)代對應(yīng)于CN3—CN5a(中新世-晚中新世);結(jié)殼層位(5~28 mm)化石群組合為Cyclococcolithinaleptopora、Umbilicosphaerasibogae(見圖2f)、Oolithussp.、Neosphaeracoccolithomorpha、Ericsoniapauciperforata,結(jié)殼形成時(shí)代劃分為上新世-更新世。由圖3可知,麥哲倫海山區(qū)結(jié)殼底層98~85 mm超微化石組合代表年代為晚白堊系,層位85~78 mm超微化石組合代表年代為晚古新世-早始新世,層位78~68 mm為早始新世,層位68~58 mm為始新世(中期、晚期),層位58~28 mm為中新世(晚期、中期),結(jié)殼最外層位28~0 mm為上新世-更新世;從麥哲倫海山區(qū)結(jié)殼超微化石的組合面貌來看,較好的反映了從更新世到晚白堊紀(jì)時(shí)期的沉積序列。
3.2 生物先質(zhì)追索及其古生態(tài)意義
3.2.1 正構(gòu)烷烴分子組合特征
圖2 CM3D06結(jié)殼鈣質(zhì)超微化石的電子顯微鏡掃描圖片F(xiàn)ig.2 SEM photos of calcareous nannofossils from curst CM3D06
圖3 CM3D06結(jié)殼生物鑒定結(jié)果與年代Fig.3 Calcareous nannofossils stratigraphy for crust CM3D06
圖4 CM3D06 結(jié)殼地層中正構(gòu)烷烴氣相色譜圖Fig.4 Gas chromatography of n-alkane in the layers of crust CM3D06
層位/cm碳數(shù)范圍MHC-23/C+24CPIPr/PhPr/nC17Ph/nC18C31/nC1n生物地層學(xué)年代0~28nC14~C33C17 C29145157026029071110上新世—更新世28~58nC15~C33C17122103070045110078中新世(晚、中期)58~68nC15~C33C23111144127050077051始新世(中、晚期)68~78nC15~C33C23084120135081030055早始新世78~85nC14~C31C19045094088045034039晚古新世—早始新世85~100nC14~C33C20020109100032022053白堊紀(jì)
圖5 CM3D06結(jié)殼地層甾烷m/z 217質(zhì)量色譜圖Fig.5 Mass chromatogram of sterane m/z 217 in the layers of crust CM3D06
3.2.2 甾烷類分布類型
本文將規(guī)則甾烷C27作為大洋浮游動物源[22,25],將C28甾烷作為大洋浮游植物源[26],而C29甾烷在古老地層中具有雙重來源,既可能是陸地高等植物輸入,也可能是藍(lán)藻之類的輸入[27—28]。根據(jù)分子化石精細(xì)結(jié)構(gòu)的鑒定和質(zhì)譜圖顯示(見圖5),C29甾烷來自于海洋藻類的可能性遠(yuǎn)大于陸地高等植物源,這種異常分布暗示著不同尋常的生物源的存在,在晚白堊紀(jì)時(shí)代可能有特殊生物發(fā)育,C29甾烷優(yōu)勢很可能是來源于與現(xiàn)代的浮游藍(lán)藻有親緣關(guān)系的遠(yuǎn)海分布的光球疑源類[29]。
CM3D06結(jié)殼底層78~100 mm(晚白堊紀(jì)),正常甾烷分布為C29>C28>C27,呈反“L”型分布。從表2可見,中太平洋CM3D06結(jié)殼從底部—中間層—外層的規(guī)則甾烷C27、C28和C29含量分布特征完全不同,甾烷類這種分布不同型,即分子化石這種變化不但可能與浮游生物屬種的相互取代有關(guān),也與海洋環(huán)境全球氣候變化有關(guān),尤其是C27甾烷減少,可能暗示晚白堊紀(jì)部分生物由于環(huán)境改變而絕滅。在富鈷結(jié)殼層58~78 mm,甾烷分布為C29>C28 上述甾烷含量分布的變化,說明生物在晚白堊紀(jì)到更新世進(jìn)化過程中,生物有機(jī)質(zhì)的來源及化學(xué)結(jié)構(gòu)發(fā)生了改變,生物更替速率較快。晚白堊紀(jì)到更新世生物更替速率的加快從鈣質(zhì)超微化石的快速演化中可見一斑。鈣質(zhì)超微化石的某些屬種在地質(zhì)時(shí)期中延續(xù)短,演化快。以盤星石為例,它們在全球第三紀(jì)的地層中廣泛分布,在全球范圍內(nèi)具有同時(shí)性,到上新世末該屬種滅絕,因而作為深海沉積地層劃分的世 界性對比標(biāo)志種。David等[29]研究發(fā)現(xiàn),盤星石類的演化特點(diǎn)就是隨著地質(zhì)時(shí)代由老到新,從中新世開始骨骼退化,輻射枝數(shù)目由多變少。例如Discoastermultiradiatus為35枝,始新世的Discoasterbaebadiensis為18枝,漸新世的Discoasterdeflandrei為6枝。生物種類的改變,形成獨(dú)特的群落結(jié)構(gòu),無疑反映了大洋生態(tài)環(huán)境的演變[30]。 表2 CM3D06富鈷結(jié)殼甾烷分布特征 3.3 晚白堊紀(jì)以來海洋氧化—還原環(huán)境演化 結(jié)殼中Pr/Ph比值、有機(jī)碳含量以及可溶有機(jī)質(zhì)與大洋氧化還原環(huán)境的波動相對應(yīng)(見表3)。在CM3D06結(jié)殼生長初期(殼層85~100 mm處),即白堊紀(jì)晚期,Pr/Ph比值平均為1.00,表明當(dāng)時(shí)以弱氧化環(huán)境為主。CM3D06結(jié)殼層68.0~85.0 mm對應(yīng)時(shí)代為晚古新世-早始新世。在古新世-始新世之交,結(jié)殼Pr/Ph比值為0.88,為弱還原沉積環(huán)境。結(jié)殼層58.0~68.0 mm對應(yīng)時(shí)代為始新世(早、中、晚期),Pr/Ph比值為1.35和1.27,為氧化環(huán)境。CM3D06結(jié)殼層28.0~58.0 mm對應(yīng)時(shí)代為中新世(晚、中期),Pr/Ph比值為0.70,為弱還原環(huán)境,有機(jī)碳為0.029%。CM3D06結(jié)殼生長后期(殼層0~28 mm處),跨上新世到更新世,Pr/Ph比值為0.26,為強(qiáng)還原沉積環(huán)境,同時(shí)結(jié)殼層內(nèi)有機(jī)碳和可溶有機(jī)質(zhì)含量增高,δ13C發(fā)生正值偏移(為-22.893‰)。綜上所述,CM3D06結(jié)殼的分子化石類異戊二烯烴的姥鮫烷(Pr)/植烷(Ph)比值(0.26~1.35)的變化表明結(jié)殼生長經(jīng)歷了氧化—弱還原—氧化—弱還原—強(qiáng)還原的沉積環(huán)境。 現(xiàn)有研究一般認(rèn)為,晚白堊紀(jì)末氣候變冷,可能有深層水形成,致深海呈氧化環(huán)境[31];另一方面,晚白堊紀(jì)環(huán)特提斯海流的可能存在[32-33],或?qū)е麓笱蟛煌I降难趸€原條件有所不同。已有研究表明富鈷結(jié)殼是富氧沉積產(chǎn)物,但反過來講,富氧的沉積環(huán)境雖有利于富鈷結(jié)殼生長,但并不利于有機(jī)質(zhì)的保存,因此晚白堊紀(jì)殼層有機(jī)碳含量極低,僅為0.012%。在古新世-始新世之交,距今約55 Ma,氣溫上升,發(fā)生極熱PETM (Paleocene-Eocene Thermal Maximum)事件,海洋生物大量死亡[34],并在全球范圍內(nèi)形成缺氧沉積,與結(jié)殼Pr/Ph比值指示的弱還原沉積環(huán)境相吻合。始新世末與漸新世之交為急速度冷期,底層水溫驟降4~5℃,南極底層水(Antarctic bottom water,AABW)形成。在漸新世時(shí)(距今23~24 Ma)德雷克海峽開放,完整的南極環(huán)流形成,氣候進(jìn)一步變冷,AABW加強(qiáng),AABW流經(jīng)區(qū)域形成一定的氧化環(huán)境,這在結(jié)殼的Pr/Ph比值記錄中得以很好的體現(xiàn)。早中新世末期(16~15 Ma)氣溫有短暫回升,底層水溫增加了3.8℃,并伴隨一次海平面的快速升降[35],這可能導(dǎo)致深海轉(zhuǎn)為弱還原環(huán)境。 表3 西太平洋富鈷結(jié)殼CM3D06中有機(jī)碳和同位素組成、氯仿瀝青“A”和“A”/C比值 3.4 有機(jī)質(zhì)δ13C組成特征及其影響因素 在地質(zhì)歷史時(shí)期,氣候變化可引起海洋生物繁盛或衰退,同時(shí)伴隨大氣二氧化碳濃度和海水碳同位素的顯著改變,這些變化能夠被沉積有機(jī)質(zhì)的碳同位素所記錄。沉積物中有機(jī)質(zhì)主要來源于海洋生物分解后殘存的有機(jī)體,其TOC含量僅為0.01%~0.02%,δ13C組成偏負(fù),一般為-19‰~-23‰[35]。與此相對,陸源有機(jī)質(zhì)δ13C值變化區(qū)間為-26.3‰~-29.0‰[36]。本研究CM3D06富鈷結(jié)殼有機(jī)碳(TOC)含量0.012%~0.046%,有機(jī)碳δ13C變化范圍在-22.893‰~-25.127‰,具有明顯的海洋生物源碳同位素特征[37—38]。值得注意的是,樣品中的δ13C組成并不完全反映有機(jī)質(zhì)來源,隨著成巖作用增強(qiáng),富13C的醣類(-19‰)和蛋白質(zhì)(-18‰)的分解,也能夠引起有機(jī)質(zhì)碳同位素的負(fù)偏[39]。因此,如果考慮到δ13C組成的時(shí)間效應(yīng),更加表明海洋生物來源占絕對優(yōu)勢。 總體上,晚白堊紀(jì)以來CM3D06富鈷結(jié)殼有機(jī)質(zhì)δ13C呈現(xiàn)逐漸正偏的變化。富鈷結(jié)殼有機(jī)質(zhì)δ13C的這種變化與底棲有孔蟲殼體δ13C新生代以來總體趨勢[1]并不符合,很有可能說明富鈷結(jié)殼有機(jī)質(zhì)δ13C的影響因素更為復(fù)雜,難去代表大洋碳儲庫的變化。同時(shí),很顯然,新生代以來富鈷結(jié)殼有機(jī)質(zhì)δ13C正移的趨勢既不能用陸源物質(zhì)輸入增加來解釋,也不能用陸源碳庫δ13C的變化(C3和C4植物的演化)來解釋,因?yàn)椋懺从袡C(jī)碳δ13C要比大洋生物來源有機(jī)碳δ13C偏負(fù),且陸源碳庫δ13C的演化方式也與富鈷結(jié)殼有機(jī)質(zhì)δ13C的演化模式相反?;谝陨戏治觯覀冋J(rèn)為成巖作用影響下的碳同位素漂移可能是富鈷結(jié)殼有機(jī)質(zhì)δ13C組成演化的主要因素,即隨著成巖作用增強(qiáng),有機(jī)質(zhì)δ13C正偏。 (1)對西太平洋麥哲倫海山CM3D06富鈷結(jié)殼進(jìn)行了鈣質(zhì)超微化石生物地層學(xué)研究,發(fā)現(xiàn)了生長于白堊紀(jì)(晚期),古新世(晚期),始新世(早、中、晚期),中新世(中期),上新世(晚期)和更新世時(shí)期的鈣質(zhì)超微化石標(biāo)志性種群,并根據(jù)鑒定的鈣質(zhì)超微化石標(biāo)志種確定了CM3D06富鈷結(jié)殼不同層位的生長年代。 (3)Pr/Ph比值、有機(jī)碳含量以及可溶有機(jī)質(zhì)綜合反映CM3D06富鈷結(jié)殼的生長經(jīng)歷了氧化—弱還原—氧化—弱還原—強(qiáng)還原的沉積環(huán)境。深層海水的氧化所反映出來的通風(fēng)狀況的變化與全球氣候演化密切相關(guān)。 (4)CM3D06結(jié)殼中有機(jī)碳同位素組成呈現(xiàn)逐漸正偏的演化特征,與全球海洋碳庫的碳同位素演化特征并不符合,推測可能受到成巖作用的影響,具體原因有待進(jìn)一步深入研究。 [1] James Z,MarkP,Lisa S,et al. 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