海洋地质学复习(第十章古海洋学)

海洋地质学复习第十章古海洋学1．1968—1983年的DSDP和1985至今的ODP在古海洋研究方面取得成果(1)中生代至今洋流格局变化过程及其影响；(2)晚白垩纪以来大洋水温的阶状变冷；(3)大洋和地中海盐度的变化；(4)白垩纪末生物灭绝事件的始末；(5)大洋缺氧沉积特征和意义；(6)新生代大洋海面的变化；(7)海水溶解作用与古CCD线的升降；(8)沉积碳酸盐和大洋生产力变化；(9)综合若干地质事物勾划出新生代古海洋的演化历史。2．古海洋学的一些相关知识1．概述：古海洋学——60年代末期开展DSDP以来，从深海底岩芯得到了有关海洋发展演化的许多信息，从而创立的一门新的学科。古海洋学是一综合性新学科。涉及地质、生物、化学、水文、气象等多个学科领域。古海洋学是研究海洋体系发展演化的学科。2．古海洋学体系（1）海水温度、盐度、密度以及洋流的发展和演化；（2）底层环流格局的演变历史和影响；（3）浮游底栖生物的地理发展；（4）海洋生产力的历史变化及其对沉积物分布的影响；（5）碳酸钙和硅质沉积的溶解历史等。3．现存局限性：(1)DSDP/ODP钻孔只限于某些区域，难以真正掌握全球信息；(2)岩芯采取率仍不理想；(3)年代精度不够；(4)生物扰动干扰了一些地层顺序；(5)沉积物成岩作用在各地有差异，影响对环境的推断。4．古海洋学是通过沉积物岩芯来推断全球环境的指导思想：1）将今论古、比较转化的思想方法。比较沉积学是把现代环境参数用于古代，分析并解释古代。就是把当代的比较分析转化到古代沉积物的分析中去。2）全球变化思想方法。古海洋学分析问题始终以全球变化观点为指导，常由一孔岩芯的结论推断对全球的影响，或从一种环境的变化推断对全球其它环境的影响。如某一海峡的开通引起洋流路线改变，从而影响大气环境、气温、降水和侵蚀间断面的发育。3）强调动态古地理时空研究的思路。岩相古地理的研究，往往注重地质体的机械记录，而古海洋学是以运动的方式恢复古地理，强调它们的时空关系。同时使用站位回溯法，推断多少年以前此地质体的地理位置，始终以动态的观点分析古海洋。、4）强调事件地质的研究方法。事件地质是指某特定时期、特定环境下形成特定的与现代环境不协调的地质体。通常指全球性事件。正地质事件指留下了沉积物，如洪水泛滥、风暴潮沉积；负地质事件指较大的沉积间断。古海洋就是依靠若干地质事件的澄清将海洋演化史串连起来的。5．古海洋学与现代物理海洋学有明显的差异：(1)古海洋物理参数的估算是通过间接途径得来的，而现代物理海洋参数是通过直接测量和计算得来的；(2)古海洋学的时间尺度包括几十年、几百年、几千年、至百万年，而物理海洋学只包括几年甚至当年参数变化的尺度。6．古海洋地层研究主要解决两大问题：1、了解古环境定相；2、确定沉积时代，历史分析。前者使用岩性地层学和气候地层学知识；后者依靠年代地层学和生物地层学的方法。3．古海洋环境及相关知识古海洋环境体系包括水温、水深、盐度、洋流结构、海水化学、生物和生产力等。取得这些参数的方法与现代海洋学方法不同，采用地质学、沉积学、古生物学和地球化学等方法。1）古水温测定：水温和气温同步，而古气温高低可从地层的岩性和古生物属种取得。气温(或水温)的量值(度数)，目前多使用氧同位素法来测定。这是利用氧同位素的分馏作用测定地质时期海水温度的方法，又称18O法。自然界中的氧元素由16O，17O和18O组成，16O最活跃，18O最稳定,通过物化作用(蒸发、结冰和溶解等)时，16O先离去，180最慢，它们相对比例的变化，即分馏作用。气温升高时，陆上冰融水(以16O为主)流人海中，导致海水的18O／160(160)降低，有孔虫壳中的180就变小。据计算，水温每上升10C，180就降低0.2‰。用质谱仪测地层中某有孔虫壳中的180，再经校正后就能得到该地层沉积时的温度。如180从-1‰降到-2‰，即水温升高50C。2）古盐度测定：(1)硼含量法。硼在海水中以硼酸形式出现，海水中硼的浓度变化与盐度呈函数关系，粘土矿物对硼的摄取与盐度成正比例，硼混杂于粘土矿物和细粒沉积物中。现代海水含硼4.7×10-6，海洋沉积物含硼100×10-6，不同时代同一沉积环境硼含量的变化应指示大洋海水中硼含量，即盐度的历史变化。(2)沉积磷酸盐法。该方法又称SMP法。在淡水中，磷酸根与铁结合成磷酸铁，在咸水中磷酸根与钙结合成磷酸钙。在河口区，磷酸钙与磷酸铁之比值随盐度的增加而增加。3）古水深测定：(1)以古生物标志古水深：肖普夫综合出三种基本方法：1)以某些生物对光合作用的适应能力定水深；2)利用生物的机械适应性定水深；3)利用微体生动的种、群组合定水深。斯特曾根据从陆向海剖面上硅质底栖种、钙质底栖种和浮游种三类有孔虫百分比的变化作成图10一1，据图可查出自岸至150米水深内每一水深三类种的比例关系，据样品中该三类种比例可推断出水深。(2)以沉积物能量带标志水深：不同水深波能大小和作用方式不同，自浅至深，可以划分成若干个能量作用带和能量分级界面，如海岸线，水深等于零；波浪基面的水深，大约等于1—2个波高；氧化还原界面，用Fe3+／Fe2+标志，通常接近浪基面；现代碳酸盐沉积界面约4500m。(3)以沉积物中某些矿物、沙波底形和粒度参数推断水深。4）大洋古生产率计算生物在能量循环过程中固定能量的速率称为大洋生产力，即单位面积海洋，单位时间产生有机质的数量，单位是g/cm2·a或g／m2·a。从地层中求有机碳含量(古生产率)。5）古洋流4．在深海钻探上常用的测年方法(1)14C测年。利用14C衰变与时间的函数关系测定沉积物年龄。14C半衰期为5.73ka,此法只可测40Ka以内的数据，在无外来污染情况下测年精度较高。(2)铀系法测年:利用铀系元素衰变与时间的关系测量沉积物年龄，铀系列元素很多，用于海洋沉积物测量的有234V／238V法、230Th／232Th法、210Pb法，前两种方法测年范围均为0.05～3.5Ma，后一方法测年范围在100a之内。(3)裂变径迹法测年:通过测量放射性元素裂变的径迹数目来测定地质年龄。测年范围0.1～2Ma。多用于测量火山灰、古土壤、侵蚀面等。其他测年方法还有K—Ar法(测年范围大于0.5Ma)、ESR法(10～nMa)、热释光法(50Ma)，氨基酸法（0.01—0.1Ma）。5．白垩纪末的生物灭绝事件白垩纪末，世界上共有生物2868个属，至第三纪初期，只剩下1502个属，大约有1／2的属灭绝了(Rusell，l977)，这一现象一般称为生物灭绝事件。（1）界面粘土层的18O突然降低了1.6×10-3(界面以上先有一表层水低温异常为十0.35×10-3，然后出现高温异常一1.25×10-3)，表示当时海水温度突然增高5—100C；（2）界面粘土层的13C突然降低了1.5×10-3—1.8×10-3(从界面以下的2.93×10-3)表明当时海洋表层生物大量灭绝；（3）界面粘土层的CaCO：含量从界面以下的30一40×10-3至紧接界面处减至0.13×10-3，降低20多倍，说明当时表层海水基本上没有微体生物及钙质超微体生物，CaC03含量减少；（4）界面粘土层的铱(Ir)含量比上下地层增高了约30倍(紧靠界面之上出现铱含量异常峰值3.3×10-9)，而地球上常见的稀土元素含虽则极为贫乏；（5）海水中超微化石含量在粘上层以上急剧下降，说明这类生物大量灭绝。陨星撞击地球的解释：（1）太阳和陨石的铂族元素(包括Ir)含量远远大于地球(地壳和地馒)，界面粘土层中Ir剧增是陨星碎屑(或尘屑)的混入所致。（2）界面粘土层中石英晶体的分子结构特征证明曾受过高压作用(即星体撞击)。（3）陨星撞击地球时会释放出巨大的能量。在冲击过程中，大气中的氮和氧可能化合生成氧化氮，这将耗尽地球上的臭氧层，在一定时期内，强烈的紫外辐射可以杀伤生物。（4）小行星撞击地球，可扬起大量尘埃，散布于大气圈内数月不散。植物的光合作用受到抑制，引起食物链的崩解，危及一系列生物。（5）陨星撞击释放出的巨大能量足以使大洋表层50m深的海水以及大气圈对流层下部的温度上升5—100C，水蒸气的温室效应也会使气温升高。全球水温上升100C时，许多笨重的兽类可能难以维持其体温。近来的研究发现爬行动物后代的性别取决于孵化的温度，例如在温度超过340C时,孵出来的鳄鱼全是雄性的，若恐龙在高温变成雄性而无雌性，白然也会绝灭。6.始新世末一渐新世初、中中新世和晚上新世—第四纪三个降温事件新生代海水变冷的基本特点是：(1)不不是是一一个个平平衡衡的的渐渐变变过过程程．而是在温度下降的总趋势上叠加着几次急剧的气候波动。(2)新生代的变冷主要反映在高纬地区，而低纬地区变冷不明显。(3)深层水明显变冷，表层水温变化较小。7．海平面变化与海侵海退事件海平面升降的实质是海侵与海退，是古地理的变化，地质时期的海平面一直处于升降变化之中，就目前所知地质时期海面升降的最大幅度达300m以上。引起海面升降的因素有：（1）海洋水量变化：间冰期，陆上冰碰水流人海引起海面上升；冰期大量海水赋存于陆上，海面下降，冰期间冰朗海面降升的幅度达100m以上。Schopf(1981)认为冰川影响海面变化的幅度为100—2帅m。火山喷发带来原生水补给海洋．每1Ma可使洋面上升1m。（2）构造使洋盆容积变形引起海面变化。现代海底扩张可引起l0m／Ma的变化幅度，长期海底扩张可导致海面发生300—500m的变化(Schopf，l981)。（3）沉积物填于洋盆，使洋面上升，按现代速率每1ka可使海面升4mm，每1Ma升40m。（4）冰川、水和沉积物的均衡作用使洋底下降，容积增大，从而引起海面变化。（5）水温和盐度的变化引起海面升降。水温每升高10C，可使洋面上升0.6m；盐度降低，使洋面上升。8．古洋流演变环流的变化除受古气候影响外，还与板块运动所引起的海洋与大陆分布格局的变化密切相关。白垩纪整个海洋都是比较温暖的，底温在150C左右(现代为20c左右)．两极、赤道温差很小，水温的垂直梯度也不大，而且陆缘海蒸发高，高盐水的范围比现在大，成为深层水的来源，与现在比较可称为盐度驱动型洋流，环流十分微弱。从始新世开始，海水逐渐变冷，距今38Ma的大规模降温事件，使南极冰川达到海边。南极周围形成冷水团，该冷水团又顺洋底向北移动，形成了由高纬向低纬的垂向环流。环流的建立使白垩纪以来主要由大洋盐度驱动型环流转变成主要由温度驱动的环流，从而增强了底流的动力侵蚀和化学溶蚀作用(冷水含C02多，溶蚀强)，这使多处洋底被冲成沉积间断。绕南极环流的形成是世界洋流演化史上第二次重大事件。它的形成与板块运动有密切关系：在始新世澳大利亚与南极洲分离，但南美洲与南极洲间、南极洲与塔斯马尼亚岛间仍有狭窄陆地相联，故环南极流尚未形成。早渐新世，塔斯马尼亚海峡开通，使南印度洋高纬地区的较冷表层水流人罗斯海。此前，罗斯海主要受较暖的东澳大利亚洋流的影响，故表层水温很低。新的冷水进入罗斯海，使水温降低。形成海冰，并产生底层冷水。南美洲与南极洲间的德雷克海峡，则于晚渐新一早中新世开通，在极地东风影响下形成绕南极环流。绕南极环流的形成大大改变了世界洋流的格局，在地质上影响很大；它限制和破坏了南太平洋和南大西洋与南极间的副极地右旋环流，增强了西风漂流的规模；环流隔开了南极低温和赤道高温问的水温渐变格式，增大了两地间的温度梯度；由于沿环流冷暖水梯度大，因此发展了极地上升流，形成绕南极的生产率高值带。另一个重要海道是南、北美洲间的巴拿马地峡。在中生代和早第三纪，世界赤道地区的洋流是相通的，温暖的古特提斯洋流环赤道地区东西向流动，赤道环流在世界环流中居重要地位。早渐新世，亚洲与非洲间是陆地衔接的，特提斯洋开始解体，但连接北美洲和南美洲的巴拿马地峡尚未形成，太平洋与大西洋间仍有狭窄海道(巴拿马一带)相通，故当时大西洋的北赤道和南赤道洋流的水有一部分流人太平洋加入古特提斯洋暖流。巴拿马地峡形成于36—32Ma间。欧亚大陆与非洲、阿拉伯的相遇汇合，使东特提斯海道关闭，这导致印度洋