第十章 古海洋学

第十章古海洋学第一节大洋盆地的起源和演化第二节古海水的历史第三节海洋演化中的若干重大事件一、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。古海洋学是研究海洋体系发展演化的学科(Kennett，1982)。主要是根据海洋沉积物研究地质时期里的海洋环流、海洋化学和海洋生产率、生物地理的演变过程。多数学者认为古海洋学是研究“大洋环流、化学、肥力和生物地理的历史”的科学。海洋体系包括：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。中国任美锷教授1984年提出古海洋学是研究海洋古环境或海洋地质历史的学科。包括海水温度、生物量、化学、古气候、古海洋及其与板块的关系、古海洋与现代海洋环境的关系等。汪品先教授(1989)认为古海洋学是海洋地质的一个分支；根据海洋沉积来研究地质时期里海洋水文、海洋化学及海洋生物的分布和演化过程。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。1968—1983年的DSDP和1985至今的ODP在古海洋研究方面取得成果包括：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。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。古海洋学是通过沉积物岩芯来推断全球环境的有关问题，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。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。第一节大洋盆地的起源和演化一、大洋盆地的起源大洋永存说：美国的丹纳（1847）等倡导的，他们认为，大洋是原生的，大洋地壳形成于地质历史的最初阶段，大陆则是后来形成并逐渐增生的，现代大洋盆地是大陆增长以后原始大洋的残留部分，在目前大洋的位置上从来不曾被大陆占据过。可是，一系列的地质资料，特别是古生物地理资料，促使修斯早在一个世纪前就已断言中生代中期前，现今印度洋以及南大西洋的位置上曾存在着冈瓦纳超级大陆，后来魏格纳进而认为曾有过统一的联合古陆。这些事实与大洋永存说根本对立。另外，若大洋果真如永存说所鼓吹的是形成于太古时期，尔后从未经历变动的话，那么，洋底钻探能钻遇古生代以至前寒武纪的巨厚沉积地层。然而，深海钻探的事实证明，洋底沉积层极薄且非常年轻，其年龄均不老于侏罗纪。大洋化说前苏联学者别洛乌索夫（1962、1970）提出，他认为在古生代末期以前，全球皆被大陆地壳所覆盖，太平洋、大西洋、印度洋地区在那时还不是大洋；古生代末至中生代初，来自地幔的基性、超基性岩浆大规模上升，大陆地壳破裂为块状，并与上升的基性、超基性岩浆混合，遭受变质，密度加大并沉入地幔之中；大陆地块沉陷之处，形成洋盆；随着玄武岩浆的喷溢，洋盆底部覆盖上一层玄武岩层。这便是大陆地壳的基性化或大洋化作用。上述两种假说均属固定论观点。大洋化说虽然解释了大洋的年轻性，但在论述大陆地壳究竟如何沉没为大洋地壳时所提出的基性化具体作用过程，很难令人完全信服。别洛乌索夫主张地壳运动以垂直升降为主，不承认大规模水平方向的大陆漂移和板块运动。根据地壳均衡原理，很难想象厚而轻的大陆地壳会发生大规模整体陷落，甚至转化成为截然不同的薄而重的大洋壳；阿尔杜什可夫尖锐地指出，普通地壳与地幔组分的混合总是比地幔物质轻，故不会沉入地幔中。由此看来，大洋永存说并不可信，大洋化说亦不足取。大陆飘移、海底扩张和板块运动的概念，使人们对于洋盆地演化的认识发生了根本的改变。以板块构造学说为代表的新活动论认为，大洋诞生于大陆张裂的裂谷地带，象东非那样的大裂谷可视为大洋演化的胚胎期。在大陆裂谷阶段，地幔物质向上涌升，地表可被抬升成为窟窿形隆起；在张力作用下，大陆地壳被拉伸变薄，并沿薄弱地带形成一系列断裂和地堑，出现深陷的谷地和湖泊，而且伴随着碱性玄武岩浆的喷出。这一阶段，地壳张裂相当缓慢。可能会持续数千万年之久。当大陆岩石圈终于被拉断裂开而丧失了完整性，地幔物质随即沿裂谷涌出形成新的大洋地壳，这就意味着一个新的大洋已经诞生于世。新的大洋通过海底扩张作用不断成长壮大，而一个成熟的大洋又可以通过海底俯冲作用逐渐收缩变窄，甚至关闭消亡。加拿大学者威尔逊首先注意到大洋又开合的不同发展趋势，并依据板块构造学说将大洋盆地的演化划分为六个发展阶段，被后人称之为威尔逊旋回。这一活动论观点，为当代大多数地球科学家所赞同，并受到广泛的支持。二、威尔逊旋回威尔逊（1966，1973）提出的大洋盆地演化分为六个阶段，从早到晚依次为：胚胎阶段、幼年阶段、成年阶段、衰退阶段、终了阶段和遗痕阶段，并对各阶段的主要运动、特征形态、典型火成岩、典型沉积和变质作用作了表述：威尔逊旋回的前三个阶段表征了大洋盆地的形成和张开，后三个阶段则标示了大洋盆地的收缩和关闭。阶段实例主导运动特征形态典型火成岩典型沉积变质作用Ⅰ胚胎期东非裂谷抬升裂谷拉斑玄武岩溢流，碱性玄武岩中心少量沉积作用可忽略Ⅱ幼年期红海、亚丁湾扩张狭海（有平行的海岸及中央凹陷）拉斑玄武岩溢流，碱性玄武岩中心陆架与海盆沉积，可能有蒸发岩可忽略Ⅲ成年期大西洋扩张有活动中脊的洋盆拉斑玄武岩溢流，碱性玄武岩中心，但活动集中于大洋中脊丰富的陆架沉积（冒地槽）少量Ⅳ衰退期太平洋收缩环绕边缘的岛弧及毗邻海沟边缘的火山岩及花岗闪长岩大量源于岛弧的沉积物（优地槽）局部广泛Ⅴ终了期地中海收缩并抬升年青山系边缘的火山岩及花岗闪长岩大量源于岛弧的沉积物（优地槽），可能有蒸发岩局部广泛Ⅵ遗痕(地缝合线)喜马拉雅山的印度河线收缩并抬升年青山系少量红层广泛（一）胚胎阶段东非裂谷是大洋盆地演化的胚胎阶段的实例。该裂谷宽30—60km，全长4000km，两侧有高角度正断层。其内发育了一系列深陷谷地和狭长湖泊，如坦噶尼喀湖长600km，深达1435km。由于地幔物质的上涌，致使裂谷内火山、温泉众多，浅源地震频繁，地壳被位伸而变薄（从40km减至30km），热流值增高（2—4/µal/cm2s）。随着大量玄武岩的喷发（拉斑玄武岩、碱性玄武岩），大陆裂谷也就转变成发育于洋壳上的中央裂谷，从而表明一个新的大洋即将诞生。（二）幼年阶段红海是大洋盆地演化为幼年阶段的实例。大约在2000多万年前，红海开始张开，其中轴部有裂谷发育。当大陆在拉张作用下完全裂开，裂谷增宽，深陷的谷底涌进海水时，便成为幼年海洋。比红海更为年轻的幼年海洋是加利福尼亚湾。亚丁湾和加利福尼亚湾一样，也是幼年海洋，湾内均发育有洋中脊及错开脊轴的转换断层，海底一些地段还见有纵向的磁异常条带。（三）成年阶段大洋盆地演化为成年阶段的实例是大西洋。幼年海洋进一步张开，两侧大陆愈益分离，逐渐形成宏伟的洋中脊山系和开阔的深海平原，其两侧发育有被动大陆边缘，大洋的发展进入成年期。今日的大西洋和印度洋已是浩瀚的成年大洋，然而在当年，它们也经历过自已的胚胎期和幼年期，均是从无到有、从小到大逐渐发育起来的。（四）衰退阶段随着大洋不断扩张，大洋边缘（或大陆边缘）离开中脊的距离越来越远，岩石圈不断冷却变重并向下沉陷；同时，由于被动大陆边缘上接受巨厚沉积物，地壳均衡作用就会使洋缘的岩石圈下沉、潜没于另一侧之下，随即出现了洋缘的海沟和板块俯冲带，被动大陆边缘于是转化成为岛弧可活动大陆边缘。当板块的俯冲作用占优势，即洋壳在海沟的消减量大于中脊处的新生量时，大洋盆地的演化便进入衰退期，太平洋即为其实例。（五）终了阶段现代地中海（主要指它的东部）为古地中海收缩后的残余海洋，其内不见活动的洋中脊，海盆相当窄小，标志着大洋盆地演化到了终了阶段。中生代的古地中海，北缘横贯着一系列海沟俯冲带，颇似今日大西洋的情景；南缘濒临印度、阿拉伯、北非等陆块，为宽缓的被动大陆边缘。随着其南缘陆块的向北推进，古地中海洋底沿着北缘的海沟向北潜入欧亚大陆之下，洋盆日益缩小，逐渐关闭。至今，东地中海海底仍沿着北缘的海沟向北俯冲。（六）遗痕（地缝合线）阶段终了阶段的残余海洋继续收缩，当洋壳俯冲殆尽，洋盆闭合消逝、海水全部退出之时，洋盆演化就进入了遗痕阶段。古地中海除现代地中海以外的其余部分，新生代以来由于洋壳的俯冲而关闭，印度、阿拉伯陆块与欧亚大陆相遇碰撞，产生很大的挤压力，于是引起岩层褶皱、断裂、逆掩、混杂，地面向上隆升，形成了巍峨的褶皱山系（如喜马拉雅山系等）。那里是已消逝的洋盆的遗痕（地缝合线），其中往往会留下古洋壳的残片（即蛇绿岩套），如印度河——雅鲁藏布江一线确实存在着呈条带状展布的蛇绿岩。从深海动物群的进化看来，大洋是一种相当古老的地质体。据研究，海水的存在几乎可以与大陆地壳的历史相提并论。所以，尽管洋底是年轻的，但却不能简单地把所有大洋都当作是最近两亿年来新生的。实际上，大洋的历史是漫长的，洋盆的位置也在不时变动着，海水可以从关闭着的洋盆退出，涌入扩张新生的洋盆中。威尔逊旋回的演化形式，可能在数亿年乃至十几亿年前的古老地质时代就已经存在。寻找关闭消逝洋盆的最重要标志是蛇绿岩套，而古生代的蛇绿岩套广泛地出露于北美东部的阿巴拉契亚山系、欧洲西北部的加里东褶皱山脉、欧洲和亚洲之间的乌拉尔山脉以及中亚——蒙古褶皱山系等。这说明，至少从古生代起，大陆就被运动着的板块带来带去，曾经反复地裂离和碰撞，而洋盆则屡经张开和关闭。正如古地中海关闭消逝于中、新生代的阿尔卑期——喜马拉雅山系一样，有许多古老褶皱山系中；大陆则在反复离合变动的过程中变得越来越复杂了。威尔逊所表达的板块构造模式，不仅为大洋盆地的演化提供了比较圆满的解释，而且为大陆地质的研究开拓了新的局面。第二节古海水的历史海水及整个水圈的生成，与地球物质的整体演化作用有关。早在18、19世纪，就有一些学者推断，地球在生成初期曾处于熔融状态，从地球内部析出的水蒸汽及其它气体在地球表面构成了原始大气圈。随着地球的冷却，原始大气圈分离形成原始海洋以剩下的大气圈。根据此说，大洋水是在地球发展历史的早期阶段形成的。近年来，许多学者主张，水汽和其它气体是通过岩浆活动和火山作用从地球内部不断排出的。一般认为大洋水主要是地球演化的较早时节排出的，现代排气（火山）已十分缓慢。地史早期火山所排出的水汽凝结为液态水，积聚成原始海洋；还有一些火山气体溶解于水，并转移到原始海洋中。而另外一些不溶或微溶于水的气体则组成了原始大气圈。原始海洋和水圈至