大洋红层的分布、组成及其科学研究意义综述

大洋红层作为一种特殊的海相沉积,代表了典型的富氧沉积环境,具有重要的科学研究价值。从大洋红层发现以来已开展大量的研究,但研究主要集中在白垩纪大洋红层,对整个大洋红层的特征及其科学研究意义的认识还不够全面。因此,在回顾大洋红层研究进展的基础上,总结其全球性的空间分布特征,对矿物和元素组成进行对比,发现主要矿物组分和元素组成与大洋红层的致色并无直接关系,而主要受到区域环境和物源来源的影响。大洋红层的致红是由铁氧化物或者含锰方解石控制,主要有2种成因机制:(1)因氧化条件而形成致色矿物;(2)因低沉积速率而形成致色矿物。因此,大洋红层所具有的独特成因机制和全球分布特征,使其对指示古沉积环境特征、重建古洋流发育、推测古气候变化具有重要的科学研究意义。在已有研究进展的基础上,提出未来展望,以期从多元化方向对全球大洋红层开展深入的研究。     

“白垩纪大洋红层——海洋/气候响应”研究进展综述

“白垩纪大洋红层”是中国学者提出并开拓的白垩纪研究新方向。在其所领导的两个国际地质对比计划项目(IGCP463/494)的推动下,“白垩纪大洋红层”所蕴含的古海洋与古气候意义,正引起越来越多的学者的重视。特别是近几年召开的学术会议对“白垩纪大洋红层”研究起到了很好的推动作用: (1)在2002 年度IGCP463 项目启动会议上,对“白垩纪大洋红层”的研究现状进行了初步的交流,制订了项目研究的总体目标和未来五年工作计划,并考察了亚平宁—阿尔卑斯—喀尔巴阡沿线的大洋红层;(2)2003 年度的IGCP463 工作会议和IGCP494 启动会议,不仅积累了大洋红层研究的资料,而且将白垩纪大洋红层研究推进到白垩纪中期;(3)2004 年度两个项目的工作会议,以及通过在第32 届国际地质大会特别讨论会的工作,进一步推进了大洋红层的研究,并将“白垩纪大洋红层”研究介绍给广大的国际地球科学界;(4)在欧洲地球科学联盟2005 年会上,“白垩纪大洋红层”研究体现出了多学科共同参与的可喜现象。回首近几年来的研究历程可以发现,“白垩纪大洋红层”研究已实现了如下转变:(1)从区域性研究到全球对比综合研究的变化;(2)从由中国科学家单独研究变为多个国家的科学家申请到项目和经费共同研究;(3)从举办IGCP项目学术年会快速向国际大会或     

大洋红层与大洋富氧事件

大洋红层是指深水远洋、半远洋环境下,富氧条件下形成的一套以红色、紫红色为主的沉积物.最先由中国学者王成善、胡修棉等在研究西藏白垩纪床得组红层时提出,后来研究表明,与西藏床得组类似的白垩纪大洋红层广泛分布于世界各大洋和西特提斯的广大地区(土耳其、意大利、奥地利)[1],现已成为白垩纪研究领域的一个新的科学前沿.     

西藏江孜地区海相白垩系铁赋存状态及古海洋意义

白垩纪黑色页岩至大洋红层的转变,预示着古海洋氧化还原条件及海洋-气候系统的改变。海相白垩纪黑色页岩与大洋红层在我国西藏江孜地区广泛发育,其中床得剖面已经成为海相白垩系研究的经典剖面之一,根据岩性的不同以及剖面上所表现出的风化色差异,床得剖面自底部至顶部可分为黑层段、白层段和红层段等岩性单元。本文以床得剖面为代表,分析了江孜海相白垩系黑色页岩至大洋红层样品中铁、铝含量、Fe3 /Fe2 比值的变化规律、铁的富集特征及其漫反射光谱特性。红层的铁、铝含量及Fe3 /Fe2 比值均远高于其它层位。红层中铁铝含量呈线性相关,认为红层中的铁元素主要来源于陆源输入,铁在红层中富集,是由于陆源输入的增加造成。而黑层和白层中铁铝相关系数很低,可能的解释是由于这两个层段中常见的黄铁矿化结核而导致铁的流失。漫反射光谱学实验显示黑层段和白层段下部的漫反射光谱略显435nm处针铁矿特征峰值,白层段上部反射光谱的峰值不明显,而红层样品在波长565nm处呈现赤铁矿特征峰值。因而,在红层中铁矿物主要以赤铁矿形式存在,而黑层和白层下部有针铁矿存在,在白层上部没有高价态铁矿物。床得剖面的红层段铁富集程度很高,黑层段和白层下部铁相对较为富集,而在白层上部,铁呈亏损状态。综合以上研究结果,我们认为江孜地区红层沉积时期大洋底层水为富氧状态,而黑层和白层下部可能为弱氧化状态,大洋缺氧沉积出现于白层上部。     

白垩纪世界与大洋红层

白垩纪代表着地质历史中的一种极端的温室气候,已被国际地球科学界视为研究地球系统科学的典型范例。文中在评述白垩纪沉积作用、古气候、古海洋研究中取得的重要进展基础上,重点介绍推动白垩纪研究核心问题之一的黑色页岩和大洋缺氧事件以及由中国学者提出的白垩纪大洋红层和富氧作用。大洋缺氧事件与大洋红层的研究因其与碳氧循环、古气候和古海洋变化的紧密关系,已经成为国际白垩纪研究中的热点问题,并在今后一段时期内继续引领着白垩纪古海洋、古气候变化研究的不断深入。     

白垩纪大洋红层的致色机制及成因研究

为了查明白垩纪大洋红层的致色矿物及其赋存状态,并探讨白垩纪大洋红层可能的制约因素及成因模式,本文以中国西藏床得剖面红色页岩、意大利Vispi Quarry剖面红色灰岩以及北大西洋ODP1049C孔12X岩芯段Aptian-Albian期高频旋回红色泥灰岩为研究对象,对各剖面(或岩芯)中的红色和非红色样品分别进行了X射线衍射和漫反射光谱测试,同时对配制的含赤铁矿的标样进行了同样的测试。测试结果表明,无论是红色页岩、红色灰岩,还是红色泥灰岩,赤铁矿都是主要的致色矿物,其中西藏床得剖面红色页岩由结晶较好的碎屑状赤铁矿和结晶较差的细分散状的赤铁矿共同致色。在意大利Vispi Quarry剖面红色泥岩中,结晶程度相近的赤铁矿是唯一的致色铁氧化物,而在ODP1049C孔红色泥灰岩中,结晶差的赤铁矿和针铁矿的出现是泥灰岩呈红色的矿物学根源。赤铁矿的形成主要受铁的来源、沉积时的氧化还原条件以及成岩作用的影响,这些因素也成为制约红层形成的关键因素。本课题组在多年研究的基础上,结合前人研究成果进一步从矿物学的角度深化了大洋红层的成因模式。     

现代大洋红色粘土与白垩纪大洋红层元素地球化学对比

现代大洋红色粘土形成于沉积速率和生产力都极低、相对氧化的深海环境(CCD界面之下),在元素地球化学上有以下特征;①主量元素中Fe主要为陆源输入,低度富集,但Fe3 /∑Fe值很高,主要以Fe3 为主;Mn主要以MnO2自生沉积,高度富集;Ca强烈亏损;②微量元素Co、Cr、Cu、Ni、V、Zn在红色粘土中基本为低度富集,个别富集程度异常高者,可能受到热液的影响;③红色粘土中Ce出现强烈的正异常,这是沉积速率极低的相对氧化条件下,Fe-Mn氧化物\氢氧化物吸附沉积所致;④红色粘土中有机碳含量极低,而且反映生产力状况的Si、P、Ba均表现为亏损一低富集,反映了极低的生产力.极低的沉积速率和生产力很可能在红色粘土的形成过程中起主导作用.白垩纪大洋红层元素地球化学特征与现代大洋红色粘土有很大的相似性,Fe主要以Fe3 为主,Mn富集;Co、Cr、Cu、V、Zn亏损一低度富集;有机碳含量极低,Si、P、Ba亏损一低度富集,但细节上两者又存在一些不同:大洋红层中Ca出现高富集,反映其沉积在CCD界面之上或附近;大洋红层中Mn主要为MnCO3,这是CCD界面附近或之上,MnO2随埋藏加深被还原所形成;Ce在红层中出现强烈负异常,说明底层水中Ce亏损,暗示了Ce亏损的氧化洋流.由于白垩纪大洋红层的沉积速率普遍高于现代大洋红色粘土,其形成主要受氧化的底层洋流控制.这种富氧洋流很可能是C/T缺氧事件后大气CO2降低、氧含量增加、全球变冷,使得海水溶解氧浓度相应增加所形成.     

白垩纪“温室”气候与海洋

白垩纪典型的"温室"气候和海洋一直是地学界关注的焦点之一.与现今地球"冰室"状态相比,温室状态下的气候和海洋遵循着不同的运行模式.本文在近年来取得的大量同位素、古生物以及气候和海洋模拟实验数据的基础上,评述了白垩纪古气候和古海洋研究中取得的重要进展.化石氧同位素数据揭示白垩纪全球平均气温比现今高3～10℃,海洋纬向温度梯度仅0.15～0.3℃/1°,全球海洋结构和大洋环流可能与现今完全不同,大洋环流的驱动很可能是盐度变化而不是温度差异.白垩纪深水沉积显示出从早白垩世碳酸盐台地相、含黑色页岩夹层、黑色页岩和大洋红层大规模出现一直到晚白垩世整体以大洋红层为主的转变.对该沉积转变机制及其与古海洋、古气候关系的研究正是IGCP463/494的主要科学目标.     

沉积记录与白垩纪地球表层系统变化

地球表层系统是由岩石圈、大气圈、水圈和生物圈相互耦合和变化组成的复杂巨系统。白垩纪是地球表层系统研究的典范,在地球表层各圈层发生了众多重大地质事件。晚白垩世巨大的地幔热异常引起海底扩张速度变快,导致大量海底高原和海山的形成;同时,冈瓦纳大陆裂解,南北大西洋贯通,新的大洋水道形成,可能造成大洋环流格局的大变化。洋壳体积的增加可能使白垩纪海平面比现在高出200~300 m,大规模海侵也在晚白垩世中期达到最大范围。在这个过程中,火山作用释放出来的营养物质和火山气体的反馈作用造成的大量陆地营养物质的流入共同促使大洋水体富营养化和普遍缺氧,造成“大洋缺氧事件”。CO2浓度的升高（为现今的4~10倍）是火山排气作用的直接结果,其“温室效应”也被认为可能是促成白垩纪大气和海水高温的重要原因（高于现在10 ℃）。大洋红层（CORB）是最新提出并被广泛接受的白垩纪重要地质事件,被定义为一套分布在从外陆棚到CCD面之下深水盆地的,在富氧、低生产力和贫营养条件下较低速沉积形成的品红-红色-棕色的细粒远洋沉积物。这些发生于地球表层各圈层的重大地质事件以能量循环的方式（具体表现为C、S、P、H、O等元素循环）相互耦合和变化共同支撑着地球表层系统的运转。但是科学界对这些重大地质事件的成因机制及其所引起的全球变化性质还没有形成一致意见,原因之一就是缺乏对陆相沉积记录的研究。陆相白垩系的广泛发育和“松辽盆地白垩系科学钻探”工程的顺利实施共同构成了中国在白垩纪地球表层系统研究上的地域和材料优势,结合中国在白垩纪地球表层系统重大地质事件研究中已经形成的学术优势,从地球系统科学的角度出发,通过多学科交叉研究将是解决以上问题的关键。     

“白垩纪重大地质事件与地球系统”国际学术研讨会将于2006年9月3—5日在中国北京举行

白垩纪被认为是地史时期地球系统研究的典型范例时期，曾发生若干重大地质事件，如大型火成岩省、超静磁期、大洋缺氧、大洋红层、海洋与陆地生物演替等事件。开展白垩纪全球变化研究，能为当今世界面临的全球变暖等问题提供有益借鉴，因而得到国际学术界的高度重视。     

土耳其-高加索-喜马拉雅一线白垩纪大洋红层对比

通过收集土耳其、高加索和特提斯喜马拉雅地区的白垩纪地层资料,着重对比研究上白垩统大洋红层的分布格局和沉积特征,为进一步进行全球大洋红层对比提供基础数据和资料。对比分析表明:它们具有环特提斯该时代近于同期地层的一般特征,其时代一般为Turonian Campanian期,在特提斯喜马拉雅地区跨度较大,为Albian Campanian期,岩性主体为灰岩,颜色与Fe2O3 的含量密切相关,富含浮游有孔虫及其组合,沉积速率低,沉积环境一般为半深海,沉积深度为500~1 000 m。     

FORMATION AND EUOLUTION OF TETHYS IN THE TIBETAN PLATEAU

FORMATION AND EUOLUTION OF TETHYS IN THE TIBETAN PLATEAU     

The Open of the Paleo‐Tethys Ocean: Inferred from the Early Paleozoic Ophiolite in the Qiangtang Area,Northern Tibetan Plateau

The Paleo‐Tethys Ocean was a Paleozoic ocean located between the Gondwana and Laurasia supercontinents. It was usually consider to opening in the early Paleozoic with the rifting of the Hun superterrane from Gondwana following the subduction of the Rheic Ocean/proto‐Tethys Ocean. However, the opening time and detailed evolutionary history of the Paleo‐Tethys Ocean are still unclear. The Paleozoic ophiolites have recently been documented in the middle of the Qiangtang terrane, northern Tibetan Plateau, and they mainly occur in the Gangma Co area. These ophiolites are composed of serpentinite, pyroxenite, isotropic and cumulate gabbros, basalt, hornblendite and plagiogranite. Whole‐rock geochemical data suggest that all mafic rocks were formed in an oceanic‐ridge setting. Furthermore, positive whole‐rock εNd(t) and zircon εHf(t) values suggest that these rocks were derived from a long‐term depleted mantle source. The data allow us to conform that these rocks represent an ophiolite suite. Zircon U‐Pb dating of gabbros and plagiogranites yielded weighted mean ages of 437‐501 Ma. The occurrence of the ophiolite suite suggests that a Paleozoic Ocean basin (Paleo‐Tethys) existed in middle of the Qiangtang terrane. We hypothesize that the ophiolite in the middle of the Qiangtang terrane represents the western extension of the Sanjiang Paleo‐Tethys ophiolite in the east margin of the Tibetan Plateau, and they mark the main Paleo‐Tethys Ocean. This is the oldest ophiolite from the Paleo‐Tethyan suture zones and the Paleo‐Tethys Ocean basin probably opened in the Middle Cambrian, and continued to grow throughout the Paleozoic. The ocean was finally closed in the Middle to Late Triassic as inferred from the metamorphic ages of eclogite and blueschist that occur nearby. The Paleo‐Tethys Ocean was probably formed by the breakup of the northern margin of Gondwana, with southward subduction of the proto‐Tethys oceanic lithosphere along the northern margin of the supercontinent.     

藏东江达中石炭世弧火山岩的厘定及其构造意义

金沙江特提斯洋盆是三江地区重要的洋盆之一,然而目前对于金沙江洋壳俯冲时限认识不一,弧火山岩对限定洋壳的俯冲消减过程具有重要意义.在西藏东部江达地区首次识别出一套中石炭世晚期的火山岩,主要岩性为玄武岩及安山岩,安山岩锆石U-Pb年龄为332±3.3 Ma（MSWD=2,n=14）,指示该火山活动为中石炭世晚期.江达火山岩SiO₂含量为45.65%~55.73%,具有高Al₂O₃含量（15.48%~16.79%）,TiO₂含量为0.82%~1.12%,富Na低K;轻重稀土分异明显,无δEu异常,强不相容元素Th、U等富集,高场强元素Nb、Ta等亏损,具有弧火山岩的地球化学性质.安山岩锆石ε_Hf（t）值为较均一的正值（+11.0~+15.6）,指示岩浆源区为受到富集组分影响的岩石圈地幔.研究表明江达中石炭世晚期火山岩形成于岛弧的构造环境,其火山活动与金沙江特提斯洋壳俯冲消减过程有关;结合区域地质资料认为金沙江特提斯洋壳在332 Ma之前已经开始了俯冲消减活动,进而为金沙江特提斯洋演化过程提供了岩石学证据.      

The Archipelagic Ocean System of the Eastern Eurasian Tethys

Unlike typical oceans such as the wide and "clean" Atlantic, the Tethys has been showing an archipelagic pattern during all its evolutionary stages. Compared with the traditional, wedge-shaped and relatively "clean" ocean model, the archipelagic model is more suitable for the Tethys, especially the eastern Tethys. This paper demonstrates the eastern Tethys archipelagic system in terms of the subdivision, characteristics and evolutionary history of the Qinling-Qilian-Kunlun, South China and Xizang (Tibet)-Yunnan Regions of the eastern Eurasian Tethys.     

西藏冈底斯带中部南木林地区林子宗群火山岩锆石U-Pb年龄和地球化学特征

林子宗群火山岩广泛分布在冈底斯带上,其岩石学特征及所代表的区域不整合事件被认为与特提斯洋俯冲消减到印度-亚洲大陆碰撞转变有关。对冈底斯带南木林地区的林子宗群火山岩进行了LA-ICP-MS锆石U-Pb测年及地球化学研究,获得林子宗群火山岩帕那组LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄为46.08±0.47Ma、49.00±1.30Ma,对比冈底斯带其他地区已发表的年龄数据,认为印度-亚洲大陆碰撞(在西藏南部)的时间,东部可能依次早于中部和西部。地球化学特征表明,冈底斯带南木林地区林子宗群火山岩具有碰撞后地壳加厚背景下产生的弧火山岩特征,应为新特提斯洋俯冲消减到印度-亚洲大陆碰撞构造背景下形成的。     

Carbon isotope records of the early Albian oceanic anoxic event (OAE) 1b from eastern Tethys (southern Tibet,China)

The early Albian Oceanic Anoxic Event (OAE), i.e., OAE1b, is well documented in western Tethys and in the primary North Atlantic Ocean, but has not yet been reported from eastern Tethys. In this paper, we present bulk carbon isotope data of hemipelagites to examine if it was recorded in eastern Tethys. Samples were taken from the upper Chuangdepu Member (nannofossil zone CC8) of the lower Gyabula (former Shadui) Formation at the Bangbu section, Qonggyai, southern Tibet of China. The δ¹³C values mainly range from −0.6‰ to 1.8‰ with a maximum of 1.87‰ and a minimum of −0.69‰. Three stages of carbon isotope evolution were distinguished with three boundaries. By the constraint of the stratigraphic sequence and nannofossil biostratigraphic zone CC8, the rapid δ¹³C change and correlation with western Tethys and Atlantic Ocean together suggest that these three boundaries of the carbon isotope evolution probably correspond to three subevents of the early Albian OAE1b, and the subevent levels of upper Kilian, Paquier, and Leenhardt are recorded in eastern Tethys (southern Tibet). The fact that the amount of δ¹³C shift is less by ∼1.5–2.0‰ in eastern Tethys than in western Tethys and Atlantic Ocean is interpreted as a result of possible cool sea surface (∼14–16 °C) of the southeastern Tethys (northern Indian passive margin of Greater India), which was probably located in a medium–high latitude during the Albian, leading to low primary productivity. The recognition of OAE-1b from Tethys Himalaya can improve our understanding of the Tethys and global paleoclimatic and paleoceanographic changes during the mid-Cretaceous.