白垩纪大洋缺氧事件:研究进展与未来展望

白垩纪古海洋中分别在.Aptian-Albian、Cenomanian-Turonian和Coniacian-Santonian期间发生多次大洋缺氧事件(Oceanic Anoxic Events,OAEs),分别被称为OAE1、OAE2和OAE3,而OAE1又可以划分为OAE1a,1b,1c和1d四次,其中OAE1a和OAE2达到全球规模.白垩纪大洋缺氧事件一般对应海相碳酸盐岩的碳同位素正偏、海洋生物的快速更替和富有机质黑色页岩的大规模分布,指示了大范围的古环境、古气候变化.虽然历次大洋缺氧事件在成因上具有一定的差异,但是一般认为其与白垩纪时期海底大规模火成岩省的活动有关.大规模火成岩省活动将带来大气-海洋系统中CO2的上升,地表风化和水循环的加速,从而造成海洋中营养元素的过剩输入,引发海洋生产力的升高,诱发海洋中缺氧条件的发生.大洋缺氧条件下,由于碳-氧-硫-磷等元素之间的耦合循环关系,在大洋缺氧和海洋生产力之间形成快速的正反馈关系,有可能是白垩纪大洋缺氧事件得以达到全球规模的促进因素(如OAE1a和OAE2).不同时期的大洋缺氧事件对白垩纪大气-海洋系统的发展具有不同的意义:OAE1a标志着白垩纪中期极端温室气候的开始,OAE2前后是温室气候的高潮时期,而OAE3的发生则伴随白垩纪温室气候的减弱.由于历次大洋缺氧事件产生的大规模有机碳的埋藏,对大气-海洋系统产生了深刻的影响,其主要作用是导致大气海洋系统中CO2下降、O2上升,以及伴随而来的全球变冷和海洋氧化能力的增强.虽已历经30多年的研究,白垩纪大洋缺氧事件的前因和后果还未完全阐明,后续研究中将继续对重点的缺氧事件如OAE1(a,b,c,d)、OAE2和OAE3,开展多学科的研究,获取缺氧事件发生期间的古大气CO2浓度、海水温度、营养状况、生物种类及其海平面变化等方面的信息.大洋缺氧事件的陆相响应方面的研究也已经陆续开展,我国科学家可望在这方面有所作为.     

白垩纪中期异常地质事件与全球变化

白垩纪中期(125~90 Ma)是地质历史中一个极端温室时期,集中出现一系列异常事件。异常事件是地球系统内各圈层相互耦合的产物,事件相互之间不是孤立的,单个事件引起的全球变化对其他事件起着明显的正/负反馈机制作用。文中基于对白垩纪中期异常事件的深入解剖和分析,包括大规模海底火山事件、大洋缺氧事件、生物异常更替与绝灭、白垩纪超静磁带、大洋红层出现等,在探讨白垩纪中期各个事件特征基础上,重点阐述异常事件所引起的全球变化及其对海洋、气候的影响;提出异常事件之间的相互关联与反馈机制。研究发现,大规模海底火山作用是引起白垩纪中期异常海洋和气候的最根本原因,直接促进大洋缺氧事件、生物绝灭与更替、沉积记录的转变等事件的发生。     

白垩纪中期海相富有机碳沉积的地球生物学背景

白垩纪中期(约125～88Ma)海相富有机碳沉积广泛发育于全球各主要洋盆和沉降区,是许多大油田的重要烃源岩。文中从地球生物学的角度探讨了当时海相富有机碳沉积的地质背景和主控因素,认为在白垩纪中期全球事件频发的特殊背景下,保存条件(大洋缺氧)和生产力的提高共同控制了有机质的富集。大洋缺氧不但加快了海洋生物的灭绝和更替,使有机质大量堆积,而且促进了营养元素(P、N、Fe等)的再生和厌氧自养型海洋微生物(如蓝细菌、绿硫细菌和古菌类等)的极度繁盛,提高了生产力水平;而高的生产力又反过来加剧了海洋的缺氧。新的研究成果(Os同位素证据)表明,白垩纪大规模海底火山作用引发了持续的温室效应和海水循环的静滞、紊乱以及弱上升流发育,进而导致生产力的提高和大洋缺氧事件(OAE)的发生,最终造成有机质的广泛堆积和保存。     

西藏特提斯喜马拉雅海相白垩纪—古近纪生物地层与重大地质事件研究进展

地质历史时期曾发过许多对生命的演化进程造成过重大影响与制约的全球性地质事件,白垩纪—古近纪就是一个重大地质事件频发的时期。随着冈瓦纳大陆在中生代时期的解体,全球海陆格局发生了根本的变化,地球的表层和岩石圈层均发生了重大的改变,由此引发了构造运动空前活跃,发生过诸如大洋缺氧事件(OAE)、大洋富氧事件(CORBs)、白垩纪/古近纪(K/Pg)生物大灭绝事件、古新世—始新世极热(PETM)事件、印度-亚洲板块碰撞、新特提斯洋的演化及最终消亡等一系列的全球性重大地质事件。对这些重大地质事件的研究,有助于加深我们对古海洋、古地理、古环境的认识。尝试追踪和捕捉这些重大地质事件,恢复和重建古地理,其基础是建立精确的年代地层格架。西藏南部保存了中国最为完整的海相白垩纪—古近纪沉积,完整地记录了上述的全球性重大地质事件,通过对札达、岗巴、定日、亚东、江孜、萨嘎和吉隆等地区高分辨率浮游和底栖有孔虫、介形虫、钙质超微化石和放射虫生物地层学研究,可直接约束全球性重大地质事件发生的时间,并为重建新特提斯洋古海洋环境和古地理提供证据。此外,在重大地质环境突变期间生物的演化过程,也可为探明极端环境变化发生时期气候-环境-生物之间的协同演化关系提供证据。本文系统总结了课题组为主的近年来对藏南白垩纪—古近纪海相地层中微体古生物学的研究成果及重要进展,并对未来研究提出展望。     

“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。     

古海洋活性磷埋藏记录及其在氧气地球化学循环研究中的运用

在综合现代大洋活性磷循环特征的基础上,提出大洋中活性磷主要来源于有CO2 参与的地表岩石的化学风化,输入通量在很大程度上受到气候与构造等因素的控制;进入大洋之后的活性磷经光合作用而进入有机物,并通过一系列的转化环节而最终埋藏下来;从而可以根据古海洋活性磷埋藏记录,推断地质历史中不同时间尺度的全球变化情况。对比160 Ma以来的古海洋总磷和100 Ma活性磷埋藏记录可以发现:(1)总磷和活性磷的埋藏速率与长期的海平面变化明显关联,在温室气候条件下,两者基本呈正相关关系;在冰室气候条件下则为反相关关系;(2)总磷和活性磷埋藏速率的变化,能够在一定程度上指示古海洋营养条件的变化;(3)白垩纪中期大洋缺氧事件对应活性磷的埋藏峰值,表明大洋活性磷循环与大洋缺氧事件之间存在着非常密切的关系。此外还例举了古海洋活性磷埋藏记录在氧气地球化学循环研究中的运用,指出活性磷循环对大气氧含量的稳定起到重要的作用。文章最后对古海洋活性磷埋藏记录研究中存在的一些问题进行了讨论。     

西藏特提斯喜马拉雅海相白垩纪—古近纪生物地层与重大地质事件研究进展

地质历史时期曾发过许多对生命的演化进程造成过重大影响与制约的全球性地质事件,白垩纪—古近纪就是一个重大地质事件频发的时期。随着冈瓦纳大陆在中生代时期的解体,全球海陆格局发生了根本的变化,地球的表层和岩石圈层均发生了重大的改变,由此引发了构造运动空前活跃,发生过诸如大洋缺氧事件(OAE)、大洋富氧事件(CORBs)、白垩纪/古近纪(K/Pg)生物大灭绝事件、古新世—始新世极热(PETM)事件、印度-亚洲板块碰撞、新特提斯洋的演化及最终消亡等一系列的全球性重大地质事件。对这些重大地质事件的研究,有助于加深我们对古海洋、古地理、古环境的认识。尝试追踪和捕捉这些重大地质事件,恢复和重建古地理,其基础是建立精确的年代地层格架。西藏南部保存了中国最为完整的海相白垩纪—古近纪沉积,完整地记录了上述的全球性重大地质事件,通过对札达、岗巴、定日、亚东、江孜、萨嘎和吉隆等地区高分辨率浮游和底栖有孔虫、介形虫、钙质超微化石和放射虫生物地层学研究,可直接约束全球性重大地质事件发生的时间,并为重建新特提斯洋古海洋环境和古地理提供证据。此外,在重大地质环境突变期间生物的演化过程,也可为探明极端环境变化发生时期气候-环境-生物之间的协同演化关系提供证据。本文系统总结了课题组为主的近年来对藏南白垩纪—古近纪海相地层中微体古生物学的研究成果及重要进展,并对未来研究提出展望。     

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。     

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.     

序

1987年2月国际地科联批准“全球沉积地质委员会”(GSGC)为其下设的专门机构、即IUGS—GSGC,这个机构的常务委员会称之为项目开发委员(GSGC—PDC)。1987年6月在美国的帕塞迪纳(Pasadena)召开的PDC会议上,确定全球白垩纪为第一个试点项目一,名称为“白垩纪资源、事件和韵律”(CRER)。在该会议上还确定聘请几位专家就该项研究的几个方向和方法做准备,这些研究方向是:层序地层学和全球海平面变迁;黑色页岩和大洋缺氧事件;旋回地层学和米兰科维奇旋回;碳酸盐台地的发展和消失;白垩纪的古地理和古气候。会议还要求专家们就上述方向分成五个工作组分别提出一个研究方法的统一意见,以供1988     

白垩纪缺氧事件期间分子有机碳同位素偏移的二种不同机制

对我国业已发现的白垩纪大洋缺氧事件进行了对比研究.结果显示,我国河北滦平盆地高等植物叶腊碳同位素正偏,是weissert缺氧事件的陆地响应,weissert缺氧事件可能是全球性缺氧事件,而不是区域性的缺氧事件.叶腊烷烃单分子碳同位素正偏有两种不同的机制:早白垩世分子碳同位素正偏主要反映的是大气CO2水平增加;晚白垩世分子碳同位素正偏主要反映的是陆地植物类型的变化.     

白垩纪大洋缺氧事件

白垩纪黑色页岩相地层出现在世界主要大洋及地表露头中,一般表现在三人时期:巴雷姆晚期—阿普特期—阿尔布期;赛诺曼晚期—二仑早期及康尼亚克期—三冬期。这些时期海相地层的岩性、动物群及地球化学特征均有变化,并以赛诺曼晚期—二仑早期变化最为明显,表明当时世界海洋处于氧极度损耗的条件。这种条件被称为大洋缺氧事件(OAE)。赛诺曼期—三仑期大洋缺氧事件的发生与当时的海侵高峰期是一致的。海平面的上升可使上升流加强,使表层生物生产率增高,进而导致海洋水体溶解氧的消耗及有机碳的保存。     

高分辨率碳氧同位素应用及西藏岗巴地区白垩纪中期Cenomanian-Turonian期碳同位素偏移

介绍了高分辨率碳氧同位素的应用成果;指出半远洋、远洋碳酸盐全岩高分辨率碳同位素高值正偏可作为甄别大洋缺氧事件的指示剂和分析古气候变化的指针,碳同位素偏移型式可为长期海平面变化和短期海平面波动提供参照对比的依据。西藏南部岗巴地区的高分辨率偏移曲线显示,碳同位素Cenomanian Tu ronian界线时期的正偏幅度达2.90‰,Turonian期长期持续负偏,并在M. sigali带中、下部呈现两个负偏凹陷区。这表明,该区白垩纪中期Cenomanian Turonian期存在可以在特提斯甚至全球类比的碳同位素变化趋势,表现为Cenomanian Turonian界线时期的缺氧事件、Turonian期的长期海平面下降趋势和Turonian晚期短暂气候变冷的响应。     

藏南定日地区白垩纪中期地球化学异常对海平面上升的响应

西藏南部定日地区在白垩纪中期为一套浅灰色-深灰色的陆源碎屑岩（钙质页岩）及碳酸盐岩（泥灰岩及微晶灰岩）的混积型沉积物，其中的地球化学特征变化反映了古海洋发生的重大变革。δ¹³ C的同位素曲线变化具有明显的低-高-低旋回变化，δ¹³ C正偏与有机碳大量埋藏、海平面上升及缺氧事件密切相关。铀、钍、钾的含量变化及Th/U比值的变化特征表明由海平面上升所形成的全球大洋缺氧的重要时期，由于有机物质及粘土矿物的增多，它们的含量均比标准平均值偏高。而⁸⁷Sr/ ⁸⁶Sr比值在该时期偏低，这也与当时的构造背景及海平面发生重大变化相一致。     

“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     

陆地沉积物对大洋缺氧事件的响应：六盘山群黑色页岩地球化学特征及其意义

通过对六盘山群中上部湖相沉积中一层黑色页岩年代（113.45~112.98 Ma）及其下部泥灰岩的元素地球化学特征研究发现,黑色页岩形成于干热而相对湿润气候背景下的缺氧还原环境中,与典型缺氧事件黑色页岩的地球化学特征基本一致,说明该黑色页岩记录了六盘山地区对全球白垩纪大洋缺氧事件OAE1b (约113～111 Ma)的响应,可能指示该期大洋缺氧事件是一次全球性的气候变化事件。     

地球圈层之间相互作用对白垩纪大洋缺氧与富氧过程的制约

白垩纪诸多地质事件中,以黑色页岩为特征的大洋缺氧事件和以红层为特征的大洋富氧环境尤其引人关注。本文探讨了白垩纪大洋从缺氧到富氧转化的过程与机制,认为上述沉积事件是地球圈层之间相互作用的结果。白垩纪岩石圈剧烈的岩浆活动,是缺氧、富氧事件发生的源动力,水圈、大气圈、生物圈的共同作用是沉积事件发生的结果。具体过程为:白垩纪大规模的火山喷发,改变了海陆面积的对比,并引起地球内部大量热能释放和大气中CO_2气体浓度的升高,最终导致大气温度的升高。海水温度的升高和CO_2浓度的增加导致海洋环境中溶解O_2的降低,缺氧事件随之而产生。同时,海底岩浆喷发在海底产生大量的富含铁元素的基性和超基性岩石,通过海底风化和热液活动,铁元素从岩石圈进入水圈。海水中的铁元素是海洋浮游植物宝贵的营养盐类,其含量的增加可激发浮游植物的大规模繁盛,而这一生命过程可以吸收海水中大量的CO_2,并且产生等量的O_2。随着海水中O_2浓度的不断升高,以富含Fe3+的红色沉积物为特征的海洋富氧环境出现。藏南和深海钻探、大洋钻探典型剖面的数据证实大洋缺氧和富氧发生的韵律性,即缺氧事件之后往往伴随富氧环境的出现。研究认为,白垩纪大洋缺氧和富氧事件是同一原因导致的不同结果,地球圈层相互作用是其根本制约因素。由岩浆活动引起的缺氧事件和同样由其造成的富氧环境,其机制存在明显的差异,前者以物理、化学过程为主,后者除此之外还演绎了更为复杂的生物-海洋地球化学过程。     

白垩纪至早第三纪的极端气候事件

地球科学界正在将预测未来气候变化的研究重点放到地球过去突然发生的气候变暖事件。白垩纪至早第三纪发生的极端气候事件被认为是最接近于现今的地球系统,对其研究有利于理解现今地球系统过程在碳循环快速搅动时的响应。这些气候事件主要包括：古新世-始新世最热事件（PETM,～5 5 MaBP）、早阿普第晚期和森诺曼-土仑界线的大洋缺氧事件（OAE1a,～120 Ma;OAE2,～93．5 MaBP）。PETM事件是中白垩世以来一次突然变暖事件,在10 ka年以内深海温度增加～5 ℃,表层海水温度增加 4～8 ℃,而δ¹³C至少发生 3．0‰的负偏移。目前普遍认为PETM事件是由于海洋气水化合物（CH₄）的巨量释放造成的。大洋缺氧事件（OAEs）记录了海洋环境下有机质的大量埋藏,代表了碳循环和海洋生物系统的重大搅动事件。综合大洋钻探计划（IODP）将极端气候确定为优先研究领域,将采取特定的钻探策略,在世界大洋范围内获取最低限度蚀变的新生代至白垩纪沉积物,研究精度要求达到米兰柯维奇的天文调谐时间尺度,其最终目标是定量描述过去全球气候变化,并为未来气候变化预测提供依据。     

广西早石炭世炭质泥页岩沉积特征及其地球化学性质

<正>石炭纪是地质历史中古地理、古气候发生重要变化的转折期,同时也是烃源岩发育的重要时期。Mii等(1999)和Saltzman(2002,2003)通过δ13C和δ18O的研究认为其在杜内阶(C1)发生的明显正偏反映了全球洋流系统的重大转变,伴随大气PCO2下降,大量有机炭被埋藏,石炭纪冰期随即开始。广西大部分地区早石炭世继承了华南西南部泥盆纪多岛洋沉积格局,与我国西部及华北在该时期的沉积特征有本质     

中国东北地区白垩纪温室时期陆相生物群与气候环境演化

地球历史中生命与环境不断发生更替,先后形成寒武纪生态系统、古生代生态系统和现代生态系统。地域上,又分为海洋生态系统和陆地生态系统。中生代以来,中国以陆地生态系统为特色。东北地区发育以松辽、嘉荫盆地为主的大型白垩纪沉积盆地,以及冀北、辽西和内蒙古东部盛产热河生物群的火山-沉积盆地。白垩纪先后发育有热河生物群、阜新生物群、松花江生物群和嘉荫生物群。该地区白垩系是建立中国陆相地层格架的标准,依据不同生物群发育及气候演化阶段,自下而上被划分为下白垩统冀北阶、热河阶和辽西阶,上白垩统农安阶、松花江阶和绥化阶。基于松科1井多重地层学研究,完善了包括磁性地层、天文地层、同位素年代地层、生物地层和定量地层学为主的中国晚白垩世陆相年代地层的标准,还使其达到与国际地层表的对比。通过生物群的宏观演化,探讨了中国东北地区白垩纪环境与气候的演化规律,明确了晚白垩世的2次重大湖泊事件。其中,湖泊咸化问题得到深入研究,从古生物学和地球化学角度为松辽湖盆的海侵活动提供了可靠证据。化石与地化记录揭示,当时全球高海平面的影响可能波及松辽盆地,海水短暂地侵入湖盆,带入海相生物,引发海水咸化、δ~(13) Corg异常和有机质大量埋藏。这些记录可与全球高海平面地层对比。嫩江组下部海侵印记最为明显,其背景与第3期大洋缺氧事件(OAE 3)极为相近。松辽盆地的环境演化既受制于区域性构造作用,也受控于全球气候的影响,更代表了白垩纪温室时期的东亚陆地表现。