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。     

白垩纪大洋红层：特征、分布与成因

“白垩纪大洋红层”（CORB）自20世纪末正式提出后已经迅速成为白垩纪新的研究方向之一。本文在参考国外CORB的学术研究成果基础上,重点对我们在西藏南部和意大利中部两个研究程度较高地区所获得的立典研究成果予以详细介绍,同时对CORB的全球性对比进行总结和归纳,对大洋红层蕴涵的古海洋、古气候信息进行详细评述。我们认为,CORB是沉积物在原地氧化条件下的产物,导致该氧化条件出现的主要因素是底层水高含量的溶解氧,而深层古洋流的发育很可能是导致高溶解氧含量的主要原因。     

“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     

阿尔卑斯-喀尔巴阡上白垩统大洋红层特征与对比

在前人研究的基础上,从时代、岩性、古生物、沉积速率、沉积环境等方面对阿尔卑斯—喀尔巴阡地区的上白垩统大洋红层进行了详细对比,发现研究区内上白垩统大洋红层最早出露于Cenomanian期,最晚可延续至古近纪,且在Campanian期出露最为广泛,其岩性以灰岩、泥灰岩和含泥灰岩为主,生物化石以浮游有孔虫为主,沉积速率较低且在各地不尽相似,在CCD面上、下均可以出现,沉积环境一般是大陆边缘盆地、斜坡和大洋盆地等远洋、半远洋环境。通过比较分析,为进一步深入研究上白垩统大洋红层提供较为全面的基础资料。     

西班牙南部Subbetic中带Río Fardes剖面Turonian—Coniacian大洋红层

Río Fardes剖面位于西班牙南部Granada东北,构造上属于深水环境的Subbetic中带.该剖面主要由白垩纪Fardes组第Ⅱ段和第Ⅲ段(半)远洋沉积构成,并出现浊流沉积和混杂沉积.本次研究在Fardes组浊流层序内首次发现两段红色沉积.钙质超微化石表明红层的时间从Turonian早期 (UC7带)到Coniacian中期-晚期界线 (UC10/?UC11带).红层由mm级红色泥岩夹灰色、杂色、偶尔黑色泥岩和钙质泥岩组成.沉积学研究表明新发现的Turonian-Coniacian远洋红色泥岩沉积形成于CCD面之下深水盆地环境,浊流和碎屑流沉积强烈地影响着(半)远洋环境的背景泥岩相,并成为红色沉积结束的原因.     

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。     

西班牙南部Subbetic中带Río Fardes剖面Turonian-Coniacian大洋红层

Río Fardes剖面位于西班牙南部Granada东北,构造上属于深水环境的Subbetic中带。该剖面主要由白垩纪Fardes组第Ⅱ段和第Ⅲ段(半)远洋沉积构成,并出现浊流沉积和混杂沉积。本次研究在Fardes组浊流层序内首次发现两段红色沉积。钙质超微化石表明红层的时间从Turonian早期(UC7 带)到Coniacian中期—晚期界线(UC10/?UC11带)。红层由mm级红色泥岩夹灰色、杂色、偶尔黑色泥岩和钙质泥岩组成。沉积学研究表明新发现的Turonian Coniacian远洋红色泥岩沉积形成于CCD面之下深水盆地环境,浊流和碎屑流沉积强烈地影响着(半)远洋环境的背景泥岩相,并成为红色沉积结束的原因。     

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“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.     

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。     

西藏南部晚白垩世-古新世大洋红层的分布与时代

特提斯—喜马拉雅北沉积亚带沉积有一套大洋红色岩层,由东往西在羊卓雍错、江孜、萨迦、萨嘎、札达一带断续出露,并与宗卓组上部地层相关。这套海相红层,根据岩性特征和浮游有孔虫可以直接进行区域对比。其时代在江孜地区为Santonian晚期—Campanian中期,包括Dicarinella asymetrica, Globotruncanitaelevata,Globotruncana ventricosa 和Globotruncanita calcarata 浮游有孔虫带;在萨迦地区限于Campanian期,鉴定有Globotruncanita elevata, Globotruncana ventricosa 和G. linneiana等具时代意义的浮游有孔虫;在萨嘎—吉隆地区为Maastrichtian期,识别出Gansserina gansseri 和Abthomphalus mayaroensis 浮游有孔虫带;在札达地区为古新世早期,以Glibigerina eugubina G. fringa化石带为代表。海相红层在西藏南部由东往西其时代逐渐变新,主要沉积时代分布在Santonian晚期—古新世早期。其总体时间跨度较大,大约长达20Ma。而事件在各个地点的延续时间有限,基本在3~8 Ma之内。根据对海相红层和沉积基质中浮游有孔虫的研究,该沉积带宗卓组的顶界时代已超出白垩纪,进入了古新世。     

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.     

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。     

西藏江孜地区田巴B剖面大洋红层主量元素特征及其古环境指示

田巴B剖面位于西藏江孜地区,剖面起点位置为28°43′53.930″E,89°56′29.487″N.整个剖面根据岩性可分成5层:底部为黄绿色页岩层,向上为紫红色页岩夹灰岩团块层、紫红色页岩夹薄层状硅质岩层(部分被覆盖)、杂色灰岩层(红色灰岩为主)和灰色硅质页岩层.横向上看,紫红色灰岩层和杂色灰岩层与床得剖面床得组为同一套沉积.     

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。     

藏南江孜地区白垩系海相红层中红色页岩的颜色成因

白垩系大洋红层(Cretaceous Oceanic Red Beds,CORBs)在我国西藏江孜地区广泛发育,以床得组最为典型.本文以床得组红色页岩为研究对象,通过电子探针背散射电子像观察和成分定量分析、主量元素分析、X射线衍射分析,结合CBD(Citrate Bicarbonate Dithionite)提取铁氧化物前后漫反射光谱分析,认为床得组红色页岩中的铁氧化物只有赤铁矿,没有其它铁氧化物,赤铁矿是唯一的致色铁氧化物.电子探针背散射电子图像显示,赤铁矿分为结晶好和结晶差的两种形态.CBD提取前后反射光谱红度的变化,指示结晶差的赤铁矿的致色作用要远大于结晶好的赤铁矿,主要是细分散状、结晶差的赤铁矿造成了床得组红色页岩的红色.赤铁矿是同沉积一成岩早期阶段的产物,赤铁矿形成所需的铁来源于陆源输入.     

沉积物中铁氧化物的定量方法及其 在白垩纪大洋红层中的应用

赤铁矿和针铁矿是自然界中最稳定的两种铁氧化物,广泛存在于地球的各个圈层。很多沉积物的颜色都是由它们引 起的,它们的形成和保存具有重要的环境指示意义。实验室中赤铁矿和针铁矿的表征和鉴定手段很多,但受其含量低、结 晶差、颗粒细小难分离等因素的困扰以及某些测试方法自身的限制,能用于铁氧化物定量分析的方法很少。文中就常用的 基于X射线衍射（XRD） 和漫反射光谱（DRS） 的铁氧化物定量方法进行了系统评价。在定性分析的基础上,采用基于 XRD的K值法获得西藏床得剖面红色页岩中赤铁矿的含量为3.81％~8.11％,采用DRS与多元线性回归相结合的方法获得北 大西洋ODP1049C孔12X岩芯段棕色层中赤铁矿和针铁矿的含量分别为0.13％~0.82％和0.22%~0.81％,橙色层中赤铁矿和 针铁矿的含量分别为0.19%~0.46％和0.29%~0.67％。与其它分析结果的比较表明,这两种定量方法在白垩纪大洋红层中的 应用是可行的。但在实际应用时,首先要通过XRD和DRS相结合来提高定性分析的准确性,然后通过综合分析铁氧化物的 预判含量范围和结晶程度来选择合适的定量方法。     

“大洋一号”远洋科学考察船

“大洋一号”远洋科学考察船于1994年从俄罗斯引进，为国际无限航区大洋综合科学调查船，2002年在上海沪东船厂进行了增改装，安装了动力定位系统、全回转艏侧推系统、光缆绞车、铠装电缆绞车、地质绞车、