锶的生物矿化与地球化学代用指标在古环境重构中的应用

锶是自然界广泛分布的微量元素,与钙原子大小接近、化学性质相似。在钙的矿化中锶通过类质替换进入生物矿化体中,从而使生物体尤其是化石具有锶元素蕴含的地球化学信息。本文首先介绍了锶的生物矿化及其机制,然后着重从锶在古环境重构中地球化学代用指标作用、影响锶地球化学代用指标的因素及机制等方面分析了锶的生物矿化行为所蕴含的地球化学信息和应用现状,为今后更好地利用锶地球化学信息进行古环境重构,开展锶生物矿化的环境修复、医学应用提供参考。     

西沙群岛砗磲壳体碳、锶同位素研究及其对比

本文系统地测定了西沙群岛中双壳类鳞砗碟壳体碳、锶同位素，结果发现鳞砗碟壳体的碳、锶同位素的生长变化曲线表现出明显的周期性，碳同位素受到鳞砗碟新陈代谢作用的影响，幼年时期壳体的δ^13C变化，幅度小于发育期，这主要是由于鳞砗磲体内在幼年期能量的消耗大于发育期。通过与其壳体上的生长纹的对比，碳同位素的周期就是生物年生长周期。锶同位素的周期性主要是由于附近大陆年周期性降雨量的变化所引起的，它不受生物生长作用的影响。     

西沙群岛西科1井碳酸盐岩稳定同位素地层学

西科1井由于矿化重结晶作用和白云岩化作用普遍发育, 无法采用传统的氧同位素地层学方法进行地层年代标定.但是该井δ13C变化曲线与南海及全球主要大洋的碳同位素变化曲线完全相同, 可以用来准确标定200 ka以来的地层年龄.该井0~50 m深度对应全球氧同位素1~7期, 5 m处地层时代为14 ka, 为氧同位素1期的底界年龄; 11.70 m处为氧同位素2期的底界, 年龄为29 ka; 13.90 m深度年龄为57 ka; 到35.65 m为氧同位素6期底界, 年龄为191 ka, 同时δ13C值表现出冰期低而间冰期高的特点, 取自25.21 m的珊瑚U-Th定年年龄为131.062±2.320 ka.通过碳同位素定年发现, 石岛缺失近代5 ka以来的沉积物, 在间冰期向冰期转换时因海平面下降造成碳酸盐台地暴露剥蚀.全球气候变化是石岛碳酸盐台地δ13C值发生突变的主要原因.      

西沙群岛新近纪白云岩形成条件的探讨：C、O同位素和流体包裹体证据

西沙群岛在下中新统上部、中—上中新统和上新统产三层白云岩、C、O 同位素测试结果表明,3层白云岩中,除第一层 X606号样品δ~(13)C 和δ~(18)O 为负值,分别为-1.71‰和-3.17‰外,其它样品δ~(13)C 和δ~(18)O 组成相似,均为正值,δ~(13)C 在0.80‰～3.16‰之间,平均为2.24‰;δ~(18)O 在0.56‰～5.23‰之间,平均为2.56‰。表明白云岩为准同生成因,与冰川事件引起的超浓缩海水有关。根据δ~(18)O 计算的海水盐度为34.52%～39.98%,平均为36.88%,温度为-8.80℃～14.89℃,平均为1.07℃。白云岩结构、矿物组成、包裹体类型和特征研究表明,白云石在后生成岩演化过程中,遭受埋藏成岩流体和热液流体的改造。根据包裹体测定,埋藏成岩流体盐度为2.07%～6.30%,平均为4.55%,温度为58.4℃～89.4℃,平均为72.8℃,密度为1.00～1.02g/cm~3,平均为1.01g/cm~3;热液流体盐度为0.53%～6.45%,平均为3.84%,温度为103.3℃～296℃,平均为155.6℃,密度为0.95～0.98g/cm~3,平均为0.96g/cm~3。测试结果表明,热液成分与地层水成分基本相同,大致与正常海水盐度相当或微咸。这说明岩浆作用主要为热液流体提供热量,并使地层水加热循环,而没有明显的物质成分供给。     

西沙群岛西科1井第四纪钙藻及其生态功能

对西沙群岛西科1井第四纪地层中的钙藻进行了初步研究, 共鉴定钙藻3科7属, 包括红藻门珊瑚藻科让氏藻属、蟹手藻属、珊瑚藻属、石枝藻属和石孔藻属, 以及绿藻门松藻科仙掌藻属和粗枝藻科伞轴藻属.通过对地层中钙藻形态功能的分析, 西科1井第四纪早期海水较深, 沉积环境为礁前相, 中期外礁坪和内礁坪交替沉积, 至晚期出现短时间的泻湖相之后沉积环境演变为礁后滩相.西科1井第四纪钙藻在造礁功能上主要体现在2个方面: (1)通过自身的钙化作用, 为生物礁的生长供应微小碳酸盐颗粒沉积物; (2)利用自身形成的节片结构和生物捆扎-粘结结构参与造礁.      

西沙群岛石岛根管石特征、成因及地质意义

西沙群岛石岛由第四纪地层构成,包括4个风成生物砂屑灰岩层和3个化石土壤层,生物砂屑灰岩层和化石土壤层相间分布,在化石土壤层中发育根管石。研究表明,根管石在结构构造、成分和沉积成岩变化方面具有三层分带性。其中,内带由泥晶碳酸盐组成,具有泥晶结构,环形纹层或纤维状构造,是原始植物根系交代和石化的结果; 中带和外带均为细粒砂屑结构,块状或层理构造,砂屑颗粒由珊瑚、珊瑚藻、有孔虫、软体动物、棘皮类等古生物化石和砂屑组成,中带钙质胶结较强,中带、外带及寄主岩石多为过渡关系。根管石的中带和外带是植物根系附近微化学成岩环境和后期差异风化作用的产物。西沙群岛石岛存在3个根管石发育层,标志着三期成土作用和植被化作用的存在,反映了气候条件的重大变化。西沙群岛石岛风成生物砂屑灰岩层和化石土壤层的相间分布特征,及CaO/MgO比值、锶元素和有机质含量变化,记录了4个气候演变和风成沉积演化旋回。     

西沙更新世礁灰岩大气淡水成岩的地球化学证据

重点探讨了西琛一井更新世礁灰岩的氧碳同位素和微量元素地球化学特征及其与大气淡水成岩的关系。西琛一井全新统（０～１６．９１ｍ）基本上未成岩,矿物组分以文石和高镁方解石为主;晚更新统（１６．９１～３０．６０ｍ）出现明显方解石化,矿物组分以低镁方解石为主（平均８６％）,少量文石（平均１４％）;中—早更新统（３０．６０～１７９ｍ）几乎完全方解石化;１７９ｍ以下部分—全部白云岩化。在１６．９１～１６５ｍ,δ１８Ｏ值相对均一,而δ１３Ｃ值的变化范围很大,且两者比全新统的δ１８Ｏ和δ１３Ｃ值显著降低;在一些层位上出现δ１３Ｃ值的负偏移,向下δ１３Ｃ逐渐增大;Ｓｒ和Ｍｇ的含量亦明显降低。这一地球化学特征是大气淡水成岩的典型标志,出现δ１３Ｃ负偏移的层位代表了礁体的水上暴露面。结合岩石学特征,初步识别出１４个暴露面。１６５～１７９ｍ的δ１８Ｏ、δ１３Ｃ和Ｍｇ向下同步增加,是淡水—海水混合带的成岩产物。     

西沙地区碳酸盐台地发育过程与海平面变化:基于西科1井BIT指标分析数据

为了探讨南海碳酸盐台地的发育过程及控制因素, 采用有机分子化合物指标方法对其进行了研究.有机分子化合物指标BIT(branched isoprenoid tetraether)是沉积物中源自陆源的细菌膜脂支链甘油双烷基链甘油四醚(branched glycerol dialkyl glycerol tetraethers,简称bGDGTs)与主要来自海洋泉古菌中的类异戊二烯GDGTs(isoprenoid GDGTs,简称iGDGTs)的含量之比,在古环境研究中,用来区分沉积物有机质的来源、判断沉积环境.通过对西科1井的数据研究发现,西科1井BIT指数随深度呈现三段式规律性变化,从下到上呈现高-低-高的变化,反映了中中新世以来南海海平面变化及碳酸盐台地生长发育的过程:在中中新世晚期,受全球及区域海平面变化下降影响,西沙地区碳酸盐台地形成礁-滩交互的沉积地层,由于大气淡水的影响,造成BIT指数呈现高值;到晚中新世至上新世,全球及区域海平面出现持续上升,有利于西沙碳酸盐台地的生长发育,使该井沉积环境以礁内泻湖相为主,造成BIT指数呈现低值;在第四纪冰期,全球及区域海平面出现总体下降趋势,西沙碳酸盐台地又频繁暴露于地表,造成BIT指数又呈现高值.研究表明,西沙地区碳酸盐台地受区域相对海平面变化影响更大,说明南海海平面变化既受全球海平面变化的影响,也受南海区域构造沉降的控制.      

Zircon SHRIMP U-Pb dating of the Neogene coral reefs,Xisha Islands,South China Sea: implications for tectonic evolution

The Xisha Block is a minor one in the South China Sea and an important tectonic unit in the northwestern part of the region. Zircon SHRIMP U-Pb ages for three volcanic intrusive core samples from Xike-1, an exploratory well penetrating the bioherms of the Xisha Islands. The core samples are from the Miocene reef carbonate bedrock and are recognized as dark-gray biotite-hornblende gabbro, gray fine-grained biotite diorite, and gray fine-grained granite, respectively. Zircon cathodoluminescence (CL) images and trace Th, U and Pb compositions of the zircons show that these rocks are of volcanic intrusive origin. Zircon SHRIMP U-Pb dating yielded six groups of ages, ranging from 2451-1857 Ma to early Cretaceous, which indicate that the formation and evolution of the Xisha Block was affected by the evolution and closure of Neotethys Ocean, probably within its eastern extension into South China Sea. Both old, deep-sourced material, including fragments from Rodina supercontinent, and recent mantle-derived magma products contributed to the emergence and formation of the Xisha block. The SHRIMP U-Pb results also proved that this process differed from that of the Kontum massif, the Hainan Block, and the South China Block, but is similar to that of the Nansha and Zhongsha blocks. The process was associated with the effects of Yanshanian magmatism induced by subduction mechanisms of the Paleo-Pacific Plate or the reworking of the multiple magmatisms since the Early to mid-Yanshanian, possibly jointly experienced by the Xisha-Zhongsha-Nansha Block.     

西沙群岛西琛1井碳酸盐岩白云石化特征及成因机制

西沙群岛西琛1井碳酸盐岩地层可分为3个白云岩层和4个石灰岩层。白云岩层白云石矿物体积分数为91.1%~100%,其他矿物小于8.9%,以泥晶为主,分布在岩石的骨架颗粒和孔隙充填物等各种结构组分中。白云岩δ13C为0.80‰~3.16‰,平均为2.24‰;1δ8O为0.56‰~5.23‰,平均为2.56‰。这些特征反映了白云石化作用发生在准同生超浓缩卤水条件下,古盐度为36.88%,古温度为1.07℃。石灰岩层白云石矿物体积分数多在25%以下,以亮晶为主,在孔隙或裂缝发育部位富集,而坚硬的骨架部位几乎没有白云石。白云石流体包体的均一温度为102.5~296℃,平均为156.3℃;盐度为0.55%~6.25%,平均为3.75%;密度为0.95~0.99 g/cm3,平均为0.97 g/cm3;压力为20.65~42.65 MPa,平均为33.65 MPa。这些特征反映了白云石化作用可能与成岩期后热水作用相关。     

近500年西沙群岛海面温度年际变化的珊瑚记录及其环境意义

在南海西沙群岛（15.76°~17.13°N,111.18°~112.90°E）5条年分辨率的滨珊瑚生长率（即每年生长宽度,mm/a或cm/a）序列和4个U-Th年龄的基础上,根据珊瑚生长率与器测海温的显著正相关关系特征并建立的转换方程,定量重建了近500年（1520~2007 A.D.）连续的年分辨率的西沙海温历史。这一时期的海温变化可以分为两个主要阶段：1）1520~1825 A.D.以小幅波动为主,略有下降（-0.21±0.07 ℃）。2）1826~2007 A.D.整体呈上升趋势（0.93±0.15 ℃）,其中1826~1899 A.D.快速上升（1.0±0.13 ℃）;1900~1971 A.D.小幅波动,略有下降（-0.16±0.19 ℃）;1972~2007 A.D.再次上升（0.55±0.30 ℃）。同时,近500年来西沙海温具有显著的年际、十年际和多年代际周期,分别对应于ENSO、太阳活动和太平洋多年代际涛动（PDO）。珊瑚生长率记录的西沙海域持续升温始于1820年代后期,与西太平洋暖池区的升温起始时间相当,但略早于全球其他区域,体现了南海海域对赤道海域海洋环境变化的敏感响应。