古海洋学

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  古海洋学汉语拼音:Guhaiyangxue;英语:Paleoceanography),研究地质历史时期海洋环境及其演化的科学。又称历史海洋学。利用现代地质学海洋学理论方法,通过对海洋沉积物的分析和研究,了解和复原古海洋表层及底层环流的形成、演化及其地质作用,探明海水组分在地质时期中的变化,浮游和底栖生物的演化,研究生物生产力和生物地理发展史及其对沉积作用的影响,海洋沉积作用和古气候演化史。古海洋学的中心问题是古海洋环流的形成和发展史。

  古海洋学与地质学、古生物学沉积学古气候学关系密切,它为板块构造理论生命演化气候演变的研究提供科学依据,也为寻找石油天然气、煤、铁锰结核及结壳、磷酸盐等沉积矿产提供成矿环境的指标和分析方法。具有重要的实用和理论意义。

  古海洋学作为一门独立学科出现是在20世纪70年代。1968年开始实施深海钻探计划(DSDP),在世界各大洋钻取岩心,其中有的钻到基底。70年代末“液压活塞取心技术”问世,使获取未扰动的长岩心成为可能,为研究中生代以来的海洋环境及其演化提供了实际资料。大洋地层学环境地球化学等理论和方法的有机结合,使得全球性地层对比和古环境分析成为可能。板块构造说又为古海洋环境的再造奠定了理论基础。迄今已初步建立各大洋中生代以来不同时期的古海洋环流、古海洋地理和古气候及其演化模式。

主要研究内容和成果

  古海洋学研究内容如下:①古海洋水文:包括古水温、古洋流和古水深的研究。②古海洋化学:包括古盐度、溶解氧、磷酸盐、二氧化硅和碳酸盐补偿深度的研究。③古海洋生物:包括对浮游生物演化、古生物生产率和古生物地理的研究。④古海洋气候:包括古气温、古湿度和古气候循环的研究。

  古海洋学的研究极大地丰富了人们对海洋历史的认识。主要取得以下成果。

古海洋与古气候演变

  深海钻探资料表明,海洋沉积地层的最老年龄不超过1.7亿年。基于深海钻探及其他方面的资料,已经能勾画出晚中生代以来古海洋演化的基本轮廓。古海洋与现代海洋一样,是一个物理、化学、生物和地质相互作用和相互制约的统一体系。但晚中生代海洋水温度高,极区无冰盖,海洋中缺少冷的底层水,赤道与极地之间和水层中温度梯度小,大洋环流微弱;新近纪至现代海水温度较低,极区有冰盖,赤道与极地之间和水层中温度梯度增大,冷的底层水发育,大洋环流强大。古近纪海洋作为其间的过渡阶段,其特征介于两者之间。

大洋环流的演变

  是控制古气候变化,特别是新生代气候变冷的基本因素之一。而环流的变迁又受控于板块运动和海陆相对位置的变化以及气候变动。

  二叠纪、三叠纪期间,地球上只有联合古陆,即泛大陆,周围是统一的泛大洋,在南、北半球大洋中分别存在单一的巨大环流。泛大洋西缘较暖,东缘较冷,南北向的温度梯度不及东西向的梯度大。晚三叠世,联合古陆开始解体。侏罗纪,北美大陆开始与南美、非洲大陆分裂,形成北大西洋,在闭塞环境中接收了蒸发岩沉积。晚侏罗世至白垩纪,北大西洋东通特提斯海,西南经中美水道连接太平洋,形成了环绕全球的自东向西的赤道环流。在太平洋和南、北半球均发育亚热带反气旋环流和副极地气旋环流。早白垩世时南大西洋和印度洋张开,但是初期南、北大西洋并不连通,在南大西洋形成了大量蒸发岩。1.1亿~0.8亿年前,南、北大西洋之间出现表层水交流,在0.7亿年前,进一步出现深层水交流。当时北大西洋与北冰洋仍然彼此隔绝,直至新生代初期,北大西洋才开始与北冰洋连通。随着北美大陆西漂与亚洲大陆靠拢,自晚白垩世开始,北冰洋与太平洋之间的深水交流终止。

  新生代以来大洋环流的变迁,主要表现在以下三方面:①赤道环流的减弱和中断。4,000万年前印度大陆与亚洲大陆主体汇合,使赤道环流局限于从阿拉伯以北狭窄水道通过,1,800万年前,非洲–阿拉伯大陆与欧亚板块碰撞和中东造山运动使特提斯海水道最终封闭,大西洋–地中海与印度洋之间的交流终止。新生代晚期,随着澳大利亚大陆北移,印度尼西亚水道关闭,赤道印度洋与赤道太平洋之间的深水交流受阻。上新世晚期(约350万年前),巴拿马地峡形成,切断了赤道太平洋与赤道大西洋之间的水体交流。②南极绕极流的形成。渐新世随着澳大利亚大陆与南极大陆进一步分离(最早在始新世时开始分离)北移,塔斯马尼亚以南的南塔斯曼海隆与南极大陆分开,沿新裂开的塔斯马尼亚水道,印度洋海水流入太平洋。渐新世晚期或中新世早期,南美大陆与南极大陆之间的德雷克水道张开,最终形成完整的南极绕极流(图1)。③南极底层水的形成。渐新世最早期,随着南极地区冰川和海冰的发展,寒冷的高盐度表层海水下潜,形成南极底层水,导致大洋底层水富含氧,海底侵蚀作用增强,沉积间断及再沉积作用发育。至新近纪,统一的赤道环流已不复存在,南极绕极流十分强劲,开始出现类似于现代的大洋环流特征。

新生代气候变冷过程

  对深海岩心的氧同位素分析表明,白垩纪以来全球气候有变冷的趋势。

  新生代气候变冷过程的特点是:高纬度区明显变冷,低纬度区不甚显著;海洋深层水明显变冷,表层水不甚显著;变冷并不是平稳的渐变过程,而是在温度下降的总趋势上叠加着几次急剧的气候变动。始新世末、中中新世和晚上新世为新生代三次急剧变冷期。①始新世末期事件。距今3,700万年前,海洋底层水温度急剧下降4~5℃,南极周围首次形成大规模海冰,开始出现寒冷的南极底层水。南极大陆已有冰川,但可能尚未成为巨大冰盖。有孔虫等生物蒙受沉重打击,致使渐新世初期海洋生物分异度变的极低。以上现象的出现可能与塔斯马尼亚水道的张开有关。南印度洋高纬度海域的表层冷水,经塔斯马尼亚水道注入南极罗斯海域,取代了南下的东澳大利亚暖流,从而触发了南极地区的冰冻。②中中新世南极冰盖形成。大约1 000万年前,南极大陆形成冰盖,南大洋海冰进一步扩展(当时北半球仍无冰川),冰载沉积物分布甚广,硅质生物沉积带向北扩展。这一时期的海洋进一步变冷与南极绕极流的形成和强化有关,它使南极水体无法与低纬度区温暖水体交流,南极大陆一定程度上处于热孤立状态。中新世中期,冰岛–法罗海岭沉没,北冰洋–挪威海海水流入北大西洋,北大西洋海水长驱南下,然后上升,加入南极绕极流,为南极大陆带来了形成南极冰盖所必需的降水。③晚上新世北半球冰盖形成。300万~240万年前,北大西洋和北太平洋出现冰载沉积物,表示北半球冰盖的形成,由此开始出现冰期–间冰期气候旋回。北半球生成冰盖,可能与巴拿马地峡的形成、墨西哥湾暖流的强化有关。湾流为形成冰盖带来了大量水气。

第四纪海洋

  据同位素资料的研究,第四纪期间,冰期与间冰期频繁更迭,最突出的变动周期为约10万年,其上还叠加着约4万年和2万年的周期。这种周期的长短分别与地球轨道偏心率、自转轴倾角和岁差的变化周期相当。因此,冰期-间冰期旋回可由米兰科维奇旋回作出比较合理的解释。随着冰期、间冰期的交替,反复发生海进和海退,海面波动幅度可达100米左右,深海沉积物的碳酸盐丰度发生周期性变化,构成碳酸盐旋回。气候带,特别是雪线发生南、北迁移,冰载沉积物分布区时进时退。至第四纪后期,气候变动的幅度达到最大。距今70万年前,北极冰盖增厚。随着温度梯度和大洋环流的增强,南大洋及其他一些海域生物生产力升高,至第四纪晚期达到新生代最高值。在冰期,冰蚀作用强盛,海面下降导致河流侵蚀作用增强,气候干冷导致沙漠扩张,卷扬起大量泥沙,从而大洋中陆源沉积速率明显增大。

  据“长期气候研究、测绘和预报计划”(CLIMAP)的研究结果,18 000年前为末次冰期鼎盛期,当时冰盖广达全球陆地面积的1/3,厚达3千米。海平面至少比现代低85米。18 000年前的大洋表层水温分布图(图3)显示:极峰线向赤道偏移,海水温度低,表层海水温度比现在低2~3℃;温度梯度高,尤以北大西洋和南大洋最为显著;沿非洲、澳大利亚和南美洲西岸的东部边界流强盛,伴随着冷水团向赤道方向扩展;赤道上升流和沿岸上升流也很活跃。近10 000年来,全球气温升高,冰川退缩,海面上升。但是,气温升高过程中多次发生气候突然变冷事件,如Henrich事件和老仙女木事件等非轨道气候事件。目前,地球正处在间冰期。

研究方法

  海洋沉积是研究古海洋历史的主要对象和依据,但首先要确定其地质时代。大洋沉积层时代的确定方法与大陆地层学方法基本相同,主要有岩性地层、间断地层、地震地层、事件地层、气候地层、生物地层、磁性地层、化学地层和同位素地层学等方法。

  古海洋学与现代海洋学不同。现代海洋学可以用各种观测设备直接测定海洋环境参数。但古海洋学却只能用古生物学、地球化学和沉积学的方法,间接地确定古海洋各种环境要素。古海洋学的主要研究方法有以下几种。

微体古生物学法

  古海洋学最主要的研究手段之一。有孔虫、放射虫、硅藻、颗石藻等微体或超微生物的生活,受海水深度、盐度、温度、浊度、营养盐及水体运动等各种物理化学条件的控制。这些要素的变化记录在生物个体、生物组合、分异度等特征上,因此海洋生物是海洋环境及其变化的灵敏标志。微体古生物学法主要从以下几方面进行分析:①生物时空分布规律的研究。不同生物对其生活环境有一定选择性,如放射虫多见于赤道海域,硅藻多产于高纬度海区;窄温性有孔虫,有的适应于温水,如截锥圆辐虫(Globorotalia truncatulinoides);有的适应于冷水,如厚壁新方球虫(Neogloboquadrina Pachyderma)。据此,可以推断当时的水温。根据生物分布还可以推断古海岸线的位置。从底栖有孔虫的居住带和生物分异度可推断古深度。微体生物组合和展布方向能大体指示水团和洋流流向。窄盐性生物可作为判断海水盐度的指标。生物分异度及生物组合与温度梯度有关,分异度随着纬度增高而降低。海洋动植物的纬向分带指示着气候带。②生物个体形态特征的研究。生物个体的形态、大小、壳体厚度、密度、旋转方向及骨骼孔隙度等,都是生活环境的标志,可以反映水深及水温的变化。生物壳体厚度的增减规律与静水压力有关,据此可以判断古水深。浮游生物骨骼的孔隙度随着水的密度增大而减小。一些浮游有孔虫壳的旋转方向随着温度发生变化,在冷水中呈左旋,暖水中呈右旋,可用来判断季节变化和气候带。底栖有孔虫的平均寿命在高纬度区比低纬度区大2~3倍。③植物光合作用严格受到海水深度的控制,而海水透光带一般局限在200米内,故根据一些植物,特别是藻类化石,可以判断古海水深度。

地球化学法

  利用沉积物中某些元素和同位素的含量及其比值,可以确定古海水温度、盐度及水团。①同位素指标。海洋生物壳体的18O/16O比值与海水同位素组成呈平衡状态。后者取决于海水温度和盐度。因此根据海洋生物的氧同位素比值,可以计算古海水温度并推断古气候。用于同位素测定的海洋生物主要是有孔虫,此外还有颗石藻、软体动物和珊瑚等化石。海水蒸发作用也能引起氧、碳同位素的分馏作用。因此它们也可以用来估算海水盐度。②化学元素指标。某些化学元素,特别是痕量及微量元素的溶解度和吸附量随着海水温度和盐度发生变化,也可作为古海水温度和盐度的指标。如方解石中的Mg、Sr的浓度随水温而增大,惰性气体Ar、Kr、Xe的溶解度随水温增高而减小。黏土矿物吸附硼的量与盐度成比例,一般海洋沉积物比淡水沉积物含有更多的硼。海水中的许多痕量及微量元素丰度比淡水中的大,对这些元素进行统计分析,可估算古盐度。海洋碳酸盐中的Na和Sr含量、Sr/Ca和Fe/Mn比值都大于淡水。海洋有机质C/N比值是4.3~7.1,比陆源植物的C/N比值30~40小得多,因而也是判断海相和陆相的标志。

沉积学法

  沉积物的成分、结构、构造特征及其空间分布,都可以用于判断古海洋环境。①特征矿物。文石或高镁方解石多半出现于浅海环境,而低锶或低镁方解石则出现于淡水环境。菱铁矿多半产于水深10~50米的浅海区。自生黄铁矿一般代表海水流动微弱或停滞的还原环境。呈带状分布的石英、高岭石、伊利石等陆源物质和火山灰往往被用来解释海流状况。②岩性特征。海洋沉积物的碳酸盐含量受碳酸盐补偿深度(CCD)的控制。根据钙质沉积物的分布,可以推断CCD的变化及古海水深度、生物生产力、水化学特征及海平面变动状况。蛋白石质二氧化硅、磷酸盐的含量和分布可指示某一时期上升流和生物生产力状况。深海地层中铁锰结核的出现、岩性突变、地层和生物化石带的缺失等现象,可用来指示沉积间断,而区域性沉积间断往往代表地质时期深海底层流及其侵蚀作用的存在。富含有机质的黑色页岩可能代表水流微弱或停滞的缺氧还原环境。③粒度和构造特征。利用沉积物粒度及其排列方向可以测定古海流的强度和流向。有时还可以利用粒度分布特征,大体区分古气候带,例如,以机械风化作用为主的高纬度区多出现砾石等粗碎屑物质,常伴有分选很差的冰载物质,而化学风化作用为主的低纬度区则以泥质沉积为主。根据冰载物质在海底沉积物中的分布状况,尚可用来追索当时洋流的路径和方向。地层中的浊流沉积往往代表地震、风暴、滑坡等古海洋某种异常事件。

重大古海洋学事件

  深海钻探和同位素地球化学等方面的研究,揭示了大洋演化过程中的一系列重大事件。除上述大洋环流和气候变冷过程中的一些事件外,还有白垩纪中期缺氧事件,白垩纪末生物绝灭事件和中新世末地中海变干事件。

  ①白垩纪中期大洋缺氧事件。白垩纪气候暖热而均一,赤道与极地之间及海水垂向温度梯度均小,无冷底层水,大洋水平和垂直环流均弱,致使大洋中形成宽阔的缺氧沉积层。缺氧事件的重要标志是广泛形成纹层状黑色页岩,其有机质含量高达1%~30%,缺乏底层流侵蚀和生物扰动痕迹,无底栖生物化石。黑色页岩在大西洋分布最广,在印度洋和太平洋的无震海岭上也有发现,其形成时代多为白垩纪中期。

  ②白垩纪末生物绝灭事件。距今6,600万年前,恐龙、菊石、浮游有孔虫、超微浮游生物和箭石等生物发生大批绝灭,据统计约二分之一的属消亡了。许靖华等通过深海钻探岩心的研究,发现白垩系与第三系界面处CaCO3含量极低,钙质生物数量骤减,碳酸盐补偿深度一度急剧上升;18O/16O比值陡降和13C/12C骤降,反映海水温度突然上升和化学组成急剧变化。关于白垩纪生物绝灭事件的原因,众说纷纭。诸如气候变化、海面变动、地磁场倒转、火山爆发等。但是这些说法难以解释生物绝灭的突发性和全球性。比较占主导地位的说法是陨石撞击说,认为大陨石撞击地球释放出巨大能量,导致地球温度急剧升高和臭氧层遭到破坏;冲击作用掀起的大量尘埃遮住阳光,植物的光合作用受阻,导致全球环境急剧恶化,食物链中断而引起生物的大灭绝。

  ③中新世末地中海盐度危机。深海钻探揭示,地中海海底埋藏着中新世末期(米辛尼亚期,距今约500多万年前)的蒸发岩。蒸发岩厚达2~3千米,总体积100万立方千米。这一事件使地中海的海洋生物陷于绝境,故称地中海盐度危机,又称米辛尼亚事件。1,800万年前中东造山运动切断了地中海与印度洋之间的联系,地中海成为西通大西洋的内陆海。中新世末期,由于板块汇集,地中海西段海峡变浅,加之海面下降,使地中海成为隔绝状态。蒸发岩的上覆和下伏地层均属半远洋沉积,底栖有孔虫的古深度表明,地中海在变干之前有类似于现代的深海环境。硬石膏、叠层石和干裂等现象说明这一深海盆地曾经干涸。干涸时期,周围大陆的河谷深切至现代海面以下数百米,河流在裸露的大陆坡上刻蚀出深邃的峡谷。至上新世初期,直布罗陀海峡张开,大西洋海水再度进入地中海。

  古海洋学是20世纪70年代迅速兴起的新学科,还不够成熟,存在不少争论和假说。但作为一门高度综合的学科,它正在将岩石圈、水圈、生物圈和大气圈的研究结合起来,从而有可能为地球科学带来新的革命。