中國侏羅紀中期地球地質事件的研究進展

中段（125.90ma）是地質史上一個非常特殊的時期。在此期間，許多異常事件影響了當時的地球表層環(huán)境，導致了明顯的全球變化，并對隨后的地球產(chǎn)生了深遠的影響。其中包括白堊紀中期大規(guī)模海底火山活動、大洋缺氧事件、生物異常更替與絕滅、超級靜磁期出現(xiàn),并在海洋沉積記錄上出現(xiàn)從碳酸鹽沉積到黑色頁巖沉積的轉變以及大洋紅層的間斷出現(xiàn)等1,。近年來有關白堊紀地質、物理、化學、生物、計算機模擬等方面均取得了大量的數(shù)據(jù),大大豐富了對白堊紀中期異常事件的認識,同時也為我們更清晰地描繪這一地質歷史中的異常時期提供了可能。本文正是基于對白堊紀中期異常事件的深入解剖和分析,揭開白堊紀中期地球面貌及其全球變化特征,在此基礎上,提出異常事件之間的關聯(lián)與反饋機制。1海底火山事件1.1海底高原活動特征白堊紀中期是大規(guī)模海底火山活動時期,其間發(fā)生的海底火山事件主要指大洋中脊洋殼生產(chǎn)速率的增加以及大洋板塊內(nèi)大火成巖省的出現(xiàn),因而白堊紀中期被認為是超級地幔柱發(fā)育時期。據(jù)研究,白堊紀中期洋殼生產(chǎn)面積是白堊紀晚期生產(chǎn)面積的1.8倍(圖1)。Cenomanian-Turonian界線時期對應于極高的洋中脊生產(chǎn)率,達57×106km3/Ma(圖1);界線之后,洋殼生產(chǎn)速率陡然下降至Campanian-Maastrichtian期的24×106km3/Ma(圖1)。白堊紀中期大火成巖省集中出現(xiàn),以OntongJava海底高原、Manihiki海底高原、Kerguelen海底高原和Caribbean海底高原最為特征。太平洋西南OntongJava海底高原出露面積達2×106km2,玄武巖位于上下灰?guī)r之間,厚度達20～70m,為典型的海底侵位。據(jù)計算,現(xiàn)今殘留體積為44.4×106km3(非洋脊火山作用)或56.7×106km3(洋脊火山作用);Manihiki海底高原體積為8.8×106km3(非洋脊火山作用)或13.6×106km3(洋脊火山作用);OntongJava海底高原和Manihiki海底高原火山活動于約125～118Ma,平均活動年齡為123Ma,比大洋缺氧事件OAE1a(約120.5Ma)所對應的Selli黑色頁巖及其同位素偏移要早2～3Ma(下文)。Kerguelen海底高原主要火山活動開始于約118～119Ma,南部Kerguelen高原和Rajmahal高原時代為約116～110Ma,ElanBank為110～108Ma。主體活動年齡大體與OAE1b(約113～109Ma)時間對應。Caribbean海底高原年齡為約94～87Ma,Kerguelen中部高原和BrokenRidge時代為約95～85Ma,大體與OAE2(93.5Ma)時間大致吻合。同時期的海底火山作用還有再次活動于約96～84Ma的OntongJava高原和約88Ma的馬達加斯加溢流玄武巖。Caribbean-Colombian海底高原玄武巖體積為4×106km3,印度洋BrokenRidge玄武巖體積為2×106km3。Cenomanian-Turonian界線時期洋內(nèi)幔源玄武巖總量達(8～10)×106km3或20×106km3。1.2海底火山作用的機制火山活動的一個最主要的影響是導致CO2大量進入大氣圈。以玄武巖為例,平均每1km3玄武巖噴發(fā)釋放到大氣中的CO2為3.48×1012g。以OntongJava高原體積保守取40×106km3,則釋放到大氣圈中的碳為3.8×1019g,相當于現(xiàn)今大氣圈和海洋總碳量(5×1019g)的76%。Cenomanian-Turonian界線期間海底火山作用釋放出的CO2總量為0.76×1019g,相當于現(xiàn)今大氣圈和海洋總碳量的15%。大氣圈CO2大規(guī)模增加將直接導致全球氣候變暖,這已經(jīng)被大量的海洋氧同位素記錄所證實。氣候變暖反過來又降低海水中CO2溶解度,使得過飽和海水中更多的CO2進入大氣圈,該正反饋機制促進氣候進一步變暖。另外,地幔來源的火山作用還將持續(xù)釋放大量的SO2。據(jù)估計,Cenomanian-Turonian界線期間海底火山作用排入海洋的SO2量可達8×1019g,其最直接的結果就是導致海水酸化,使得碳酸鹽溶解并釋放CO2進入大氣圈,同樣促進氣候進一步變暖。大量海底火山作用(大火成巖省)發(fā)生的另一個明顯的結果就是導致海平面的上升。一方面是熔巖流噴出到海底;另一方面是熱的、漂浮的地幔柱向上推舉洋殼,導致洋殼減薄。因而白堊紀中期是整個中新生代海平面最高時期。大量海底火山作用的發(fā)生以及其所引起的海平面上升、全球氣候變暖將直接導致全球溫度升高、營養(yǎng)組分的增加,而后兩者將使生物系統(tǒng)演化速度加快。這也進一步說明白堊紀中期為什么是一個生物快速更替時期(下文)。大量海底火山作用的一個重要結果就是熱液活動的增強,尤其是海底擴張中心。熱液活動的增強將引起海洋化學組成的變化。87Sr/86Sr值明顯變化被認為是海底熱液活動的結果。白堊紀中期,出現(xiàn)兩次非常明顯的87Sr/86Sr值負偏移。一次開始出現(xiàn)在Aptian最早期(約123Ma),至Aptian晚期(約115Ma)達最小值,一直到Albian中期恢復,延時約13Ma;另一次偏移開始于Cenomanian中期—晚期(95Ma),至Turonian晚期(90Ma)達最小值,到Santonian期(85Ma)才恢復到偏移之前值,延時約10Ma(圖2)。海底火山作用的發(fā)生還將產(chǎn)生大量的還原性金屬元素以及H2S、甲烷等氣體,這些還原性氣體一進入海底熱液就會被熱液中的溶解氧氧化,此過程的結果是消耗大量的海水中溶解氧,導致海水缺氧環(huán)境的形成。另外,海底熱液活動的增強將提供更為豐富的溶解鐵及其他生物可利用的金屬元素,而這些元素的增加將使海洋原始生產(chǎn)力增加。海洋原始生產(chǎn)力的增加,其結果是進一步導致底層水缺氧環(huán)境的形成,因為分解更多的有機質將消耗更多的海水中的溶解氧。2烴源巖的性質大洋缺氧事件(OAE)因其與全球碳循環(huán)、氣候和海洋變化緊密相關,以及其沉積物——黑色頁巖是重要烴源巖的事實,近30年來一直是國際地學界研究熱點之一。2.1缺氧事件aaeSchlanger和Jenkyns首次提出用“大洋缺氧事件”概念來解釋白堊紀三個時期內(nèi)廣泛出現(xiàn)的黑色頁巖的成因,并分別稱之為Aptian-Albian缺氧事件、Cenomanian-Turonian界線缺氧事件和Coniacian-Santonian缺氧事件,略寫為OAE1、OAE2(約93.5Ma)和OAE3(圖2)。根據(jù)黑色頁巖延續(xù)時間,這三次缺氧事件發(fā)生的時限大致分別為18、1～2、4～5Ma。隨著后續(xù)研究的不斷深入,又把OAE1細分為OAE1a(約120.5Ma)、OAE1b(約113～109Ma)、OAE1c(約102Ma)、OAE1d(約99.2Ma)(圖2),每一缺氧事件的時限從幾萬年到幾Ma年不等。從目前所掌握的資料來看,只有OAE1a和OAE2的兩次缺氧事件具有全球分布性,而其他缺氧事件都是區(qū)域性的。除歷時相對較短、分布面積廣泛外,大洋缺氧事件還具有以下特征:(1)富含有機質黑色頁巖,有機碳含量最高可達30%;(2)碳同位素正偏,海洋碳酸鹽δ13C正偏2‰,有機質δ13C正偏4‰;(3)海洋微體生物發(fā)生不同程度更替和絕滅(下文)。2.2水合物的氧化Jahren等通過測試化石C3植物碳同位素揭示,在Aptian早期,δ13C快速負偏移達5‰,后快速正偏移5‰。相同的情形還出現(xiàn)在海洋有機質和全巖碳酸鹽上,其碳同位素負偏移量為3‰。這被解釋為由于溫度升高導致大規(guī)模的天然氣水合物大量排放到空氣中并被快速氧化從而造成同期生物圈同位素負偏。大規(guī)模的氣體水合物從海洋沉積物中開始排放到水中,不斷溶解并在水中持續(xù)被氧化,這樣就要消耗掉大量的溶解氧,造成大洋水體缺氧,促進缺氧條件的形成。一旦海水中的甲烷溶解度達到飽和之后,甲烷將被釋放到大氣中,快速被氧化轉換成CO2,這將一方面促進氣候變暖,另一方面還將導致大氣O2含量的快速降低。據(jù)模擬計算,Aptian早期約14萬年碳同位素負偏移期間可能有近3000×1015g氣體水合物排放到大氣圈中,直接造成大氣CO2增加約600×10-6,同時,還導致大氣氧氣降低約50×1016mol。2.3有機質一環(huán)co-ms驅動的碳循環(huán)效應大洋缺氧事件期間,由于有機質短期內(nèi)大量被埋藏,勢必影響到全球碳循環(huán),最直接的結果就是有機質不能被氧化,碳沒有直接返回到大氣中,繼而引起大氣CO2含量降低,導致溫室效應的減弱。據(jù)統(tǒng)計,Cenomanian-Turonian界線缺氧事件在短暫的0.5Ma內(nèi)埋藏有機碳總量達1.6×1018mol,年平均達0.32×1013mol。進一步研究發(fā)現(xiàn),這種因有機質埋藏所引起的碳循環(huán)的改變可能要比以往所認為的要明顯得多,而且,很有可能小規(guī)模的氣候波動即受此碳循環(huán)控制。例如,Kuypers等在研究北大西洋OAE2時,發(fā)現(xiàn)植物葉正構烷烴正偏移量達10‰～16‰,這被解釋為植物類型從C3植物過渡為以C4植物為主或出現(xiàn)C3和C4混合植物,這意味著CO2含量下降到500×10-6以下,下降量達40%～80%。Cenomanian-Turonian界線之后全球氣候不斷變冷(?),可能與全球缺氧事件造成大量有機碳埋藏、CO2降低、溫室效應減弱有關。另外,大洋缺氧事件期間有機質的埋藏將導致與埋藏碳相同摩爾數(shù)的氧氣進入大氣圈,從而增加后者的氧化能力。以C/T缺氧事件為例,0.5Ma期間有機質埋藏將導致與埋藏碳相同摩爾數(shù)的氧氣的增加(1.6×1018mol),相當于現(xiàn)今大氣氧氣總量增加4.2%(而不是Arthur等文中的40%)。3浮游生物及底棲植物的新生和絕滅白堊紀中期是地質歷史中一個明顯的生物異常輻射和更替(新生+絕滅)時期,包括海洋浮游生物、底棲有孔蟲、雙殼類以及陸地植物都經(jīng)歷了不同程度的新生和絕滅。據(jù)統(tǒng)計,就海洋域而言,僅在Cenomanian/Turonian界線(OAE2)時期,屬級絕滅14%～26%,種級絕滅33%～55%。3.1質超微浮游生物的地球化學特征最近,Leckie等系統(tǒng)統(tǒng)計了白堊紀中期(125～90Ma)鈣質超微浮游生物和浮游有孔蟲的豐度、多樣化(diversification)速率(新生速率-絕滅速率)、更替速率(新生速率+絕滅速率)(圖3)。結果顯示,白堊紀中期鈣質超微浮游生物、浮游有孔蟲和放射蟲均發(fā)生快速生物更替,高絕滅率和高新生速率均發(fā)生在大洋缺氧事件所對應的時間段內(nèi),顯示大洋缺氧事件對海洋微體生物的強烈影響。白堊紀中期鈣質超微浮游生物的豐度是浮游有孔蟲豐度的2～3倍(圖3)。鈣質超微浮游生物分異度從Barremian晚期約40種逐漸增加,到Turonian早期達近70種。多樣化速率在Barremian晚期和Aptian晚期出現(xiàn)最高值,其他明顯的多樣化速率出現(xiàn)在Aptian/Albian界線、Albian中期、Albian晚期和Cenomanian中期(圖3)。鈣質超微浮游生物的最大更替速率、最大絕滅速率均出現(xiàn)在Aptian早期和Cenomanian-Turonian界線,分別與大洋缺氧事件OAE1a和OAE2相對應(圖3)。白堊紀中期浮游有孔蟲的演化以間隔性地出現(xiàn)高更替速率與低更替速率為特征。最大的更替速率出現(xiàn)在Aptian/Albian界線附近(112～123Ma),Aptian晚期的69%種絕滅,新出現(xiàn)Albian早期的23%種絕滅(圖2,圖3)。高更替速率還出現(xiàn)在Aptian早—中期、Albian最晚期、Cenomanian中期以及Cenomanian-Turonian界線(圖2,圖3)。同樣地,Erbacher等統(tǒng)計結果表明,放射蟲最大更替速率也出現(xiàn)在大洋缺氧事件時期內(nèi)(圖2)。OAE1a、OAE2時期內(nèi)放射蟲更替速率、絕滅速率分別是67%和107%、41%和58%(圖2)。另外,明顯的更替速率和絕滅速率還出現(xiàn)在Albian早期、Albian晚期和Cenomanian中期。3.2浮游生物的確定早白堊世遠洋碳酸鹽主要生產(chǎn)者微椎類(nannoconids)鈣質超微浮游生物在白堊紀中期經(jīng)歷了兩次不同程度的生存危機,稱之為“微椎類危機”(nannoconidscrisis)。第一次也是最大的危機出現(xiàn)在Aptian早期,對應于OAE1a之前的太平洋大火成巖省的侵位時間。具有特征似棒狀(club-like)房室浮游有孔蟲Leupoldinacabri首現(xiàn)面大致對應于微椎類危機和OAE1a啟動時間。Leupoldinids類生物適應于貧氧、缺氧環(huán)境,成為OAE1a期間浮游有孔蟲組合的主要類型。Aptian晚期,第一種具旋脊浮游有孔蟲Planomalinacheniourensis總延限時間對應于微椎類復蘇,被稱之為“Nannoconustruittii頂峰(acme)”。第二次微椎類小危機對應于Aptian末鈣質超微化石P.cheniourensis絕滅界線,大體與Aptian-Albian界線長時期有機質埋藏時間相當。Aptian-Albian界線時期,浮游有孔蟲遭受白堊紀最大的絕滅和更替,放射蟲也同樣出現(xiàn)明顯的絕滅和新生,而鈣質超微浮游生物除微椎類之外基本不受影響。同時,該時期也是浮游有孔蟲超微結構變化的分水嶺,螺旋椎狀、具小孔殼的種屬被具有大孔和光滑殼壁的種屬所取代。Cenomanian-Turonian界線(OAE2)期間白堊紀生物放射蟲和鈣質超微浮游生物發(fā)生明顯變化,后者遭受白堊紀最大更替變化,深水浮游有孔蟲發(fā)生激烈變化,輪孔蟲(Rotalipora)屬絕滅,而機會種異卷蟲屬(Heterohelix)出現(xiàn)明顯增生現(xiàn)象。深海底棲有孔蟲發(fā)生不同程度的絕滅,絕滅率37%～69%。4地震地表及地球磁場Helsley和Steiner最先發(fā)現(xiàn),在白堊紀中期有很長時間地球磁場保持為正極性,現(xiàn)在稱之為白堊紀超靜磁帶(CNS)。古地磁學家從不同角度對CNS進行了研究,確定CNS持續(xù)時間約為38Ma(121～83Ma)。地球磁場在這么長的時間里為什么不發(fā)生倒轉,已成為地球物理學家關注的熱點問題。Zhu等通過對我國東部地區(qū)廣泛出露中生代火山巖地球磁場古強度的研究,發(fā)現(xiàn)在超靜磁帶前地球磁場的強度是現(xiàn)今地球磁場強度的一半。他們還發(fā)現(xiàn)中生代以來地磁極性倒轉頻率的變化與地球磁場強度的變化之間可能存在正相關,這意味著地球核幔相互作用和外核流體運動可能處于低能態(tài)時,地球磁場的穩(wěn)定性增強。這說明白堊紀超靜磁帶的發(fā)生,可能代表著核幔相互作用和外核流體運動處于能量最低的狀態(tài)。5巖石學和礦物學特征低緯度遠洋沉積因其遠離大陸,基本上不受陸源物質的影響,主要反映遠洋生物對環(huán)境變化的影響。對意大利中部遠洋沉積研究表明,白堊紀中期沉積記錄上發(fā)生明顯的變化。第一次明顯的變化發(fā)生在Selli事件層底界附近,從碳酸鹽沉積快速轉變?yōu)檫€原條件下的富有機質黑色頁巖沉積。根據(jù)黑色頁巖、硅質巖的出現(xiàn),該變化又可進一步劃分為三階段小變化。首先出現(xiàn)在Hauterivian-Barremian界線,Hauterivian遠洋沉積以高含量碳酸鈣沉積為特征(Maiolica相),夾豐富瘤狀硅質巖,偶見層狀,缺乏黑色頁巖。Barremian開始一直到Barremian晚期(約126Ma)到地磁極性M0底界(121.5Ma),整體以碳酸鈣沉積為主,以出現(xiàn)富有機質的黑色頁巖夾層為特征,硅質巖豐富。從M0底界到Selli(OAE1a)底界(120.5～119.5Ma),沉積記錄為碳酸鹽沉積夾黑色頁巖沉積,缺乏硅質巖沉積。Selli層內(nèi)缺乏碳酸鹽,整體以黑色頁巖為主。從Aptian早期Selli層一直到Cenomanian-Turonian界線Bonarelli層(約93.5Ma,OAE2),以同時廣泛出現(xiàn)黑色頁巖和大洋紅層為特征,部分地層以黑色頁巖為主,部分地層以大洋紅層為主,部分地層甚至出現(xiàn)黑色頁巖、大洋紅層的韻律性沉積。紅層首次出現(xiàn)于Aptian晚期開始階段(約118.5Ma),在Aptian-Cenomanian期間與黑色頁巖、灰色泥灰?guī)r交替出現(xiàn)。據(jù)初步研究,Selli-Bonarelli之間至少出現(xiàn)8套大洋紅層,而黑色頁巖層則多達200多層。Aptian-Albian期間整體缺乏硅質巖,硅質巖自M0界線附近消失之后再次出現(xiàn)在Albian頂部,硅質巖的再次出現(xiàn)被作為ScagliaBianca的底界。Bonarelli層(Cenomanian-Turonian界線)之上地層則主要以出現(xiàn)大規(guī)模的大洋紅層沉積為特征(ScagliaRossa相),標志著白堊紀中期黑色頁巖的結束,取而代之的是氧化條件下廣泛出現(xiàn)的上白堊統(tǒng)紅層。以上現(xiàn)象不僅見于意大利中部地區(qū),還見于北大西洋、阿爾卑斯、喀爾巴阡、黑海、喜馬拉雅(包括我國西藏南部地區(qū))、北太平洋等地區(qū),可能是整個特提斯域或者說全球深水沉積的一個非常重要的特征。為什么白堊紀深水沉積會出現(xiàn)從早白堊世Maiolica相、含黑色頁巖夾層、黑色頁巖和大洋紅層大規(guī)模出現(xiàn)到晚白堊世整體以大洋紅層為主的沉積的轉變?蘊藏在這一遠洋沉積物轉變之后的古海洋條件、古氣候環(huán)境又發(fā)生了怎樣的變化?對該問題的探索正是目前開展的IGCP494和IGCP463的主要科學目標之一。6海底火山作用及海洋生物自然生產(chǎn)力的增加地球是一個系統(tǒng)。白堊紀中期異常事件是地球系統(tǒng)下各圈層相互耦合的產(chǎn)物,事件相互之間不是孤立的,單個事件引起的全球變化對其他事件起著明顯的正/負反饋機制作用。圖4顯示白堊紀中期各個因素、地質事件的相互關聯(lián)與反饋作用。存在于核幔相互作用和外核流體運動導致白堊紀中期超級地幔柱的發(fā)生,并造成白堊紀超靜磁帶(CNS)的發(fā)生。大規(guī)模海底火山作用是引起白堊紀中期異常海洋和氣候的最根本原因。最直接的影響是釋放CO2進入大氣圈,導致全球氣候變暖;氣候變暖反過來又降低海水中CO2溶解度,使得海水中更多的CO2進入大氣圈,促進氣候進一步變暖。海底火山作用還將持續(xù)釋放大量的SO2,導致海水酸化并使得碳酸鹽巖發(fā)生溶解,釋放CO2進入大氣圈,促進氣候進一步變暖。全球氣候變暖將導致大量的