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白垩纪大洋缺氧事件研究进展.docx
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2023-02-23
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白垩纪大洋缺氧事件研究进展.docx
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近年来, 随着大气中温室气体二氧化碳浓度的升高, 加速了全球范围内气候变暖的趋势, 并且该变化
的发生速率远比现有气候模型所预期的要快, 要理解气候发生快速变化的风险, 就必须从长远的角度来看
地球系统对大气温室气体升高的响应
[1]
。这也是国际深海钻探研究领域最前沿的国际合作计划——国际大
洋发现计划(IODP)最核心的科学目标之一
[2]
。白垩纪中、晚期是地质历史上典型的极端暖室期, 如高纬度
地区的古表层海水温度(SST)达到 20~30℃, 在中、低纬度地区则高达 30℃以上
[3]
; 而全球大气二氧化碳
浓度在白垩纪中期高达约 1 000~2 000 ppmV (ppmV 表示二氧化碳体积比的单位为 μL/L, 后同)
[4]
, 到白垩
纪晚期仍维持在 500 ppmV 以上
[5]
。此外, 该时间段还是全球超级地幔柱的强烈活跃期
[6]
。上述特殊的气
候和构造条件为探究关键地质历史时期的碳循环过程、成因机制及其古气候环境效应等奠定了坚实的基
础。
早在 20 世纪 70 年代, 由于深海钻探计划(DSDP)的实施, 在太平洋马尼希基高原发现了白垩纪时期
的、以高有机质含量为特征的黑色沉积物, Schlanger 和 Jenkyn
[7]
发现此类黑色沉积物的分布具有全球性
和同时性, 并认为其形成可能与白垩纪中某些特定地质历史时期中全球(或局部)海洋出现低氧到缺氧条件
有关, 因此将形成这些沉积物的事件称为大洋缺氧事件(OAEs)。其定义为:海洋环境中大的地域范围里短
期内(< 1 Ma)明显增强的有机碳(TOC)沉积阶段, 并往往与海洋和陆地沉积物中碳同位素的明显偏移相对
应。
通过对白垩纪富含有机碳地层的研究, 人们发现白垩纪 OAEs 是多期次的, 主要发生在阿普特期(约
125.0~113.0 Ma)—阿尔布期(约 113.0~100.5 Ma)、赛诺曼期(约 100.5~93.9 Ma)—土伦期(约 93.9~89.8
Ma)的交界时期和康尼亚克期(约 89.8~86.3 Ma)—三冬期(约 86.3~83.6 Ma), 分别被称为 OAE1、OAE2
和 OAE3, 而 OAE1 又可进一步划分为 OAE1a(约 120 Ma)、OAE1b(约 111 Ma)、OAE1c(约 105 Ma)和
OAE1d(约 100 Ma)四期。其中以 OAE1a、OAE1b 和 OAE2 这三次事件最为显著, 具有全球性分布特征;
而 OAE1c 和 OAE3 这两次事件则具有区域性分布特征:其中前者主要分布在古特提斯洋区域, 而后者则主
要发现于大西洋地区
[8]
。值得注意的是, OAE1d 事件最早是在古特提斯洋个别的海洋沉积岩中发现的, 被
认为是区域性 OAEs
[8]
, 但随着后来该事件在大西洋
[9]
和加利福尼亚地区
[10]
的相继出现, OAE1d 事件也有
可能具有全球意义。由于白垩纪 OAEs 关系到碳循环、古海洋-古气候变化等一系列重大科学问题, 自其
定义被提出以来, 科学家们对全球主要大洋盆地及地表出露的海相地层中记录到的白垩纪 OAEs 开展了一
系列的研究工作, 本文在上述研究成果的基础上从 TOC 含量、碳同位素、古温度和锶同位素等地球化学
特征及其古环境指示意义等方面综述该事件的研究进展, 以探究其成因机制以及地球系统对于大气温室气
体浓度升高的响应。
1 白垩纪 OAEs 的标志性特征
OAEs 往往对应着 TOC 在短期内迅速而大量地埋藏, 其中白垩纪 OAEs 的标志性特征是在全球范围
内广泛分布的黑色页岩
[11]
。这是一种泥质岩类, 一般由包含有机质和石英粉砂的黏土矿物组成, 其中 TOC
含量极高, 往往可达 10%~30%。TOC 埋藏量在阿普特早期迅速升高, 至阿尔布早期达到一个较高的值之
后开始下降, 在赛诺曼末期埋藏量迅速增加, 至土仑早期埋藏量持续增加, 这段时间也正是 TOC 埋藏速率
的高峰期
[12-14]
。
在空间分布上, 在阿普特早期的 OAE1a 中, 阿尔卑斯山、地中海地区的沉积物中 TOC 含量在 2%~
18%
[15]
, 同时在美国加利福尼亚州的佛兰西斯科杂岩以及太平洋中部和北部的海底高原、海山等处均发现
了高 TOC 含量并广泛分布的黑色页岩, 其中北太平洋沙茨基海隆沉积物中 TOC 的含量更是达到了 40%
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