1、第六章古海洋生產(chǎn)力I Pa Ieoproduct ivity古海洋中生物生產(chǎn)力的演變歷史，不僅對(duì)于海洋 的物理、化學(xué)條件產(chǎn)生影響，而且也是理解洋底沉積機(jī)理和沉積礦產(chǎn)分布規(guī)律的重要因素。古海洋學(xué)的生物方面比物理、化學(xué)方面更加復(fù)雜。MMINE-5190KHO?marine<o2DEEP ATLANTIC T°C160BDMMINE-5190KHO?marine<o2DEEP ATLANTIC T°C4060802040 I601220 26D 3002040MKM2O4O6O 13 1111o o Av o o6 8 0 2 4 s 11154 200 250 30

2、0 350 01-1204040fro601»0 13 3 4 56Bo00112040160BD海水對(duì)大氣C02的調(diào)節(jié):淺海生產(chǎn)力深海碳酸鹽沉積 （CCD:碳酸鹽補(bǔ)償深度）生物泵ac+6 c c*H 2000m碳循環(huán)的起點(diǎn)：光合作用光能轉(zhuǎn)化為 化學(xué)能C02和也0轉(zhuǎn)化為CH20海洋生嚴(yán)力：從光合到呼吸作用光合作用：碳的還原，無(wú)機(jī)碳T有機(jī)碳6 C02 + 6 H20C6H12O6 + 6 02呼吸作用:碳的氧化,有機(jī)碳-> 無(wú)機(jī)碳C6H12O6 + 6 02-6 C02 + 6 H20有機(jī)碳泵碳酸鹽泵Organic carbon pump Calcium carbonate pu

3、mp現(xiàn)代海洋主要的浮游生物浮游植物-硅藻-顆石藻-溝鞭藻浮游動(dòng)物r孔蟲(chóng)"放射蟲(chóng)翼足類-梯足類顆石藻的勃發(fā)WARMCOLDFRONTYoder et al.z Diatom Mats50二、古海洋生產(chǎn)力古海洋生產(chǎn)力又稱為生物古海洋學(xué)。古海洋中的生物演化和生產(chǎn)力的變化，對(duì)海洋的 物理、化學(xué)條件產(chǎn)生影響，同時(shí)對(duì)洋底沉積作用 和沉積礦產(chǎn)形成有重要意義。所以理論和實(shí)際意 義都很重要。目前對(duì)海洋古生產(chǎn)力的研究主要集中在初級(jí)生產(chǎn) ±o研究水平尚不高。主要用一些替代性指標(biāo)來(lái)研究古海洋生產(chǎn)力。如生物蛋白石、生物頓、鎘含量等。還可以用穩(wěn)定碳同位素。新近研究深海底棲有孔蟲(chóng)用做古生產(chǎn)力的替代性指標(biāo)

4、。第三節(jié)古海洋生產(chǎn)力指標(biāo)古海洋生產(chǎn)力的直接測(cè)定是不可能的，因此尋求反 映古海洋生產(chǎn)力變化的指標(biāo)成為目前研究的一項(xiàng)重要內(nèi)容。生物沉積物 營(yíng)養(yǎng)元素 微量元素 同位素J古生物指標(biāo)生物沉積物指源于海洋生物生產(chǎn)的沉積物，主要包括有機(jī)碳、生物 碳酸鹽和生物硅等，其埋藏速率在很大程度上受到古海 洋生產(chǎn)力的控制。在條件許可的情況下，還可以建立生 物沉積物埋藏速率與古海洋生產(chǎn)力之間的定量/半定量 關(guān)系，對(duì)古海洋生產(chǎn)力進(jìn)行定量/半定量的恢復(fù)。在近岸、上升流等高生產(chǎn)力地區(qū)，沉積物中的總有機(jī)碳(TOC)濃度能夠比較靈敏地反映海洋有機(jī)碳生產(chǎn)的變化。有機(jī)碳的氧氣曝露時(shí)間、粘土礦物表面積和全巖沉積速率等都可能影響到有機(jī)質(zhì)的

5、保存。有機(jī)碳含量與海洋生產(chǎn)力、沉積速率、沉積物的空隙率和密度相關(guān)，有如下經(jīng)驗(yàn)公式。P 二 100 如（C呷丿 X R X f 1 - 9）/（ Q 003P海洋生產(chǎn)力(g/( m2ka)w (Corg)有機(jī)碳質(zhì)量占沉積物干質(zhì)量的分?jǐn)?shù)S沉積速率(cm/ka)P .干沉積物的密度(g/cm3)4)孔隙度(用百分比表示)在含砂量較低、濁流不明顯、陸源有機(jī)物含量不高的沉積物中，可以根據(jù)該公式，由地層中的有機(jī)碳含量給出近似定量的古海洋生產(chǎn)力。Bra I ower和Th i este i n (1984)估算了全新世的古海洋 初級(jí)生產(chǎn)力(primary production) of PK = r( Cor

6、g )/ PpfPR 因子(通過(guò)沉積物的沉積特征和地球 化學(xué)指數(shù)對(duì)沉積環(huán)境加以 判別，確定有機(jī)質(zhì)保存因 子)r(Corg)有機(jī)碳的堆積速圖1原始生產(chǎn)力與有機(jī)質(zhì)堆積速率Pp初級(jí)生產(chǎn)力17954柱狀樣17954柱狀樣頻率(cycles/kyr)(xnE比PQ)DLr譽(yù) yd nwffiwgl17928柱狀樣頻率(cycles/kyr)A生物碳酸鹽、生物硅在面積廣大的開(kāi)闊大洋等低生產(chǎn)力-貧營(yíng)養(yǎng)環(huán)境中，有 機(jī)碳指標(biāo)將難以適用。其原因在于在大部分開(kāi)闊大洋 中，有機(jī)碳的氧化非常徹底，沉積物中有機(jī)物含量極 低，難以反映古海洋生產(chǎn)力的變化。遠(yuǎn)洋碳酸鈣、生 物硅的產(chǎn)率與有機(jī)碳的生產(chǎn)力成正比，兩者的通量之 間存在

7、良好的正相關(guān)關(guān)系。沉積深度、底層水性質(zhì)、有機(jī)碳的氧化等都會(huì)影響生 物碳酸鹽的保存。營(yíng)養(yǎng)元素在地質(zhì)時(shí)間尺度上，古海洋生產(chǎn)力主要受 到大洋中營(yíng)養(yǎng)元素可利用程度，特別是大 洋中活性磷含量的控制；因此古海洋的活 性磷埋藏記錄，可作為古海洋生產(chǎn)力的指 標(biāo)之。John Martin:Give me a tank of iron，ril give you an ice age.微量元素<y海洋中某些微量元素的地球化學(xué)行為或與有 機(jī)質(zhì)的改造有關(guān)(Ca),或受到氧化還原條 件變化的控制(Mo),或受到某種生物生長(zhǎng) 的影響(Sr),從而能夠直接或者間接地作 為古海洋生產(chǎn)力的指標(biāo)。A Baa是應(yīng)用最早，也是目

8、前運(yùn)用最為廣泛的微量元素古海洋生產(chǎn)力指標(biāo)。Go Idburg和Arrheni us (1958)首先在赤道太平洋的上升流地區(qū)發(fā)現(xiàn)了高含量的BaS()4重晶石, 并將其與海洋生產(chǎn)力聯(lián)系起來(lái)。應(yīng)用的制約條件:如何確定陸源領(lǐng)的影響，特別當(dāng)陸源碎屑Ba含量較高時(shí)，就必須對(duì)陸源碎屑的Ba含量進(jìn)行準(zhǔn)確的估計(jì)。>Mo在極度還原的硫化環(huán)境下，M。等變價(jià)離子容易與硫離 子結(jié)合而進(jìn)入沉積物，其通量與有機(jī)碳的堆積速度近似成正比，因此M?？梢宰鳛檫€原條件下的生產(chǎn)力指標(biāo)。如：在現(xiàn)代的缺氧盆地委內(nèi)瑞拉的Car i aco盆地中，由于底層水硫化條件的存在，M。和有機(jī)碳的沉積通量維持正相關(guān)關(guān)系。UT-3530Cws)/

9、%«2479x w(M0MAi)+5.5 A(Io鬧石炭紀(jì)愿?jìng)驀碇?25班仏滋產(chǎn)2卿和沁也舲(Ai) W9某些古生代黑色頁(yè)A 口%CxiaMlkfeka以來(lái)飾沉欲嘗)宀0,眇CatiRGO盤地11,6*i4r6tw 沉報(bào)物)%詔 磁5 x w(Mo>rii<AI)玖&0 + 20.40L0Mo和AJ廣董分?jǐn)?shù)比植介曠圖2黑色頁(yè)巖中有機(jī)碳含量與阪/A1比值之關(guān)系巖中，有機(jī)質(zhì)含量C°rg與Mo/AI之間存 在正相關(guān)關(guān)系。ASr/Ca比值近年來(lái)的研究表明，在現(xiàn)代上升流區(qū)域，微晶碳酸鹽中 Sr/Ca比值的增加與顆石藻的鈣化和生長(zhǎng)速度保持良好 的相關(guān)關(guān)系。微晶碳酸鹽

10、Sr/Ca比值能夠體現(xiàn)海洋生產(chǎn) 力的變化。顆石藻為主的碳酸鹽中，Sr/Ca比值可反映顆石藻生 產(chǎn)力的變化。由于顆石藻從白堊紀(jì)以來(lái)為古海洋的主 要生產(chǎn)者之一，所以該指標(biāo)對(duì)于古海洋生產(chǎn)力變化研 究具有一定的積極意義。Stoll和Schrag (2001)等研究了西特提斯晚白堊世碳酸鹽，發(fā)現(xiàn)其全巖Sr/Ca比值與古海洋生產(chǎn)力的指標(biāo)呈明顯的正相關(guān)關(guān)系。0.8 _j_j q()687072747678時(shí)間r/bla右 U3裒1Sm古生產(chǎn)力箔數(shù)Sr/CatL®SO70粵海水中Sr/Ca比值還受海平|面升降和陸地輸入的影響,繩"實(shí)際運(yùn)用中需要多加注意。圖3意大利上白堊統(tǒng)灰?guī)rSr/Ca 比

11、值與古生產(chǎn)力指數(shù)的關(guān)系Cd (鎘)在海洋中的行為與P接近，也常利用有孔蟲(chóng)殼體的Cd含量反映海水中的P含量。Boyle (1988)提倡使用鈣質(zhì)生物殼體的Cd/Ca比值推算古生產(chǎn)力變化。沉積物的Al/Ti比值可以反映有機(jī)質(zhì)顆粒對(duì)水柱中微 量的Al (0H) 3的清掃作用，在某種程度上也可以反 映古生產(chǎn)力的變化。有孔蟲(chóng)Cd/Ca比由于大洋海水中鎘的分布和磷酸鹽相似，那么，Cd/Ca比可作為古營(yíng)養(yǎng)鹽的指標(biāo)。正相關(guān)底棲有孔蟲(chóng)的Cd/Ca <>上覆海水中的Cd/Ca通過(guò)底棲有孔蟲(chóng)Cd含量的變化就可以反映深層水團(tuán)的變化。當(dāng)?shù)讞锌紫x(chóng)記錄高的Cd/Ca值，則反映了深層水團(tuán)高的PO4濃度；相反，底

12、棲有孔蟲(chóng)Cd/Ca如果是低的值，則表明低營(yíng)養(yǎng)水團(tuán)的存在。同位素A碳同位素未固結(jié)的海相沉積物中，分離出的底棲有孔蟲(chóng)殼的1乜值可用于恢復(fù)古海洋生產(chǎn)力的變化。主要原理基于底棲有孔蟲(chóng)與底層水之間的1吒保持平衡oA氮同位素海相沉積物有機(jī)質(zhì)中呷的研究表明，有機(jī)質(zhì)哪反映了 大洋表層的硝酸鹽的可利用程度，能提供古海洋生產(chǎn)力的信息。沉積有機(jī)物中的氮同位素比值受到固氮反應(yīng)、陸地輸入、保存條件和水柱中的去氮反應(yīng)、硝酸鹽的相對(duì)利用率的影響。虧損1乜和發(fā)生了去氮反應(yīng)的底層水上涌，為表層水提供了豐富的營(yíng)養(yǎng)元素來(lái)源，造成有機(jī)質(zhì)中1嗆 負(fù)偏和"N正偏同時(shí)出現(xiàn)，指示高古海洋生產(chǎn)力。古生物作為海洋中有機(jī)質(zhì)的生產(chǎn)者和消耗

13、者，古生物記錄是 古海洋生產(chǎn)力的忠實(shí)反映，主要原生生物種類的演化 序列就是生物進(jìn)化對(duì)大洋化學(xué)和營(yíng)養(yǎng)條件的記錄。<r_目前主要通過(guò)兩種途徑對(duì)微體化石等古生物資 料進(jìn)行處理，獲取古海洋生產(chǎn)力的相對(duì)變化。arJ通量值（豐度）也就是微體化石的堆積速度來(lái) 反映古生產(chǎn)力的變化（定量分析）O古生物成分、組合變化也能指示古海洋生產(chǎn)力 變化。6xl07lxlOK4xl072xl070lOOkyr 41kyr 23kyr8X1070.020.040.060.08Frequency (cycles per 1000 years)dashed line - frequency spectra of the total number of planktic foraminifera per gram sediments. MaineMcgpaT&ogygo”)"底棲與浮