白垩纪中期碳稳定同位素特征与大洋缺氧事件

2025-02-12 02:59:43

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4.4.2.1 碳稳定同位素原理

海相碳酸盐岩中的碳、氧稳定同位素均会受成岩作用的影响，成岩蚀变将使其发生分馏。藏南岗巴、定日及江孜地区赛诺曼阶/土仑阶界线附近海相碳酸盐岩均存在不同程度的成岩蚀变，因此本区碳、氧稳定同位素均可能存在一定的分馏。但碳同位素受成岩蚀变作用的影响比氧同位素要小得多，另外我们的采样间距比较小，所有测试样品均为未发生重结晶的泥灰岩，其测试结果基本上能够代表原始海水的同位素组成。因此该区的碳稳定同位素的演化趋势仍是古环境的有效示踪剂，它在大洋缺氧事件、生物绝灭事件以及古环境、古气候等方面的研究中仍起到不可替代的作用。

自然界中绝大多数的碳都集中在生物圈（有机碳储库）及碳酸盐（无机碳储库）两大主要的碳库内。根据同位素质量平衡原则，一种质量数的碳同位素在一储库中减少，必然转移到另一储库，使该储库中这种质量数的同位素增加。海相碳酸盐岩中的碳稳定同位素受许多因素的影响，主要因素有海洋生物生产率的变化、陆源物质和淡水的输入量、因气候变化引起海水-大气间同位素交换的变化等，但主要是受生物的生命效应控制（同济大学海洋地质系，1989；邓宏文、钱凯，1993）。生物有机体在其生长过程中优先吸收较轻的¹²C，使生物体内δ¹³C值相对变小，海水中δ¹³C值相对变大。在正常情况下，富¹²C的生物体在死亡后其残体经沉积埋藏进入沉积圈，沉积圈生物残体经腐烂、氧化后释放出富¹²C的CO₂重新返回海水中。因此，在正常的情况下，海水中碳同位素达到一种平衡状态。而在大洋缺氧事件发生时期，由于海水中溶解氧低，生物死亡沉积后容易保存，从而阻碍了生物机体中¹²C向无机碳储库的正常循环，被滞留在有机碳储库中，因而海水中¹³C在溶解的无机碳中相对富集，海水中δ¹³C将发生正向偏移。δ¹³C值发生正向偏移与大洋缺氧事件的发生以及有机碳的迅速埋藏成正相关关系。

4.4.2.2 西藏南部地区白垩纪中期δ¹³C曲线变化特征

4.4.2.2.1 定日地区白垩纪中期δ¹³C曲线变化特征

我们在定日地区赛诺曼阶/土仑阶界线附近51.5 m的地层中共测试了30个碳、氧稳定同位素样品（表4-1），所有样品的δ¹³C值均分布在0.3‰～2.0‰之间，平均值为1.42‰，δ¹³C值变化幅度为1.7‰。测试结果表明，δ¹³C值在赛诺曼阶/土仑阶界线附近发生了明显的正偏移，即存在着明显的异常变化。

表4-1 西藏定日地区白垩纪中期碳、氧稳定同位素测试结果

δ¹³C曲线变化（图4-3）具有这样的总体规律：在R.brotzeni带上部至R.reicheli化石带所限的时间间隔内，δ¹³C值比较低，所测的7个样品的平均值为0.6‰；在R.cushmani带—H.helvetica带的底部所限的时间间隔内，δ¹³C值整体正向偏移，22个样品的平均值为1.72‰，最大值可达2‰；在H.helvetica化石带中上部，δ¹³C值又变低，样品9931中δ¹³C仅为0.5‰。δ¹³C值在近10 Ma的时间内构成了一个低—高—低完整清晰的旋回变化，其中在赛诺曼阶/土仑阶界线附近（近6 Ma的时间间隔内），δ¹³C值强烈正偏，表明该时期相当长的一段时间内有机碳都大量埋藏，这是大洋缺氧事件在本区的特殊反应。

图4-3 西藏定日地区白垩纪中期δ¹³C曲线及有孔虫动物群的变化特征

在赛诺曼早中期，（R..brotzeni带上部—R .reicheli带）近2 Ma的地质时间间隔内，δ¹³C值维持在一个较低的水平上（图4-3），各个样品间δ¹³C值变化不大，最小值为0.3‰，最大值为0.8‰，变化幅度仅为0.5‰。碳稳定同位素曲线的特征表明，定日地区该时期处于正常的浅海陆棚环境，大洋缺氧事件还未发生。从有孔虫的丰度曲线（图4-3）变化来看，该时期有孔虫十分繁盛，在样品中出现一个极大峰值（可达3474个／100 g）和一个稍低的峰值（样品9905），这两个峰值可与δ¹³C变化曲线中出现的小峰值对应。这表明，在正常的沉积环境中，δ¹³C值的波动与生物的兴衰存在着正相关关系，生物繁盛，δ¹³C值可以做正向偏移（尽管偏移幅度不大），有机碳埋藏速率也相应地有所提高。黄思静（1994）在研究上扬子地区二叠纪—三叠纪初海相碳酸盐岩的碳同位素组成时也发现，地质历史时期碳酸盐岩中所记录的δ¹³C值的变化与生物兴衰有着十分密切的关系，生物繁盛及有机碳迅速埋藏与δ¹³C值存在着正相关。

在赛诺曼晚期—土仑早期（R..cushmani带—H.helvetica带下部）近6 Ma的时间间隔内，是δ¹³C值较高的时期。δ¹³C值最低0.9‰，最高值可达2‰，大部分样品中δ¹³C分布在1.7‰～2.0‰之间，平均值为1.72‰，变化幅度为1.1‰。定日地区与世界其他地区同期的δ¹³C值相比稍低。在英国的同期沉积Yorkshire 和Humberside黑色条带中，δ¹³C值的峰值可达3.5‰～4.3‰（Schlanger et al.，1987）；在欧洲西部大陆架的同期沉积黑色页岩中，δ¹³C的峰值可达3.72‰～4.47‰（Waples and Cunningham，1985）。在北美洲的同期沉积中，δ¹³C值的峰值可达3.2‰（Schlanger et al.，1987）。定日地区δ¹³C值偏低与该区当时处于被动大陆边缘浅海，有大量陆源碎屑物质的输入（稀释作用）有关。在岗巴地区δ¹³C值正向偏移峰值可达2.7‰（陶然，1989），这虽比定日地区稍高，但与世界上其他地区相比仍略低。岗巴地区在该时期的沉积环境与定日地区基本相同，也属于陆棚浅海，但水体比本区略深，陆源碎屑物质对δ¹³C的影响稍弱，因此导致其δ¹³C峰值比本区略高。

定日地区δ¹³C值在相当长的地质时间间隔内（约6 Ma）均维持在一个较高的水平上，这是本区δ¹³C的特殊之处，这与该区当时位于陆棚浅海区，海侵作用表现明显，受陆源物质影响较大有关。

在H.helvetica带中上部，δ¹³C又趋于正常，降至0.5‰，这表明此时有机碳埋藏速率大幅度降低，并趋于正常，这是当时海水中缺氧环境逐步得到改善的结果。

4.4.2.2.2 岗巴地区白垩纪中期δ¹³C曲线变化特征

西藏南部岗巴地区赛诺曼阶/土仑阶界线附近主要为一套灰黑色页岩沉积，局部夹瘤状灰岩及泥灰岩薄层（万晓樵，1987a；徐钰林、茅绍智，1992；万晓樵、阴家润，1996；陶然，1989；文世宣，1999）富含生物化石，主要以有孔虫为主。陶然（1989）曾在赛诺曼阶/土仑阶界线层中进行过碳稳定同位素的测试及分析（表4-2）。

表4-2 西藏岗巴地区白垩纪中期碳、氧稳定同位素测试结果

岗巴地区δ¹³C曲线在赛诺曼阶/土仑阶界线层中同样表现出与定日地区及世界上其他地区相一致的变化特征（图4-4）。δ¹³C在赛诺曼阶/土仑阶界线附近具有明显的峰值，最高可达2.738‰，远离界线其值则均偏低。δ¹³C峰值比定日地区略高，这可能与岗巴地区此时期海水较深，受大洋缺氧环境影响较大有关。

图4-4 西藏岗巴地区白垩纪中期δ¹³C曲线及有孔虫动物群的变化特征

4.4.2.3 西藏南部地区白垩纪中期δ¹³C曲线变化的古环境解释

白垩纪是地质历史中的最大海侵时期，白垩纪中期是全球性海侵最高峰时期，也是大洋缺氧事件的鼎盛时期。藏南定日地区位于东特提斯海区，处于印度板块北缘的陆棚地带，在全球海侵的最高峰时期，海平面同样也达到最高位置（万晓樵，1992）（图4-5），大洋缺氧事件也随之达到顶峰。

从赛诺曼晚期R.cushmani带开始，该区海平面开始迅速上升。伴随着海平面的迅速上升，海域面积迅速扩大，大面积的三角洲及沿岸平原被海水淹没，大量的陆源碎屑物质被搬运入海，使海洋中有机物增加及表层海水的浮游生物生产率上升。在定日及岗巴地区，伴随着海平面上升，有孔虫动物群（主要是浮游类型）的丰度及分异度迅速增加。另外，大量陆源碎屑物质中的有机物质伴随着海侵被搬运入海，与海水表层浮游生物死亡后的尸体一道在下沉氧化分解过程中必然消耗水体中大量的氧，使海水中的溶解氧降低，导致大洋较深水层开始缺氧。

伴随着赛诺曼晚期海侵的发生，形成了深部海水中的缺氧层，导致Rotalipora动物群阶段性地绝灭，这有利于有机碳的大量埋藏，而有机碳的大量埋藏，导致δ¹³C正向偏移。在西藏南部地区，此时期缺氧层仅限于海底附近区域，随着缺氧程度的加强，有机碳逐渐迅速埋藏，δ¹³C逐渐变大。在赛诺曼阶/土仑阶界线处，海侵达到其顶峰，缺氧层已扩展到整个海水，缺氧事件也达鼎盛，有孔虫动物群已基本上全部消失。生物的大量灭绝向海水中提供了大量的有机物质，在缺氧条件，有机质不易被氧化分解掉，极易在沉积物中埋藏起来，这使得海水中δ¹³C值正向偏移，这就是令人关注的白垩纪中期生物集群绝灭事件在本区的反映。

图4-5 西藏南部白垩纪海平面升降曲线与全球的一致性

从土仑期开始，全球性海平面上升已经结束，并开始逐渐发生海退，缺氧层也相应下落，表层海水中溶解氧含量开始逐渐得到恢复，但深部海水仍然处于一个缺氧的环境，这仍有利于有机碳的大量埋藏，这可以用来解释土仑早期δ¹³C值仍存在明显正向偏移的原因。此时有机质的来源以陆源有机质（由短期淡水带入）及在表层水中逐渐得到恢复的浮游生物所提供的有机质为主。

土仑中晚期，伴随着海退的进一步发生，海水中溶解氧含量渐趋正常，δ¹³C值又降回到低值。

在定日地区，碳稳定同位素在赛诺曼阶/土仑阶界线附近发生了4次负向偏移的波动（样品9915、9918、9922及9926），这与大量陆源碎屑物质的带入或者淡水的注入有关（稀释作用）。大量陆源碎屑物质的带入或者淡水的注入可给海水提供一定量的溶解氧，使海水短期内缺氧环境得到缓解，有机碳埋藏的有利条件被破坏，导致δ¹³C负向波动。

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