Question

礁相碳酸盐岩主要元素和微量元素特征的古海洋记录

Answer 1

生物骨骼碳酸盐成分是其赖以生存环境的物理、化学条件的反映。古海洋演化的地质历史时期，冰期、间冰期交替变化必然引起热带海域海水的钙镁饱和度、温度、盐度、pH 值、CO ₂分压等介质条件的变化，使同期生长的生物骨骼的元素成分发生同步变化。反过来，利用生物骨骼主要元素和微量元素成分的变化规律可以对古气候进行宏观分析，确定冰期与间冰期，进而获得古海洋信息。

西沙海域东部岛礁区生物礁矿物成分和化学成分的测定是依据全岩样品进行的，但根据西沙海域4口钻井测定的生物礁全岩成分之间的变化规律对比分析，生物礁全岩样品的测试结果可以反映古气候和古海洋的宏观变化规律。实际上，从某种程度上讲，海洋中其他沉积物，特别是海相自生石灰质或白云质沉积物，其成分变化同样可以记录古气候和古海洋变化信息。因此，利用礁相碳酸盐岩全岩样品进行古气候和古海洋研究是完全可行的。

冰期时，温度降低，南极冰盖形成，淡水集中在极地地区，导致包括西沙海域在内的相对海平面下降，海水盐度增高，CaO 降低，MgO、N a₂ O 和Sr提高；间冰期正好相反。

根据西沙海域西琛1井生物礁矿物分析和元素化学分析结果，渐新世以来该区至少经历了4次大的海进事件和3次较大的海退事件（图5.3、5.4），与南极大的冰期和间冰期事件相一致。这种变化趋势在Na、K、P和Fe、V、B等微量元素变化趋势上也有明显反映（图4.4和4.5）。特别是Na、K、P对海水进退反映更明显，它们的含量具有明显的海退升高，海进下降的特点。从图4.4和4.5可以看出，中中新统底界是一个明显的古海洋变化界面。有人将中－晚中新世海退事件称为“中国南海事件” （ 许红等，1989），而将晚上新世－早更新世的海退事件称为“西沙事件”（张明书，1990）。前者与地中海的Messinian事件相当，后者与北极冰盖形成一致。实际上，在上述大的海水进退事件中，包括多次短时间小规模的海平面升降，如早中新世整体上为一次大的海进，但从主要元素和微量元素演化规律上看，可能至少发生3～4次较小规模的海平面下降事件（图4.7和5.3）。同样，在中－晚中新世这次大的海退事件中，也曾发生过多次海平面上升事件。

图5.3 西沙群岛西琛1井生物礁主要造岩矿物随深度的变化趋势

图5.4 西沙群岛西琛1井生物礁Sr总量与主要造岩元素氧化物含量的关系

另外，需要说明的是在最后一次间冰期，碳酸盐岩地层中Sr总量大幅度增加（图5.4），主要原因有以下几个方面：

（1）青藏高原强烈隆升，古老地壳暴露地表，并通过河流把大量陆壳中的Sr搬运到海洋中，增加了Sr的总量。

（2）中中新世—上中新世的冰期期间，由于地层中白云石大量增加，方解石含量较少。因此，礁相碳酸盐岩地层中Sr的含量减小，大部分Sr被留在海水中，使得海水中Sr的总量大幅度增加，进而使晚期的间冰期石灰岩中Sr的总量大幅度增加。

（3）晚期强烈的火山活动将幔源Sr带到海水中，虽然Sr同位素比值因此降低，但Sr总量增加。

（4）第四纪珊瑚礁矿物成分以文石为主。前面已论述Sr元素含量与碳酸盐矿物成分关系密切，其中文石中Sr含量最高。

值得特别提出的是，西沙海域其他钻孔的分析结果得到了类似的古海洋变化信息（张明书，1990；何起祥等，1990），这说明西沙海域古海洋环境反映了区域性古海洋环境的变化特征。