研究论文 正式出版 版本 2 Vol 10 (4) : 397-405 2019
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南海西部富颗石柱状样的矿物学特征研究
Mineralogical characteristics of coccolith-rich site in Western South China Sea
: 2018 - 11 - 12
: 2019 - 02 - 21
: 2019 - 02 - 26
236 3 0
摘要&关键词
摘要:颗石藻生物矿化作用形成的方解石质颗石化石富含地球化学信息,是古海洋研究的理想材料,而典型样品的获取及其矿物学研究是前提与基础。选取南海西部越南岸外夏季上升流区MD05-2901孔柱状样,通过颗石分布特征、生源组分、矿物物相和红外光谱等矿物学特征,探讨了颗石化石关联的沉积环境信息,探索古海洋研究的新思路和方法。结果显示:南海西部MD05-2901孔柱状样从顶部到底部(随着深度的增大)颗石化石含量具有表层较高、中部含量最高、底部含量少的分布特征;有机碳含量在1.19%—2.78%,平均含量为1.99%,随深度的增加逐渐减小;以颗石为主的碳酸钙质无机碳含量在1.13%—1.65%波动,平均含量为1.12%,变化呈现较明显的周期性,与颗石的分布特征有强相关性;柱状样C/N分析表明这一时期沉积物主要为海洋自生沉积。富颗石沉积样品矿物物相主要含有方解石、伊利石、蒙脱石、绿泥石、高岭石,以及少量石英等。FTIR分析表明蒙脱石中可能吸附有机质,值得矿物学家深入研究。颗石藻沉积环境的矿物学特征富含沉积信息,为古海洋研究提供了新的研究途径。
关键词:颗石藻;颗石化石;矿物特征;晚第四纪;南海
Abstract & Keywords
Abstract: Background, aim, and scope Coccolithophores is extremely sensitive to the ocean environment and climate change response because of its main growth in the upper light layer of the seawater, and be controlled by the temperature, acidity, light intensity and nutrient quality of the sea water. Coccolith was formed by Coccolithophores through a procedural process of biomineralization. Calcite fossil contained rich geochemical information, which is an ideal material for paleoceanography study. However, the acquisition of typical samples and the detailed research on minerology are the premise and foundation of obtaining reliable information. In this study, we performed a detailed mineralogical study of Marine pore columnar samples from the upwelling area in the South China Sea off eastern Vietnam, in order to extract the sedimentary environment information related to Coccoliths, and explore new ideas and methods of paleo-marine research. Materials and methods In the presented study, sediment samples were selected from core MD05-2901 which is in the upwelling area in the South China Sea off eastern Vietnam (14°22′50″N, 110°44′60″E), which belongs to the summer upwelling area off the coast of Vietnam in the west of the South China Sea, with a water depth of 1454 m and a column core length of 36.49 m. The bottom age of the sample was MIS 12, about 450 ka, and the time resolution was about 0.3 ka. The mineralogical characteristics of coccolith fossil species, biogenic components, mineral phases and FTIR spectra were identified for discussing coccoliths-related environmental information. New idea and method for study ancient marine environment were explored through presented study. Results The results show that: (1) columnar samples from the top to the bottom (with the increase of depth) have higher fossil content in the surface, the highest in the middle, and less in the bottom. (2) The organic carbon content ranged from 1.19% to 2.78, and the average content is 1.99%, which decreased with the increase of depth. (3) The inorganic carbon content of calcium carbonate, which is dominated by pellets, fluctuates between 1.13% and 1.65%, and the average content is 1.12%, which shows obvious periodicity and is strongly related to the distribution characteristics of the pellets. (4) Columnar C/N analysis show that the sediments in this period were mainly marine authigenic deposits. (5) The mineralogical facies of the samples are mainly composed of calcite, illite, montmorillonite, chlorite, kaolinite and a small amount of quartz, etc. (6) FTIR analysis shows that montmorillonite may adsorb organic matter, which is worthy of further study by mineralogists. Discussion The changes of the species of coccoliths in the column reflect the trend of the vegetative cline depth in this area. It is believed that the variation of F. profunda content in the South China Sea is manifested as the characteristics of nutrient cline depth, interglacial deep and shallow deep glaciation, reflecting the change of wind intensity. The C/N in the late Pleistocene columnar section showed a decreasing trend, indicating that the productivity reflected by coccolithophores decreased with the decrease of land source input. The quartz content increased with the increase of deposition depth, indicating that the columnar deposition environment changed to high-energy environment gradually. It is also found that the clay minerals and their compositions in the samples can reflect the control of terrestrial weathering by the East Asian Monsoon. Conclusions Based on the study of mineralogical characteristics of coccolith fossil species, biogenic components, mineral phases and FTIR spectra, we obtained the vegetative cline changes reflected by the content of coccolithophores in the column samples, as while as productivity reflected by carbonaceous composition and clay mineral was revealed. All this work shows that the detailed research on minerology are the premise and foundation of obtaining reliable information. Recommendations and perspectives The mineralogical characteristics of the sedimentary environment of Phaeophyllum are found to be rich in sedimentary information, which provides a new approach for the study of paleoceanography.
Keywords: coccolithophores; coccolith fossil; mineralogical characteristic; Late Quaternary; South China Sea
颗石藻是海洋中广泛分布的单细胞超细微浮游生物,是海洋中唯一的生物方解石初级生产者(Bolton et al,2016)。因其主要生长在海水上部透光层,受海水温度、酸度、光线强度和营养物质所控制,故对海洋环境及气候变化响应极为灵敏,以及对大洋生态系统有重要影响(芮晓庆等,2014)。由于颗石藻分布广、数量多、演化迅速,并能反映海水温度、古生产力、上层海水结构、季风强弱等环境信息,颗石藻化石已成为古海洋学和古气候学研究的一种重要手段(Jian et al,1999;Huang et al,2003)。
颗石藻在生物矿化作用下形成的碳酸钙质颗石,其“骨骼化石”——经沉积作用赋存在海底沉积物中,并能很好的保存下来而形成富含地球化学信息的沉积物,因此其在微体古生物学研究领域中具有特殊地位,是古海洋与古气候演化的重要代理档案(苏翔,2009;梁丹和刘传联,2012)。因而前人从碳循环(Wang et al,2003)、深部水体变化(Jian and Wang,1997)、表层海水温度(Zhao et al,2006)、古生产力变化(Jian et al,1999;Huang et al,2003)等方面进行了相关研究,并取得了显著的进展。
在全球碳循环研究中,海洋有机质生产也被认为是不可缺少的重要环节,因而海洋生产力研究一直受到地球科学界的瞩目。对于古海洋学研究而言,寻求反映古海洋生产力变化的指标已成为古海洋学研究的重要内容。作为研究古生产力的最佳替代性指标之一的颗石藻,其特征是能够形成精致的方解石鳞片(颗石)(Paasche,2002),据估计,这些钙化微藻占远洋每年产生的颗粒状无机碳(PIC)的50%以上(Taylor et al,2017)。他们的方解石板通过压载有机聚集体并加速其沉入更深的水域,有助于从海面向海洋内部输出碳。
一直以来海洋生物沉积物、营养元素(或微量元素与同位素)以及古生物指标等都是研究生产力的主要替代性指标(黄永建等,2005)。因此在南海古生产力研究中,碳同位素、微体化石有机碳含量与碳同位素、氮同位素以及生物标记物法等作为通用方法来首选(Thunell et a1,1992;Higginson et a1,2003;Zhao et a1,2006),但是这些数据的可靠性都将基于前期的矿物学特征研究。经典的颗石矿物学研究得数巴拿马海盆综合大洋钻探计划IODP-1240孔柱状样的颗石分布规律分析,也基于此,Cabarcos et al(2014)重建了太平洋赤道东全新世高分辨率古生产力。
与海水碳酸盐化学变化有关的海洋酸化可能损害颗石藻的钙化和其他代谢功能(Tong et a1,2018),就像大多数钙化生物一样,颗石藻也遭受海洋酸化,其反应模式是生长速率和钙化立即降低(Riebesell et al,2000;Bolton et al,2016;Liu et al,2017)。这些特征都能被钙化了的颗石清晰记录下来,这为评估古海洋环境或现代海洋酸化提供了新的途径。例如O’Dea et al(2014)探讨了56 Ma前古颗石藻钙化率和颗石形貌对古新世—始新世极热期(PETM)全球变暖和海洋酸化等环境变化的响应与记录,为理解当今全球迅速变暖的起因、过程及后果和预测未来气候变化提供了科学依据。
相对于国外,我国学者对海洋颗石的研究起步较晚,主要集中于近海(黄海、东海、南海),通过统计颗石藻属种,研究了颗石的平面和垂向分布规律,重点探讨了颗石藻对重要古海洋事件的响应,特别是与碳循环周期演变、碳同位素重值事件之间的关系(刘传联等,2002;芮晓庆等,2011;俞文晔等,2011;梁丹和刘传联,2012)。
尽管颗石藻是很好的古海洋代理指标,但在颗石藻元素地球化学研究中,难点在于从含有黏土矿物的沉积物中分离单种颗石(1—15 µm)(苏翔,2009)。本文拟对南海西部越南岸外MD05-2901孔晚更新世以来(~100 ka)柱状样应用矿物学的方法,探讨富含颗石的沉积样品的矿物学特征,为提取颗石藻相关联的沉积信息,研究古海洋信息提供参考。
1   材料与方法
所用样品取自“国际海洋全球变化研究计划”(IMAGES)中法合作MARCO-POLO航次的南海西部越南岸外夏季上升流区MD05-2901孔(14°22′50″N,110°44′60″E),水深1454 m,柱状样岩芯全长36.49 m。样品底部年代底部年龄达MIS 12期,约为450 ka,时间分辨率约为0.3 ka(苏翔等,2007)。全柱岩性比较均匀,无明显浊流沉积,属含钙质和硅质超微化石的粉砂质黏土。本次研究柱状样前部0—10 m(约35.6万年),共取10个代表性样品进行处理与分析,样品详细信息见表1。
表1   实验选取的柱状样代表性沉积样品
Sample nameSiteLatitude (N)Longitude (E)Distance /cmDating
/ka
S1MD05-290114°22′50″110°44′60″103—104
S2MD05-290114°22′50″110°44′60″463—464~37
S3MD05-290114°22′50″110°44′60″615—616
S4MD05-290114°22′50″110°44′60″663—664~56
S5MD05-290114°22′50″110°44′60″719—720
S6MD05-290114°22′50″110°44′60″767—768~65
S7MD05-290114°22′50″110°44′60″815—816
S8MD05-290114°22′50″110°44′60″863—864~72
S9MD05-290114°22′50″110°44′60″919—920~78
S10MD05-290114°22′50″110°44′60″967—968~87
分别取沉积底泥样品0.1 g放于1.5 mL离心管内,50℃烘干,待用。另外,分别取0.1 g沉积样品的放入1.5 mL离心管。然后加入0.5 mL的 10% HCL消解处理3 h后,加入1 mL超纯水,6000 rpm离心去除上清液,清洗三次后50℃烘干,待用。
将上述消解前后的沉积样品研磨后,通过元素分析仪(Vario EL CUBE,德国元素分析系统公司)测定生源组分含量,误差为0.3%。有机碳含量为消解前后总碳含量差值。将消解前后沉积样品,分别加入200 μL超纯水,分散后均匀涂抹在盖玻片上,采用X射线衍射分析仪(XRD,X’Pert PRO,荷兰帕纳科公司)分析沉积样品的矿物物相。消解前后沉积样品的红外光谱分析采用全反射傅里叶红外光谱仪(ATR-FTIR,Nicolet-5700,Thermo Nicolet Corporation)。沉积样品50℃烘干后,粘在导电胶上,通过扫描电子显微镜(TM3000,日本日立公司)观察沉积样品微观形貌。
2   分析结果
南海西部MD05-2901柱状沉积样品的SEM图见图1。超微化石组合中颗石藻属种Florisphaera profunda(深水花球藻)是绝对优势种(图1a),平均百分含量为49.2%;其次为Gephyrocapsa oceanica,平均含量11.4%;第三位为Emiliania huxleyi,平均含量达到6.28%(苏翔和刘传联,2008)。从沉积表层到底部的分布特征看,随着深度的增大,颗石化石含量总体表现为表层较高、中部含量最高、底部样品仅有零星分布颗石(图1d)。


图1   柱状样沉积样品的SEM图
Fig.1 SEM images of selected sedimentary samples
深度:a:103—104 cm;b:663—664 cm;c:815—816 cm;d:967—968 cm。Depth: a: 103—104 cm; b: 663—664 cm; c: 815—816 cm; d: 967—968 cm.
利用元素分析仪对MD05-2901柱状样中生源组分的沉积特征进行了表征(表2)。柱状样的有机碳含量在1.19%—2.78%,平均含量为1.99%。可见该海域有机碳含量较高,从柱状样顶部到底部,随深度的增加逐渐减小,海底沉积表层是有机碳赋存主要场所。与有机碳含量变化趋势不同,以颗石为主的碳酸钙质无机碳含量在1.13%—1.65%波动,平均含量为1.12%,变化呈现较明显的周期性,总体表现为中部含量高、底部低、表层较高的特点。
样品中的C/N小于5,平均值为2.6(表2),反映这一时期沉积物主要是海洋自生沉积。值得注意的是沉积表层样品C/N比值较大,表明这一时期陆源性沉积物输入作用相对较强。另外,C/N比值的变化趋势与无机碳含量变化有很好的相关性(表2),表明这一时期陆源输入的营养物质增加是导致表层颗石藻生产力升高的可能原因。
表2   柱状样沉积样品的生源组分定量分析
Sample nameTOC/%TIC/%C/NDating
/ka
S12.781.243.9
S22.011.183.0~37
S32.371.154.6
S42.071.652.1~56
S52.371.232.5
S61.940.952.7~65
S72.191.132.0
S81.190.851.7~72
S91.550.931.6~78
S101.460.942.1~87
TOC为有机碳含量,TIC为无机碳含量,C/N为碳氮含量比值。
TOC represents organic carbon contents, TIC represents inorganic carbon contents, C/N represents ratio of carbon to nitrogen.
因硅质生物矿化作用形成的蛋白石为非晶质二氧化硅,无法用XRD表征,其分布特征在本文中未作探讨。XRD矿物物相分析表明:富颗石沉积样品矿物物相主要含有方解石、伊利石、蒙脱石、绿泥石、高岭石,以及少量石英(图2)。刘志飞等(2007)对MD05-2901孔柱状样的孔的黏土矿物做了分析,黏土矿物主要由伊利石(26%—46%)、蒙脱石(15%—40%)、绿泥石(15%—30%)和高岭石(7%—23%)组成。




图2   柱状样沉积样品的矿物物相分析
Fig.2 XRD patterns of selected sedimentary samples
a:消解前;b:消解后。a: before acidic digestion; b: after acidic digestion.
3   讨 论
3.1   颗石藻含量与营养跃层
作为海洋中主要初级生产者之一的颗石藻,因进行光合作用而其中大部分均生活在透光带上部(0—60 m),最为常见的少数几种如深水花球藻F. profunda,则喜欢生活在透光带下部(60—200 m)(Okada and Honjo,1973)。正因为该种属具有这样的特征,Molfino and McIntyre(1990)在研究赤道大西洋沿13°39′W(RC24-1站)到11°30′W(RC24-2站)的一个南北向剖面后,提出了F. profunda对海水营养跃层深度响应的概念模式(图3):当营养跃层深、处在下透光带时,有利于F. profunda的生产,F. profunda百分含量相对于其它颗石藻的百分含量较多;当营养跃层浅、处在上透光带时,则有利于其它颗石藻的生产,不利于F. profunda生产,F. profunda相对含量低。


图3   F. profunda 对海水营养跃层深度变化响应模式(据Molfino and McIntyre(1990)修改)
Fig.3 F. profunda response mode to the change of seawater trophic skip depth ( modified from Molfino and McIntyre (1990))
基于上述模型,苏翔(2008)通过本文研究中的剖面,结合南海北部和南部ODPIl43站柱状样(9°21.72′N,113°17.11′E)1),对比分析了晚第四纪以来南海不同区域营养跃层深度变化的趋势,即45—34万年整个南海营养跃层逐渐变浅,伴随F. profunda含量的降低;34—25万年(MIS9-8期)营养跃层深度明显加深;25—7万年(MIS7-5)营养跃层深度保持相对稳定的状态。同时认为南海的F. profunda含量变化表现为海水营养跃层深度间冰期深、冰期浅特征,反映了由于风力强度变化作用,即当风力强时,表层海水受风影响营养跃层变浅,上透光带颗石藻获得营养较多而大量繁盛,F. profunda含量相对减少。
晚更新世以来(图4),南海南部在MIS5期有较为剧烈的营养跃层加深过程;MIS4期和MIS2期南海营养跃层深度发生两次急剧变浅过程,MIS3期深度保持稳定;进入全新世后,南海南部又有着营养跃层深度变浅的趋势。剖面中从沉积表层到底部的分布特征看,F. profundaSyracosphaera sppU tenuis种属含量上具有震荡变化,但整体保持稳定;E huxleyH carter种属含量具有变少的趋势,引起了剖面自顶到底颗石含量变少;中部含量最高是由G muelleraG oceanicaG ericsoniiF. profunda在MIS3阶段繁盛原因所致。


图4   晚更新世以来MD05-2901站颗石藻属种变化
Fig.4 Downcore variations of coccolith species at MD-2901
3.2   碳质成分与生产力
海洋沉积物的生源组分包括生物质有机碳、生物矿化作用形成的碳酸钙质无机碳(方解石)和非晶质二氧化硅(蛋白石)。通常有机碳含量的变化是衡量古生产力的指标。晚更新世来表现为冰期早期低、冰消期高、间冰期整体较高的特点,而生产力却没有明显的变化,其中的原因可能是生产力的不同替代性指标指代的初级生产者不同造成的。末次冰期的初期MIS 4阶段,有机碳堆积速率由低值持续增大并在MIS3期达到峰值(陈国成,2008)。说明末次冰期开始的初期,深层海水处于较为贫氧的环境,水体流动性可能较差,同时上层水体间的交换即上升流作用也不发育,从而带给表层水体的营养盐较少,致使表层生产力较低。MIS 4开始后,温跃层逐步变浅,上升流加强,上层水体的交换作用增强,表层生产力逐渐增高,MIS3期生产力较高。
除上述沉积组分有机碳和无机碳的变化,C/N比值也是古海洋环境研究中的参考性指标,通常认为海洋沉积物中C/N平均值为6,C/N超过15时则认为沉积物主要是陆源性输入(向霏等,2006)。晚更新世来柱样剖面中C/N呈逐渐降低的趋势,表明陆源输入的减少,颗石藻反映的生产力有随陆源输入减少而降低的趋势。结合陈国成(2008)的研究,海平面变化对南海西南部陆坡陆源碎屑的沉积作用可能并不是很大,但呈现较高频率变化的夏季风可能通过影响风化剥蚀以及河流的搬运作用等,对此区域的沉积特征起着主导的作用。因此,夏季风引起的上升流变化和海流的搬运左右是影响南海西部地区生产力变化的重要因素。总之,海洋表层输出的颗石在海底的沉积丰度可以作为衡量古生产力变化的参考指标。
3.2   黏土矿物与生产力
海洋沉积物中包含有孔虫、蛋白石、微体化石等生源物质和主要由黏土矿物、石英等岩屑组成的陆源碎屑物质(陈国成等,2007)。前期黏土矿物与颗石藻共培养的实验结果表明黏土矿物对颗石藻生长的影响作用不同(邹翔等,2017)。蒙脱石因对营养元素的吸附和微生物絮凝作用对颗石藻的生长影响较大。颗石藻分泌的生物分子可通过插层作用进入并储存于蒙脱石层间,但不能进入伊利石层间。因此,这一时期陆源性输入黏土矿物因组成的不同,可能会对颗石藻为代表的古初级生产力研究造成干扰,其相关性值得进一步关注。颗石藻生物矿化作用形成的方解石质颗石是海底碳酸盐的主要组成部分,其分布特征从沉积表层到底部,随着深度的增加而下降。方解石含量的降低表明颗石藻生产力的降低。酸消解后,方解石特征峰消失(图2b)。石英随沉积深度的增加含量增大表明,柱状样沉积环境逐渐向高能环境转变。
本次研究的柱状样沉积样品的FTIR特征见图5。方解石质颗石对应的碳酸钙的O—C—O反对称伸缩振动、面外弯曲和面内弯曲振动分别出现在1433 cm-1、878 cm-1和713 cm-1。从沉积表层到底部,均可见颗石吸收振动,酸消解后消失颗石吸收振动消失。黏土矿物的FTIR吸收振动主要有:3620 cm-1、3420 cm-1、1035 cm-1、915 cm-1、847 cm-1和525 cm-1等。其中3620 cm-1附近吸收振动为黏土矿物结构或吸附水的羟基伸缩振动,3420 cm-1附近为层间水分子羟基伸缩振动,1000 cm-1附近为硅氧四面体Si—O—Si伸缩振动,915 cm-1附近属于铝氧八面体中Al—OH弯曲振动,847cm-1附近属于Mg—OH弯曲振动,525 cm-1属于Si—O—Mg弯曲振动。在2925 cm-1和1400 cm-1处出现的显著有机物吸收振动,证明蒙脱石中吸附了有机质。




图5   柱状样沉积样品的FTIR特征
Fig.5 FTIR spectra of selected sedimentary samples
a:酸消解前;b:消解后。a: before acidic digestion; b: after acidic digestion.
前期工作中的物源分析(刘志飞等,2007)表明:黏土矿物中的蒙脱石主要由其他陆架及其主要源区印度尼西亚岛弧提供,伊利石和绿泥石主要由湄公河和红河提供,而高岭石则主要由珠江提供。但并不代表各物源区选择性地输入不同种类的黏土矿物,仅反映这些物源区对南海贡献的主要黏土矿物种类。研究还发现南海沉积物中黏土矿物及其组合能反映东亚季风对陆地风化作用的控制(Liu et al,2003,2005;Boulay et al,2005)。
李建如(2007)进一步研究发现伊利石、高岭石以及伊利石都显示出明显的周期性,是冰期间/冰期旋回的特征,绿泥石、伊利石和蒙脱石都具有强烈的4万年斜率周期,是北半球冰盖响应轨道参数的表现。这种约4万年周期,都指示了高纬冰盖的变化,推测是冰盖张缩,驱动东亚冬季风周期性变化,从而影响到低纬区陆地风化强弱程度,最终记录于海洋沉积物中。另外,研究还发现黏土矿物含量表现出清晰的周期岁差(23 ka、19 ka)以及半岁差周期(13 ka),这些都是低纬过程的记录,应是东亚夏季风响应天文岁差,引起降水周期性变化,进而反映在陆地风化过程中。
4   结 论
南海西部MD05-2901孔柱状样沉积样品的矿物学特征分析表明从柱状样顶部到底部,随着深度的增大,颗石化石含量总体表现为表层较高、中部含量最高、底部含量少的分布特征。柱状样的有机碳含量在1.19%—2.78%,平均含量为1.99%,随深度的增加逐渐减小。而以颗石为主的碳酸钙质无机碳含量在1.13%—1.65%波动,平均含量为1.12%,变化呈现较明显的周期性,与颗石的分布特征有强相关性。柱状样C/N分析表明这一时期沉积物主要为海洋自生沉积。富颗石沉积样品矿物物相主要含有方解石、伊利石、蒙脱石、绿泥石、高岭石,以及少量石英等。FTIR分析表明蒙脱石中吸附了有机质,值得矿物学家深入研究。本文研究显示颗石藻沉积环境的矿物学特征富含沉积信息,为古海洋研究提供了新的研究途径。
致谢:
感谢同济大学海洋地质国家重点实验室刘传联教授课题组提供的MD05-2901孔柱状样品。
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稿件与作者信息
王富东
WANG Fudong
邹 翔
ZOU Xiang
孙仕勇*
SUN Shiyong*
shysun@swust.edu.cn
马彪彪
MA Biaobiao
陈廷方
CHEN Tingfang
赵学钦
ZHAO Xueqin
董发勤
DONG Faqin
国家自然科学基金项目(41472310,41603041)
National Nature Science Foundation of China (41472310, 41603041)
出版历史
出版时间: 2019年2月26日 (版本2
参考文献列表中查看
地球环境学报
Journal of Earth Environment