第四纪研究  2015, Vol.35 Issue (6): 1366-1382   PDF    
南海北部表层沉积物碳酸钙含量及主要钙质微体化石丰度分布
张江勇, 周洋, 陈芳, 高红芳, 张欣, 段虓    
(国土资源部海底矿产资源重点实验室, 广州海洋地质调查局, 广州 510760)
摘要    通过研究南海北部陆坡至深海平原表层沉积物碳酸钙含量、浮游有孔虫壳体丰度、钙质超微化石丰度空间分布, 认为研究区碳酸钙溶跃面位于水深约3000m处, 碳酸钙补偿深度(CCD)位于水深约3500m或者更小水深。浮游有孔虫壳体、钙质超微化石是表层沉积物碳酸钙的主要组分, 浮游有孔虫壳体对数值、钙质超微化石丰度均与碳酸钙含量对数值呈较好线性关系。水深3000m以浅的表层沉积物中, 碳酸钙含量对数值、浮游有孔虫壳体丰度对数值随水深增大趋于线性减小, 而钙质超微化石丰度随水深增大而趋于线性增大。浮游有孔虫壳体丰度和钙质超微化石丰度分布差异可能与这两类碳酸钙颗粒沉积学行为不同有关:浮游有孔虫壳体丰度随水深的变化可能主要受到陆源粘性颗粒稀释作用; 钙质超微化石和陆源粘性颗粒沉积学行为相似, 可能主要在海底边界层参与絮凝作用和反絮凝作用, 随水深增大皆趋于富集。随着水深从3000m逐渐增大, 碳酸钙溶解作用成为海底碳酸钙分布的主要影响因素, 碳酸钙含量对数值与浮游有孔虫壳体丰度对数值随水深增加呈加速减小趋势, 而许多表层沉积物不含或贫钙质超微化石。然而, 所有表层沉积物碳酸钙都没有被溶解殆尽。通过碳酸钙严重不饱和环境下表层沉积物碳酸钙含量的分布, 识别出一些底流活动的影响。特别地, 在中沙北海岭周缘深海平原存在浮游有孔虫壳体与钙质超微化石高丰度带, 该高丰度带可能是底流作用下快速沉积的结果。碳酸钙含量小于约2% 的许多表层沉积物具有浮游有孔虫壳体贫乏、钙质超微化石相对富集的特点, 该现象很可能与这两类碳酸钙颗粒粒径悬殊有关, 体积微小的钙质超微化石更有机会成为永久性沉积物。
主题词     碳酸钙溶解作用    深海沉积过程    浮游有孔虫壳体丰度    钙质超微化石丰度    南海    
中图分类号     P722.7;P736.4;Q915.811                    文献标识码    A

海底表层沉积物碳酸钙含量的分布主要取决于源自海洋的碳酸钙与陆源输入物质质量比例关系,碳酸钙组分主要来源于上层海洋的浮游有孔虫壳体和钙质超微化石[1, 2, 3],陆源输入物质也主要通过上层海洋才能沉积于海底。然而,上层海洋、 海底沉积物中的碳酸钙与陆源输入物质质量比例关系往往不同,甚至同一地质时期不同海域碳酸钙含量旋回模式存在明显差异[4],这主要系上层海洋颗粒物在成为海底永久性沉积物之前会经历一系列沉积学过程和海洋化学过程所致。

浮游有孔虫壳体和钙质超微化石沉降至海底的机制与海洋碳循环中碳酸钙泵和(或)生物泵密切相关[2, 5, 6]。浮游有孔虫壳体等粒径大的碳酸钙颗粒常以单个颗粒形式快速沉降[7, 8],但钙质超微化石等体积微小的碳酸钙颗粒与有机质本身都难以独立沉降至海底,它们常常以絮凝体和粪粒的形式向海底沉降[8, 9, 10]。浮游有孔虫壳体参与的碳酸钙泵与生物泵关联性不强[1, 8],但细颗粒的钙质超微化石参与的碳酸钙泵与生物泵之间存在重要关联,有机质对于絮凝体形成起到粘合的作用[11],碳酸钙因密度较大而使絮凝体加速沉降,在絮凝体沉降过程中扮演着“压舱物”角色[1],钙质超微化石很可能是开放大洋絮凝体压舱物种类中最重要的一类[2, 10, 12]。浮游有孔虫壳体、 絮凝体以及粪粒沉降至海底后在水动力强度条件满足的条件下会发生滚动、 跳跃、 悬浮等形式的搬运与再沉积过程[13],但絮凝体和粪粒比浮游有孔虫壳体被底流远距离搬运的几率大,因为絮凝体比浮游有孔虫壳体相对容易发生再悬浮作用、 絮凝体经常发生解体以及粘性颗粒重新组合成絮凝体的过程[10, 14, 15],粪粒在水动力作用下一旦发生破裂、 分解,其细颗粒成分也有可能参与到絮凝作用-反絮凝作用循环中。由于碳酸钙溶解度会因压力增大而增大,碳酸钙颗粒沉降到一定水深处将处于化学不稳定状态,碳酸钙颗粒在某一水深处遭受溶解作用程度与生物泵、 海水溶解氧含量以及所处的海洋温盐环流位置等因素有关,部分被生物泵泵到海底的有机质被氧化导致深部海水逐步富集二氧化碳,进而导致深部海水腐蚀性增强[16, 17, 18]; 对于受温盐环流影响的区域,深部海水腐蚀性程度还可能包括温盐环流的贡献,大洋底层流流动过程中会逐步容纳沿途氧化成的二氧化碳,导致温盐环流中底层流从源地到终点的腐蚀性逐渐增强[19, 20, 21, 22]

综上所述,复杂深海沉积过程和碳酸钙不饱和度深刻影响着海底碳酸钙的分布。前人在研究南海表层沉积物碳酸钙含量以及钙质微体化石分布特征时,已发现碳酸钙溶解作用是控制南海水深大于3000m海底碳酸钙物质分布的主要影响因素[23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35]。然而,在碳酸钙严重不饱和环境的深海平原,存在局部富集碳酸钙的现象[29, 30, 31, 32, 36, 37],有关碳酸钙溶解作用重要界面的识别至今分歧不小,这意味着影响海底碳酸钙溶解或保存机制的因素较多,仍有待深入研究。对于碳酸钙溶解作用较弱和不存在的海底,前人通常用陆源物质稀释作用来解释碳酸钙含量以及钙质微体化石丰度的变化[28, 29, 31, 34, 35, 38, 39],但本文发现浮游有孔虫壳体丰度和钙质超微化石丰度分布差异显著,用陆源物质稀释作用难以解释同为海洋生源的碳酸钙颗粒分布特征,浮游有孔虫壳体和钙质超微化石在接受陆源物质稀释作用方面有无明显差别是一个值得商榷的问题。本文旨通过对南海北部陆坡至深海平原表层沉积物碳酸钙含量、 浮游有孔虫壳体丰度和钙质超微化石丰度分布特征的研究,进一步探讨前人已广泛关注过的碳酸钙溶解作用,同时还将分析浮游有孔虫壳体丰度与钙质超微化石丰度对表层沉积物碳酸钙含量贡献的差异性以及相关深海沉积过程。

1 材料与方法

在南海北部 16°~20°N,114°~120°E范围内采集表层样有278个,大部分表层样取自海水与沉积物界面以下5cm深度范围内,水深范围介于285~4270m,样品站位大体成规则格点阵分布( 图 1),大部分样品位于南海深海平原内,水深范围介于3500~4270m; 约有四分之一的样品位于南海北部陆坡,水深范围介于496~3491cm; 不足十分之一的样品位于中沙海岭和其它海山上,水深范围是285~495m和2270~3498m。

图 1 研究区在南海的位置(a,白色框所示)以及站位分布(由十字星表示)与重要地形名称、 重要水深等深线(b) Fig. 1 The position of study region in the South China Sea showed by white frame in (a) and the sites (denoted by crosses) with names of important topography and important isobathic lines (b)

碳酸钙含量的测试采用EDTA容量法测定,主要步骤为: 海洋沉积物样品经(110±2)℃ 初烘6小时,烘干后将样品细碎至0.074mm,已粉碎的试样经105~110℃条件下干燥2~4小时后置于干燥器中保存。分析时称取干燥试样0.3000g,用稀乙酸溶解、 过滤,将滤液调节pH为12,加三乙醇胺掩蔽铁、 铝等干扰元素,用EDTA标准溶液滴定。

浮游有孔虫样品预处理、 统计方法如下: 取干样重20g,将样品置于烧杯内,用自来水浸泡样品1~2天使颗粒物充分分散,然后用0.063mm孔径的铜筛筛取粗颗粒,将筛取的粗颗粒组分在60℃条件下烘干后进一步用0.150mm孔径的铜筛筛取粒径大于0.150mm以上颗粒物,最后在立体显微镜下统计大于0.150mm以上的浮游有孔虫壳体数量。

钙质超微化石样品处理采用简易涂片法: 取少许沉积物置于载玻片上,向沉积物中加适量蒸馏水,用牙签充分搅拌后,将粗粒沉积物刮去,使细粒沉积物的悬浮液均匀分布在载玻片上。再将载玻片上沉积物烤干,用中性树脂胶将盖玻片粘在载玻片上制成固定片。在偏光显微镜下放大1000倍鉴定统计钙质超微化石,每个薄片统计10个视域内的化石数量作为钙质超微化石丰度。

2 结果 2.1 碳酸钙含量分布

研究区表层沉积物碳酸钙含量介于0.4 % ~87.8 % ( 图 2a),以碳酸钙含量介于0.75 % ~0.95 % 和5 % ~30 % 的样品占主体。用SPSS软件进行碳酸钙含量直方图和茎叶图等统计分析表明,碳酸钙含量5 % 是划分样品碳酸钙含量分布的重要节点,碳酸钙含量小于5 % 的表层样有170个,占研究样品总数的61.2 % 。碳酸钙含量小于5 % 的样品中,碳酸钙含量介于0.75 % ~0.95 % 的样品约三分之一( 图 2b); 碳酸钙含量大于5 % 的样品中,约70 % 的样品碳酸钙含量小于30 % ( 图 2c)。

图 2 样品碳酸钙含量频数直方图 Fig. 2 Frequency histogram of carbonate contents of the samples

表层沉积物碳酸钙含量在陆坡、 海岭、 海山区域较高,在深海平原较低( 图 3)。在研究区北部,碳酸钙含量5 % 等值线大体相当于陆坡与深海平原的分界线,在西北次海盆西北缘,陆坡与深海平原的分界线处碳酸钙含量增至10 % ~15 % ; 在研究区西南部,中沙北海岭与深海平原分界线处碳酸钙含量约为30 % 。北部陆坡和中沙北海岭碳酸钙等值线分布与海底地形变化较为一致,北部陆坡碳酸钙含量由北西向南东趋于减小,而中沙北海岭碳酸钙含量由南西向北东呈逐渐减小的趋势,其中,中沙北海岭是研究区表层沉积物碳酸钙最富集的区域,该区域碳酸钙含量基本上大于30 % ,通常介于40 % ~50 % ,最高可达87.8 % ,而北部陆坡表层沉积物碳酸钙含量大于30 % 的区域仅局限在珠江口外海底峡谷西面局部区域。海盆表层沉积物碳酸钙含量总的说来以碳酸钙含量低为特征,依其分布趋势分为3个亚区( 图 3):1)海山的水深相对较小区域Ⅰ,主要位于研究区东南部,该区域表层沉积物碳酸钙含量较高,约介于20 % ~70 % ; 2)中央海盆的深海平原及海山水深较大区域Ⅱ,该区域碳酸钙含量低,一般不超过2 % ,特别地,不含浮游有孔虫和钙质超微化石的表层沉积物依然含少量碳酸钙(含量介于0.60 % ~1.12 % ); 有些位于海岭、 陆坡或海山的站位碳酸钙含量较高,但通常不大于10 % ; 3)西北次海盆的深海平原及海山水深较大区域Ⅲ,该区域碳酸钙含量介于2.1 % ~26.7 % ,其分布具有南部高、 北部低的特点,其中西北次海盆东南部碳酸钙含量等值线分布趋势延续了中沙北海岭碳酸钙含量由南西向北东逐渐减小的趋势。

图 3 碳酸钙含量等值线分布( % ) 站位由十字星表示; 短划线表示碳酸钙含量2 % 的趋势线; 罗马数字Ⅰ、 Ⅱ和Ⅲ表示研究区海盆碳酸钙含量分区, Ⅰ表示海山的水深相对较小区域,Ⅱ和Ⅲ之间界限大致以图中短划线为界 Fig. 3 Distribution of contour lines of carbonate contents( % ). Sites denoted by crosses,short dashed line shows the trend line of 2 % carbonate content,and Roman number Ⅰ,Ⅱ,and Ⅲ denote the subareas of carbonate contents. Subarea Ⅰlocates shallow regions of seamounts,subarea Ⅱ and Ⅲ largely demarcated by the short dashed line in the figure

碳酸钙含量变化与水深有一定相关性,随着水深增大,碳酸钙含量趋于减小,但是在水深较小海底碳酸钙含量与水深之间的数据点较分散( 图 4a)。在半对数坐标系下,可观察到碳酸钙含量随水深的变化趋势大约在水深3000m上下发生改变: 在水深约3000m以浅的表层沉积物中,碳酸钙含量对数值随水深增大大体呈线性减小,而在水深超过约3000m的表层沉积物中,碳酸钙含量对数值与水深之间整体未呈现相关性( 图 4d)。

图 4 表层沉积物碳酸钙含量(a,d)、 浮游有孔虫壳体丰度(b,e)和钙质超微化石丰度(c,f)分别与水深散点图 (a)、(b)和(c)的纵坐标为线性坐标;(d)、(e)和(f)的纵坐标为对数坐标,其中(d)包含了全部表层样数据, (e)仅包含浮游有孔虫壳体丰度大于零的样品,(f)仅包含钙质超微化石丰度大于零的样品 Fig. 4 Scatter diagram of carbonate content(a,d),abundance of planktonic foraminiferal shells(b,e),and abundance of calcareous nannofossils(c,f) in surface sediment with water depth,respectively. The vertical ordinate of (a),(b) and (c) is linear,while the vertical ordinate of (d),(e) and (f) is logarithmic;(d)includes all the data,(e)includes the data of abundance of planktonic foraminiferal shells greater than zero,and (f) includes the data of abundance of calcareous nannofossils greater than zero
2.2 浮游有孔虫壳体丰度分布

浮游有孔虫壳体丰度变化范围大,介于0~17067枚/g,其高值区主要分布在研究区陆坡、 中沙北海岭、 中沙北海岭周缘的深海平原以及海盆中海岭的水深较浅区域,而低值区全部分布在深海平原( 图 5)。浮游有孔虫壳体丰度分布和海底地形有很大关系,研究区北部陆坡和深海平原的分界线处大体对应着浮游有孔虫壳体丰度10枚/g,中沙北海岭与深海平原分界线基本对应着浮游有孔虫壳体丰度等值线400枚/g,中沙北海岭浮游有孔虫壳体丰度大体上与研究区北部陆坡上部的浮游有孔虫壳体丰度相当。研究区海山水深较浅区域浮游有孔虫壳体丰度也较高,但该区域浮游有孔虫丰度变化梯度很大,以本文采样密度只能获得一些离散状的数据点,例如,东北部海山见有浮游有孔虫壳体丰度高达159枚/g、 6768枚/g的表层沉积物; 东南部海山见有浮游有孔虫壳体丰度高达338枚/g、 1048枚/g和17067枚/g的表层沉积物。深海平原浮游有孔虫壳体丰度总体来说很低,通常不足1枚/g,中央海盆甚至有相当多表层沉积物不含浮游有孔虫,但深海平原局部区域浮游有孔虫壳体丰度高,例如,西北次海盆见有浮游有孔虫壳体丰度高达81枚/g、 467枚/g、 2470枚/g的表层沉积物,这些异常高丰度沉积物的空间分布呈离散状。特别地,位于中沙北海岭东北向的深海平原存在一个浮游有孔虫壳体高丰度带(其北部界限大约位于 18°N),该高丰度带内大部分表层沉积物浮游有孔虫壳体丰度介于100~400枚/g,已与研究区北部陆坡中下部浮游有孔虫壳体丰度范围大体相当; 该高丰度带内浮游有孔虫壳体丰度由南西向北东趋于减小,其等值线分布似乎是中沙北海岭浮游有孔虫壳体丰度向北东方向减小趋势的延续。

图 5 浮游有孔虫丰度等值线分布(枚/g) Fig. 5 Distribution of contour lines of abundance of planktonic foraminiferal shells(numbers per g)

在线性坐标中,浮游有孔虫壳体丰度与水深之间相关性弱( 图 4b),二者之间分散性突出表现在浮游有孔虫壳体丰度大于4000枚/g的样品上,这些样品数量仅约占本次研究样品总数的3 % ,然而,浮游有孔虫壳体丰度取对数后明显表现出随水深增大而减小的趋势,浮游有孔虫壳体丰度的对数与水深之间相关性大约在水深3000m处发生明显变化( 图 4e)。水深约3000m以浅的表层沉积物中,浮游有孔虫壳体丰度对数值与水深之间呈较好的线性关系。水深大于约3000m的表层沉积物分两类,一类是浮游孔虫壳体丰度介于81~2470枚/g的样品,其丰度范围位于水深约3000m以浅浮游有孔虫壳体丰度对数值随水深变化之线性趋势上,其中,除两个样品位于研究区东部海山或其附近外,其余均位于中沙北海岭及其周缘深海平原; 另一类是浮游有孔虫壳体丰度小于80枚/g的样品,其丰度位于水深约3000m以浅浮游有孔虫壳体丰度对数值随水深变化线性趋势之下,这类沉积物的浮游有孔虫壳体丰度对数值随水深增大大体也呈减小趋势,但这种减小趋势速度明显比水深约3000以浅表层沉积物浮游有孔虫壳体丰度对数值随水深增大而变小的速度大( 图 4e)。

2.3 钙质超微化石丰度分布

钙质超微化石丰度介于0~1899枚/10个视域,其空间分布和水深或海底地形有一定关系( 图 6)。钙质超微化石丰度高值区主要分布在研究区北部陆坡、 中沙北海岭、 水深较浅的海山上,深海平原以钙质超微化石丰度低为主要特征。 北部陆坡和深海平原交界处大体对应着钙质超微化石丰度等值线500枚/10个视域,中沙北海岭与深海平原交界处钙质超微化石丰度大约为1400~1700枚/10个视域,中沙北海岭周缘的深海平原仍然有相当多表层沉积物钙质超微化石丰度介于500~1700枚/10个视域,钙质超微化石丰度小于500枚/10个视域的表层沉积物基本分布在深海平原。深海平原钙质超微化石丰度小于500枚/10个视域的表层沉积物虽然占较大比例,但其钙质超微化石丰度空间分布仍然与地理位置相关,钙质超微化石丰度介于40~500枚/10个视域的表层沉积物主要位于中沙北海岭以东的深海平原以及北部陆坡南缘的部分深海平原,钙质超微化石丰度极低或不含钙质超微化石的表层沉积物主要位于深海平原东南部,北部陆坡附近局部深海平原也不含钙质超微化石。

钙质超微化石丰度随水深的变化趋势以水深约3000m为界明显分为两段( 图 4c4f)。水深小于约3000m的表层沉积物具有钙质超微化石丰度随水深增大而增大的线性变化趋势,在半对数坐标系下,钙质超微化石丰度对数值基本不随水深变化; 对于水深大于约3000m的样品而言,钙质超微化石丰度变化范围很大(介于0~1748枚/10个视域),而且与水深之间的变化无相关性。特别地,虽然水深大于约3000m的表层沉积物钙质超微化石丰度等值线分布趋势性明显( 图 6),但其分布对水深的依赖性不强,依据钙质超微化石丰度等值线分布趋势将钙质超微化石丰度分为不含钙质超微化石、 大于0枚/10个视域且小于100枚/10个视域、 大于100枚/10个视域3个级别,这3个丰度级别的样品在约3500m以深区域都常见到,它们在海盆里出现几率大体相当,大约各占三分之一。

图 6 钙质超微化石丰度等值线分布(枚/10个视域) Fig. 6 Distribution of contour lines of abundance of calcareous nannofossils(numbers per 10 fields)
3 讨论 3.1 碳酸钙溶解作用 3.1.1 碳酸钙溶跃面界定

前人有关南海碳酸钙溶跃面的认识分为三类。第一类是实际观察到碳酸钙溶解作用指标随深度增大出现快速变化的深度界面,即碳酸钙溶跃面,这类研究结果如有关文献[26, 27, 30, 40],上述研究结果中除陈芳等[30]观察到碳酸钙溶解作用指标随深度增大出现明显增大的深度界面(作者界定为碳酸钙溶跃面)位于水深2000m外,其余三项研究结果显示碳酸钙溶解作用指标随深度增大出现明显增大的深度界面大约位于水深3000m; 第二类是从表层样样本中没有观察到碳酸钙溶解作用指标随深度增大出现明显变化的深度界面,如李学杰等[33]; 第三类是推测存在碳酸钙溶跃面,如有关文献[23, 25, 31, 37, 41, 42],这类研究结果虽然研究了碳酸钙溶解作用指标随深度的分布,但不易获得一个明确结论,多带推测性质。

上述碳酸钙溶跃面的认识分歧可能由多方面原因引起,首先,碳酸钙溶解作用指标的分布除受碳酸钙溶解作用外,还受海流、 陆源物质稀释作用等其它地质-环境因素影响,这些影响因素对碳酸钙含量、 浮游有孔虫壳体丰度及属种抗溶解能力差异性、 钙质超微化石丰度及属种抗溶解能力差异性、 底栖有孔虫丰度及各壳质类型相对含量、 浮游有孔虫碎壳率等以往使用的溶解作用指标空间分布影响程度在南海不同区域可能有差别; 其次,前人有些研究站位的分布密度偏低,难以较准确地识别碳酸钙溶跃面的水深分布。前人所识别的水深3000m重要界面在本此研究中得到充分体现,研究区内碳酸钙含量( 图 4d)、 浮游有孔虫壳体丰度( 图 4e)随水深增大而减小的趋势在水深约3000m处显著变大,钙质超微化石丰度随水深的线性增大趋势在水深约3000m处被终止,水深大于3000m的大量表层沉积物贫钙质超微化石,该特点在线性坐标系下非常明显( 图 4c),上述钙质物质含量或丰度在水深约3000m处随水深的变化具有碳酸钙溶跃面特点。本次研究所用样品采样密度高,站位的水深范围大,保证了3000m水深界面具有统计学意义,而该水深界面界定为碳酸钙溶跃面的证据除了来自碳酸钙含量外[26, 27, 40],还有浮游有孔虫溶解指数[26],因此,尽管本文所研究的钙质物质含量或丰度分布还可能受到其他地质因素的影响,但已基本可以确定它们在水深3000m处的显著变化反映了碳酸钙溶跃面。

3.1.2 碳酸钙补偿深度(CCD)界定

前人对南海CCD的认识分为五类。第一类是从研究样本中观察到溶解作用指标随水深明显增大的界面,李粹中[43]根据这一碳酸钙溶解作用特点认为其研究区CCD位于水深3000m处,该结论显然是将碳酸钙溶跃面误认为碳酸钙补偿深度的结果; 第二类是在海盆研究样品中未发现钙质生物壳体而认为这些样品已经处于CCD环境中,这类研究成果包括Rottman[23]和刘传联等[28]; 第三类是在海盆研究样品中发现少量钙质生物壳体而认为这些样品所处环境尚未达到CCD的程度,这类研究成果包括罗又郎等[24]、 陈芳等[29, 30]和李学杰等[33]; 第四类是在南海深水区研究样品中发现少量钙质生物壳体而认为这些样品已经处于CCD环境,这类研究成果包括有关文献[25, 26, 27, 31, 34, 35],但第四类研究成果所持南海CCD的观点分歧较大,有认为CCD位于水深为3500m[25]、 3800m[27]和4000m[26, 34],也有认为南海南部与北部CCD存在差异者,例如,徐建等[44]认为南海北部与南部CCD分别位于水深3400m和3500m,陈荣华等[31]认为南海北部与南部CCD分别位于水深3400m和3600m,张兰兰等[35]认为 14°N以北和以南CCD分别位于水深3700m和4000m; 第五类是推测存在CCD,如涂霞[41]认为CCD位于水深3000~3500m在范围内,也有相关文献[32, 37, 38]认为CCD位于水深约3500m处。在有些相关的研究工作中,研究者引用或直接给出了南海现代CCD所处水深,如孟翊等[45]综合多人研究结果给出CCD为水深3500~4000m,Kuhnt等[46]直接给出CCD为水深3500m的结果。

从上述前人分析结果即可看出,南海海盆不但存在不含钙质物质或不含某些门类钙质化石的表层沉积物,而且还可能存在遭受溶解作用后仅存少量钙质物质的表层沉积物,界定南海海盆CCD很大程度上取决于判别CCD的标准。CCD是深海碳酸钙溶解速率与向海底供应碳酸钙(供应途径主要通过上层海洋生源碳酸钙向海底沉降的方式实现)速率相等的水深[9, 22, 47, 48],反映的是钙质物质变成永久沉积物(位于海底沉积物与海水界面之下的沉积物中)之前钙质物质被溶解的一种状态,从表层沉积物碳酸钙的分布特征揭示CCD实际上是一种间接界定CCD的方法[22]。如果仅从碳酸钙溶解作用的角度分析,CCD及更深的海底沉积物中碳酸钙的确应该溶解殆尽,然而,影响沉积物中碳酸钙溶解或保存的因素是多方面的。在海底沉积物与海水界面之下沉积物混合层(厚度一般介于若干毫米至若干分米)中,通常发生比上覆水体更强的碳酸钙溶解作用,主要系在生物扰动作用下,有机质被沉积物孔隙水中溶解氧氧化,从而释放二氧化碳所致[16, 17, 49, 50, 51],因此从沉积物碳酸钙含量分布特征推测的CCD也许会比实际的CCD小一些。有利于钙质物质保存的因素有某些矿物表面化学过程、 快速沉积作用等,例如,由于钙质物质表面有机质、 微量元素等的保护作用[9, 52, 53, 54],少量钙质物质在与CCD处海水碳酸钙不饱和程度相当的环境中甚至可以保存下来[53, 55]; 快速沉积作用可将碳酸钙快速埋葬,但相关的钙质物质保存机理不甚清楚,推测快速沉积作用将碳酸钙与强腐蚀性海水隔离开的同时,还极大地破坏了海底沉积物孔隙水原本有氧层底栖生物的生态,从而严重削弱了生物扰动作用[46],生物扰动作用较弱或停止一般不利于沉积物混合层中碳酸钙溶解作用进行[17, 51, 56],前人发现的南海深海平原富集的碳酸钙可能与浊流等引起的快速沉积作用有关[29, 30, 37]。碳酸钙被溶解的程度还和碳酸钙颗粒理论上被埋藏所需时间与被完全溶解所需时间的比值有关,浮游有孔虫壳体比钙质超微化石体积大很多,在强腐蚀性海水环境下,浮游有孔虫壳体比钙质超微化石被保存在沉积物中的几率小很多[9]。综上所述,仅从沉积物中碳酸钙是否全部溶解这一标准来界定CCD是比较困难的,本文利用表层沉积物样品近于规则网格的分布以及深海平原钙质物质分布特点讨论与CCD相关的内容。

研究区海盆碳酸钙含量分布一个显著特点就是中央海盆碳酸钙含量普遍较低( 图 3)。其中大部分区域浮游有孔虫壳体丰度为零( 图 5)、 钙质超微化石丰度较低或为零( 图 6),因此可以断定中央海盆处于一个碳酸钙严重不饱和环境,该区域碳酸钙含量低是浮游有孔虫、 钙质超微化石等主要钙质物质严重遭受溶解的结果。中央海盆大约有四分之一的表层沉积物样品都未鉴定出浮游有孔虫和钙质超微化石,这些样品除一个样品位于中央海盆西北角水深3362m处外,其余广泛分散式分布在水深3546~4200m之间的深海平原( 图 7b),水深3362m处的表层沉积物处于陆源物质稀释作用强烈的环境[28],沉积物中未鉴定出浮游有孔虫壳体和钙质超微化石的现象可能是碳酸钙溶解作用和陆源物质稀释作用共同导致的,而水深3546~4200m之间未鉴定出浮游有孔虫和钙质超微化石的表层沉积物在中央海盆分布的广泛性应该能够指示上层海洋生源碳酸钙向海底沉降的碳酸钙在变为永久性沉积物之前被全部被溶解的情况,因此中央海盆CCD大约位于3500m或更小水深。中央海盆不含浮游有孔虫和钙质超微化石的表层沉积物依然含少量碳酸钙,这可能由抗碳酸钙溶解作用相对强的碳酸钙(如某些底栖有孔虫属种的壳体)组成,由于CCD处海水中依然可能存在少量碳酸钙[53],碳酸钙被溶解殆尽不应作为界定CCD的必要条件。

图 7 水深3000m以深表层沉积物主要根据碳酸钙含量的分类(a)及其分布(b) Fig. 7 The classification of surface sediment mainly according to the carbonate content (a) and sites distribution of the classification (b) with water depth greater than 3000m

本次研究在西北次海盆没有发现浮游有孔虫壳体丰度和钙质超微化石丰度均为零的表层沉积物样品,然而,由于碳酸钙不饱和度在一个大空间范围内倾向于保持稳定[23],我们认为西北次海盆CCD和中央海盆CCD是相同的。部分由于3300~3500m水深范围内的样品缺乏,研究区CCD的准确深度本文仍然不能解决,但可以确定CCD可能的最大深度为3500m,至于西北次海盆和中央海盆水深3500m以深的部分表层沉积物中为什么仍然含浮游有孔虫壳体或钙质超微化石的问题实际上就成为一个碳酸钙严重不饱和环境下钙质物质如何保存的问题。

3.2 碳酸钙严重不饱和环境下碳酸钙物质的保存

下文在分类表层沉积物站位的基础上,探讨水深大于3000m的表层沉积物中碳酸钙物质保存机制,分类依据主要是表层沉积物含碳酸钙情况和所处地理位置,兼顾浮游有孔虫壳体丰度或钙质超微化石丰度变化特点。研究区水深大于3000m的站位主要分布在深海平原、 中央海盆海山区以及西北次海盆西北缘下陆坡( 图 7b),这些区域碳酸钙含量变化大( 图 7a)。碳酸钙含量2 % 大体上是中央海盆与西北次海盆碳酸钙含量的分界线,也是中央海盆深海平原与海山区的重要分界线,因此,首先以约2 % 为界将水深大于3000m的表层沉积物分为碳酸钙含量相对较高样品和贫碳酸钙样品。

3.2.1 碳酸钙含量高值区域

中沙北海岭周缘碳酸钙含量异常高区域( 图 3)大体对应着浮游有孔虫壳体丰度( 图 5)和钙质超微化石丰度高值区( 图 6),该区域内水深介于3273~3489m的表层沉积物样品有4个,水深介于3513~4120m的样品有12个,较多的样品数量为研究碳酸钙严重不饱和环境下钙质物质的保存提供了难得机会。中沙北海岭周缘碳酸钙含量、 浮游有孔虫壳体丰度、 钙质超微化石丰度等值线分布趋势延续了中沙北海岭的东北向走向,并且这些等值线有向东北向逐渐尖灭的趋势(见 图 3图 5图 6),暗示有从西南流向东北的侧向搬运作用发生,中沙北海岭周缘浮游有孔虫壳体、 钙质超微化石中的大部分可能来自中沙北海岭,这些碳酸钙在侧向搬运过程中因底流流速逐渐减缓而沉降在深海平原。文献中常用浊流引起的快速沉积作用解释南海深海平原富含碳酸钙的现象[29, 30, 37],中沙北海岭及附近发生浊流是有可能的,因为中沙北海岭地形变化大,在潮汐、 中尺度涡等作用下[57],海水和复杂地形相互作用可能会诱发较强海流,鉴于大洋中脊与中尺度涡相互作用会沿大洋中脊走向诱发海流的情况[58],推测中沙北海岭因地形诱发的海流有可能沿着中沙北海岭东北走向运行,与该海流相关的快速沉积作用可能也是中沙北海岭周缘碳酸钙保存的机制。海流和研究区其他地形变化大的区域相互作用也可能诱发快速沉积作用,西北次海盆浮游有孔虫壳体丰度异常高的表层沉积物呈离散状分布( 图 5)可能也是快速沉积作用的结果。

围绕海底正向地形富集碳酸钙的现象,在研究区东南部和东北部海山区也比较明显( 图 3)。位于东南部海山顶部站位QD252碳酸钙含量21.9 % ( 图 7b),对应水深为3095m,水深3584m的站位QD224( 图 7b)碳酸钙含量依然高达23.2 % 。站位QD252和QD224的钙质超微化石丰度基本相当,分别是1614枚/10个视域和1748枚/10个视域,但是浮游有孔虫壳体丰度差别很大,分别为23枚/g和338枚/g,对水深3500m附近的表层沉积物而言,浮游有孔虫壳体丰度338枚/g属于丰度异常高站位,由于水深3500m以深的海底处于碳酸钙严重不饱和状态,上述海山区附近表层沉积物中能保存较丰富的碳酸钙可能是在底流作用下海山物质快速搬运沉积的结果,推测水深较大站位的浮游有孔虫壳体部分源自海山沉积物。东南部海山区附近还存在碳酸钙含量介于2.2 % ~5.3 % 的表层沉积物,对应水深为3600~4270m,这些碳酸钙含量显著高于周边深海平原( 图 3),这些样品很少含浮游有孔虫壳体和钙质超微化石,推测东南部海山区附近出现相对富含碳酸钙的现象可能与海山地形引发的底流侧向搬运作用有关,碳酸钙也可能源自海山其它门类钙质生物。

3.2.2 贫浮游有孔虫、 相对富集钙质超微化石的区域

贫浮游有孔虫、 相对富集钙质超微化石的区域主要有3个,即中央海盆深海平原碳酸钙含量相对较高区域、 中央海盆东北部海山区以及西北次海盆北缘下陆坡。这3个区域碳酸钙含量的水平明显不同,中央海盆深海平原碳酸钙含量通常小于2 % ,对应水深介于3717~4150m; 中央海盆东北部海山区碳酸钙含量介于2.04 % ~8.91 % ,对应水深范围3049~3900m,其中,水深介于3000~3500m与大于3500m的表层沉积物含碳酸钙情况差别不大,碳酸钙含量范围分别是2.13 % ~4.48 % 和2.04 % ~8.91 % ; 在与中央海盆东北部大体相同水深区间内,西北次海盆北缘下陆坡比中央海盆东北部海山区碳酸钙含量高,除一个站位碳酸钙含量为3.50 % 外,其余站位介于6.75 % ~22.32 % 。

中央海盆深海平原碳酸钙含量通常小于2 % ,但仍有一定分布趋势。例如,在研究区北部陆坡东侧约 18°~19°N,117°~118°E的深海平原,碳酸钙含量、 钙质超微化石丰度及浮游有孔虫壳体丰度呈现一个从东北向西南趋于减小的舌状分布(见 图 3图 5图 6),碳酸钙含量介于1.99 % ~2.20 % ,碳酸钙含量舌状分布区内钙质超微化石相对较高丰度的范围介于37枚/10个视域至461枚/10个视域,浮游有孔虫壳体相对较高丰度范围仅为0.65枚/g至3.95枚/g。上述舌状分布区水深介于3717~3900m,位于CCD之下,推测该舌状分布区内的钙质超微化石、 浮游有孔虫壳体是由东北向西南侧向搬运沉积的结果。在中沙北海岭东侧石星海山、 宪北海山附近也存在一个碳酸钙含量相对高值区(1.33 % ~5.61 % ,见 图 3),水深4000~4150m,对应着钙质超微化石丰度较高值区(47~907枚/10个视域,见 图 6),但浮游有孔虫壳体丰度仅为0.05~1.40枚/g,暗示钙质超微化石是该区碳酸钙的主要组分,钙质超微化石和浮游有孔虫壳体在CCD之下的不同命运推测与这两类钙质物质个体大小差异、 中等的沉积速率有关: 钙质超微化石个体小,中等的沉积速率足以使钙质超微化石被快速埋藏保存,但该沉积速率可能小于浮游有孔虫溶解速率,不足以使体积大的浮游有孔虫壳体被快速埋藏,以至于海底浮游有孔虫壳体在海水中暴露时间长,多被溶解。根据上述海盆区表层沉积物碳酸钙物质组成的分析,推测钙质超微化石比浮游有虫壳体更易被埋藏的特点可能也是中央海盆东北部海山区以及西北次海盆北缘下陆坡表层沉积物贫浮游有孔虫、 相对富集钙质超微化石的主要原因。

此外,从部分样品中可识别出陆源物质对表层沉积物碳酸钙的稀释作用。例如,西北次海盆北缘下陆坡水深约3000m处有一站位表层沉积物碳酸钙含量为3.50 % ,水深3000m附近处碳酸钙溶解作用应该不强烈,推测贫碳酸钙现象由陆源稀释作用造成; 又如,研究区东部下陆坡有两个站位水深分别是3005m和3147m,碳酸钙含量分别为1.18 % 和1.21 % ,均不含浮游有孔虫壳体、 贫钙质超微化石,如此低碳酸钙含量估计是陆源物质稀释作用的结果。至于海盆东北部海山区比西北次海盆北缘相同水深区间碳酸钙含量低的现象可能也是前者陆源物质稀释作用相对较强的结果。

3.2.3 碳酸钙含量与浮游有孔虫壳体、 钙质超微化石丰度不匹配的站位

本次研究样品中还存在一些碳酸钙含量较低(介于0.74 % ~5.32 % ),但碳酸钙含量与浮游有孔虫壳体丰度或钙质超微化石丰度不匹配的样品( 图 7),这些样品分为两类,一类是以钙质超微化石丰度异常高的站位为特征,丰度介于98~682枚/10个视域,大部分站位对应浮游有孔虫壳体丰度均较低,介于0~8.5枚/g,个别站位浮游有孔虫壳体丰度相对富集,如站位QD212浮游有孔虫壳体丰度高达155枚/g; 另一类是几乎不含浮游有孔虫和钙质超微化石,浮游有孔虫壳体丰度0~0.3枚/g,钙质超微化石丰度1~4枚/10个视域,但碳酸钙含量相对较高,达2.2 % ~5.3 % ,这类样品位于前文所述的东南部海山附近,对应水深为3600~4270m。浮游有孔虫壳体丰度和钙质超微化石丰度与碳酸钙含量极不匹配的现象可能与表层沉积物钙质组分不均匀分布以及试样采集方式有关,野外采集同一个站位供碳酸钙含量测试、 浮游有孔虫壳体统计、 钙质超微化石统计的样品通常在箱式取样器顶部(口径50cm×50cm)随机采集,而我们野外采集样品时肉眼发现有些站位浮游有孔虫局部异常富集,暗示这些站位钙质物质分布是不均匀的,表层沉积物钙质物质不均一性可能是侧向搬运碳酸钙物质的底流分布不均匀的体现,又因为钙质超微化石体积小,浮游有孔虫体积大,钙质超微化石比浮游有孔虫有更多机会能在水深大于3500m的海底得以埋藏保存[9],从而钙质超微化石丰度异常高,而对应站位浮游有孔虫壳体丰度较低。不含(或贫)浮游有孔虫、 钙质超微化石,而相对富含碳酸钙的站位除了沉积物钙质物质分布不均匀可能造成外,也可能是底流侧向搬运其他钙质生物壳体所造成,需进一步研究。

3.3 浮游有孔虫壳体与钙质超微化石沉积学行为差异

本次研究发现水深小于3000m的表层沉积物中,浮游有孔虫壳体丰度和钙质超微化石丰度随着水深增大,表现出相反变化趋势( 图 4)。由于这些表层沉积物水深小于碳酸钙溶跃面,碳酸钙溶解作用对浮游有孔虫壳体丰度和钙质超微化石丰度变化的影响可以忽略,又由于研究区范围不算大,浮游有孔虫壳体和颗石生产力空间上的变异性对表层沉积物相应钙质微体古生物壳质丰度影响也不大[59, 60],因此陆源物质稀释作用可能是浮游有孔虫壳体丰度和钙质超微化石丰度变化的主要原因。然而,如果将浮游有孔虫壳体和钙质超微化石作为沉积行为无差别的海洋生源碳酸钙对待,则浮游有孔虫壳体丰度和钙质超微化石丰度都应因陆源物质稀释作用而减小,浮游有孔虫壳体丰度和钙质超微化石丰度随水深变化的差异性暗示浮游有孔虫壳体和钙质超微化石沉积学行为存在重要差异。

从沉积物动力学角度看,粒径大小是影响沉积颗粒沉积行为的关键因素之一,而浮游有孔虫壳体和钙质超微化石粒径相差十分悬殊,从而可能影响到二者之间沉积学行为差异。浮游有孔虫粒径大,其粒度绝大部分大于63μm(本文统计的浮游有孔虫粒径范围大于150μm),属于“砂”这一粒级范畴,是非粘性颗粒,而钙质超微化石通常仅有几μm,属于“粘土”粒级范畴,是强粘性颗粒(粘性颗粒一般指小于50μm)的颗粒)[61]。粘性颗粒和非粘性颗粒在水柱中的沉降过程、 在海底与近海底的搬运过程等沉积动力学机制截然不同。非粘性颗粒以单个颗粒形式向海底沉降,其竖直沉降方向上的沉降速率基本遵循Stokes定律,而单个粘土级颗粒因在海水中不停地作布朗运动而几乎不可能沉降至海底,粘性颗粒在水中主要以絮凝体或海洋生物粪粒组分的形式快速向海底沉降[12, 13, 60]。无论是非粘性颗粒,还是粘性颗粒,沉降至海底后都会受到底流作用,在底流作用强度条件满足的条件下,这些颗粒会发生滚动、 跳跃、 悬浮形式的搬运过程[13]。絮凝体在水柱中会发生一系列絮凝体解体(即反絮凝作用)和重新组合成絮凝体的过程,沉降至海底的絮凝体在底流作用下会发生再悬浮—再沉积往复运动,在这些往复运动中,絮凝体还进一步发生着絮凝体解体和重新组合成絮凝体的过程[14]。如果海底底流活动较强,则钙质超微化石在成为永久性沉积物之前有可能会被底流侧向搬运,而浮游有孔虫壳体一旦沉降到海底,只有遇到较强底流作用才会发生侧向搬运,也就是说,钙质超微化石比浮游有孔虫壳体在海底更容易发生侧向迁移。颗粒物质的侧向搬运大部分发生在海洋底边界层里[62, 63, 64],实际上,全球大部分海洋底层水体颗粒物浓度通常都呈增大的趋势,海底是一个雾状层发育的区域[62, 65],絮凝体及其分解物是该雾状层颗粒物的主要成分[66]

从上述浮游有孔虫和钙质超微化石沉积学行为差异可以进一步推测,浮游有孔虫壳体丰度和钙质超微化石丰度与陆源物质输入之间的关系不同。从沉积机理方面看,无论海洋生源物质,还是陆源物质,都分为非粘性颗粒和粘性颗粒两类:1)死亡的浮游有孔虫壳体与被搬运至海洋的非粘性陆源颗粒在海洋中的沉积学行为是相似的,在底流强度条件满足的条件下,发生滚动、 跳跃、 沉积等过程; 2)陆源细颗粒主要是以絮凝体形式沉降,该类物质通常在海底雾状层中富集[66],因此,钙质超微化石和陆源粘性颗粒在海洋中的沉积学行为是相似的[15],也会在成为永久性沉积物之前发生一系列再沉积—再悬浮的往复运动以及可能的侧向运移过程。由于非粘性颗粒远离河口后会发生明显的沉积分异作用,被搬运至深海海底的几率越来越小,在远离海岸的开放海洋中,粘性颗粒占陆源物质输入中的比例会趋于增大,因此,沉积物中钙质超微化石丰度和粘性陆源物质含量就未必出现互为消长的关系,而可能出现正相关关系,随着水深增大,海底浮游有孔虫壳体丰度越来越受到粘性陆源物质的稀释作用,而钙质超微化石与粘性陆源物质沉积学行为较一致,接受的陆源物质稀释作用会明显弱。于是,水深3000m以浅浮游有孔虫壳体丰度与钙质超微化石丰度随水深增大分别呈减小、 增大趋势的现象可以这样解释: 在较强底流作用下,钙质超微化石和陆源粘性颗粒发生再沉积、 再悬浮和向外海方面的侧向运移过程导致水深越大的表层沉积物越富集这些粘性颗粒,从而呈现随水深增大钙质超微化石丰度也增大的趋势,而浮游有孔虫死亡后,若非遇到较强海流活动影响,其壳体通常竖直快速沉降至海底后不再发生侧向迁移,随着水深的增大,表层沉积物中越来越富集的陆源粘性颗粒对浮游有孔虫壳体丰度的稀释作用也越来越强,从而导致浮游有孔虫壳体丰度随水深增大而减小的趋势。

对于水深大于3000m的表层沉积物,特别是海盆中的表层沉积物来说,浮游有孔虫壳体丰度和钙质超微化石丰度除了受陆源物质输入的影响外,还受到溶解作用、 埋藏机制差异等因方面的影响,上文所述的浮游有孔虫壳体与钙质超微化石沉积学行为差异不易观察到,但根据海底依然存在底流活动推测,在被埋藏为永久沉积物或被溶解殆尽之前,钙质超微化石在海底常发生沉积后再悬浮和侧向迁移,而浮游有孔虫可能只有在浊流等较强底流作用下才会发生侧向迁移。

3.4 浮游有孔虫壳体丰度、 钙质超微化石丰度对碳酸钙含量的贡献

浮游有孔虫和钙质超微浮游植物都生活在上层海洋中,对于碳酸钙溶解作用不严重的海底而言,浮游有孔虫壳体和钙质超微化石都是表层沉积物碳酸钙的重要组分,它们各自丰度的增加都会导致碳酸钙含量增大,这一关系在研究区碳酸钙含量变化趋势随浮游有孔虫壳体丰度( 图 8a)和钙质超微化石丰度( 图 8b)的增大而增大的现象中得到体现,特别是水深小于3000m的表层沉积物。在碳酸钙溶解作用强烈的海底,其它抗碳酸钙溶解作用的碳酸钙物质对沉积物碳酸钙含量的贡献显著增大(尽管丰度或含量很低)的情况下,浮游有孔虫壳体丰度、钙质超微化石丰度与碳酸钙含量关系则较为复杂。尽管如此,研究区海盆中浮游有孔虫壳体丰度( 图 8c)、 钙质超微化石丰度( 图 8d)与碳酸钙含量之间数据点都基本落在水深小于3000m表层沉积物相应丰度与碳酸钙含量线性关系范围内。上述浮游有孔虫壳体和钙质超微化石的丰度与碳酸钙含量的正相关性都表明这两类钙质物质是表层沉积物碳酸钙的重要组成成分。

图 8 表层沉积物碳酸钙含量、 浮游有孔虫壳体丰度及钙质超微化石丰度之间的散点图 (c)是(a)中浮游有孔虫壳体丰度小于550枚/g的样品,(d)是(b)中钙质超微化石丰度小于500枚/10个视域的样品,(h)是(g)中 浮游有孔虫壳体丰度小于30枚/g的站位;(e)中数据点对应数据皆大于零;(f)包含全部分析数据 Fig. 8 Scatter diagram among carbonate content,abundance of planktonic foraminiferal shells,and abundance of calcareous nannofossils in surface sediment. (c)Includes the data with abundance of planktonic foraminiferal shells less than 550 numbers per g in(a),(d)includes the data with abundance of calcareous nannofossils less than 500 numbers per 10 fields in (b),and (h) includes the data with abundance of planktonic foraminiferal shells less than 30 numbers per g in(g);(e)only includes the data greater than zero;(f)includes all the data analyzed

然而,浮游有孔虫壳体丰度和钙质超微化石丰度之间几乎是不相关的( 图 8g8f),尽管浮游有孔虫壳体和钙质超微化石都来自海洋上层水体。不但如此,浮游有孔虫壳体丰度和钙质超微化石丰度对碳酸钙含量的贡献关系也是不同的,浮游有孔虫壳体丰度对碳酸钙含量变化的影响主要发生在浮游有孔虫壳体丰度约较低时,大体上,当浮游有孔虫壳体丰度小于1000枚/g时,碳酸钙含量随浮游有孔虫壳体丰度增加而增加的速度较快( 图 8a); 而钙质超微化石丰度对碳酸钙含量变化的影响主要发生在钙质超微化石丰度较大时,当钙质超微化石丰度大于约800枚/10个视域时,才会显著增加碳酸钙含量( 图 8b)。浮游有孔虫壳体丰度与碳酸钙含量在对数坐标系下呈线性关系( 图 8e),二者之间的回归方程见公式①,浮游有孔虫壳体丰度解释了碳酸钙含量约76 % 的变异; 而钙质超微化石丰度与碳酸钙含量在半对数坐标系下呈线性关系( 图 8f),二者之间回归方程见公式②,钙质超微化石丰度解释了碳酸钙含量约82 % 的变异。以浮游有孔虫壳体丰度、 钙质超微化石丰度作为自变量,碳酸钙含量的估计方程见公式③,比较回归方程公式①~③的决定系数,可见浮游有孔虫壳体丰度、 钙质超微化石丰度一起能更多解释碳酸钙含量的变异,这两类微体化石丰度总共解释了碳酸钙含量86 % 的变异。对回归方程公式①、 ②分别求碳酸钙含量的导数,可得出大部分样品浮游有孔虫丰度变化比钙质超微化石丰度变化对碳酸钙含量的影响大,但由于浮游有孔虫丰度和钙质超微化石丰度单位不同,尚不能得出浮游有孔虫和钙质超微化石中哪一个变量对碳酸钙含量贡献更大的结论,但从回归方程的线性形式看,碳酸钙含量和浮游有孔虫丰度均需取对数,而钙质超微化石丰度不需对数转化,可能说明碳酸钙含量更加受浮游有孔虫丰度的影响。另一方面,水深3000m以浅区域,碳酸钙含量随着水深增加的变化趋势和浮游有孔虫丰度变化趋势相似( 图 4d4e)、 而与钙质超微化石丰度变化趋势相反( 图 4a4c)的现象也说明至少在水深3000m以浅区域碳酸钙含量更加受浮游有孔虫丰度的影响。

Y为碳酸钙含量(Y)的估计值,LnY为碳酸钙含量的自然对数; X1为浮游有孔虫壳体丰度,LnX1为浮游有孔虫壳体丰度自然对数; X2为钙质超微化石丰度,R2为决定系数。

4 结论

对南海北部陆坡至深海平原表层沉积物碳酸钙含量及其主要组分,即浮游有孔虫壳体与钙质超微化石的丰度进行了综合分析,得出以下主要认识:

(1)表层沉积物碳酸钙含量、 浮游有孔虫壳体丰度、 钙质超微化石丰度等值线分布与地形变化关心密切,碳酸钙含量、 浮游有孔虫壳体丰度、 钙质超微化石丰度在水深较浅区域(陆坡、 海岭、 海山)通常较高,在深海平原通常较低。浮游有孔虫壳体丰度与碳酸钙含量在对数坐标系下呈线性关系,而钙质超微化石丰度与碳酸钙含量的对数呈线性关系,但浮游有孔虫壳体丰度与钙质超微化石丰度之间相关性差。以浮游有孔虫壳体丰度和钙质超微化石丰度作为自变量,可以解释碳酸钙含量约86 % 的变异。

(2)碳酸钙含量和浮游有孔虫壳体丰度都随水深增大呈下降趋势; 钙质超微化石丰度在水深3000m以浅海底具有随水深增大而线性增大的趋势,但在水深3000m以深海底,钙质超微化石丰度与水深之间整体上无线性关系,并且钙质超微化石丰度变化范围大,很多表层沉积物钙质超微化石丰度与水深小于3000m的钙质超微化石丰度相当。水深小于3000m的表层沉积物钙质超微化石丰度、 浮游有孔虫壳体丰度随水深变化的差异性可能与这两种钙质微体化石接受陆源物质稀释作用差异性有关,钙质超微化石丰度可能主要受陆源非粘性颗粒的稀释作用,而浮游有孔虫壳体丰度可能主要受陆源粘性颗粒的稀释作用。

(3)深海平原表层沉积物浮游有孔虫壳体与钙质超微化石丰度分布的主要因素主要包括碳酸钙溶解作用、 底流侧向搬运作用以及这两种钙质化石的粒径。碳酸钙溶跃面位于水深约3000m,CCD位于约3500m或更小水深,但水深大于CCD的局部深海平原表层沉积物依然含碳酸钙物质。碳酸钙物质能在水深大于CCD的环境中得以保存很可能与底流活动相关的快速沉积作用有关,而钙质超微化石比浮游有孔虫壳体小很多的属性很大程度上决定了碳酸钙严重不饱和环境下钙质超微化石保存的几率相对较大。

致谢 感谢同济大学刘传联教授和中国科学院南京地质古生物研究所李保华研究员为本文提出宝贵修改意见。

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Distribution of carbonate contents and the abundances of major carbonate components in surface sediment from the northern South China Sea
Zhang Jiangyong, Zhou Yang, Chen Fang, Gao Hongfang, Zhang Xin, Duan Xiao    
(Key Laboratory of Marine Mineral Resources, Guangzhou Marine Geological Survey, Ministry of Land and Resources, Guangzhou 510760)

Abstract

A total of 278 surface sediment samples, which were obtained from region of 16°~20°N, 114°~120°E with water depth range of 285~4270m and distribute in the pattern of a near dot-matrix, are used to analyze the distribution of carbonate contents, the abundances of planktonic foraminiferal shells, and the abundances of calcareous nannofossils. Calcite lysocline in surface sediment from northern slope to the abyssal plain in the South China Sea is recognized to be located at about 3000m water depth, while calcite compensation depth located at about 3500m water depth or shallower. Planktonic foraminiferal shells and calcareous nannofossils are generally the major components of the carbonate in the surface sediment, and both the logarithm of the abundance of planktonic foraminiferal shells and the abundance of calcareous nannofossils have a linear relationship with the logarithm of the abundance of carbonate content. For the surface sediment with water depth less than 3000m, both the logarithm of the abundance of carbonate content and the logarithm of the abundance of planktonic foraminiferal shells generally decreases with increasing water depth, while the abundance of calcareous nannofossils increase with increasing water depth. The changes of the abundance of planktonic foraminiferal shells with water depth is probably effected by the dilution of terrigenous cohesive particles, but the calcareous nannofossils have a similar sedimentological behavior with terrigenous cohesive particles, and they often take part in flocculation and anti-flocculation within the benthic boundary layer, and tend to be richer in deeper water. With water depth increasing from about 3000m, carbonate disslution becomes a strong factor affecting the carbonate distribution, and in general, the decrease of the logarithm of both carbonate content and the abundance of planktonic foraminiferal shells accelerates with increasing water depth, and calcareous nannofossils in much sediment disappear completely or only a few calcareous nannofossils has survived. However, not all carbonates in the surface sediment are dissolved completely, and some impact of bottom currents are recognized through the carbonate distribution in the environment seriously unsaturated respect to calcite. Especially, the high abundances of both planktonic foraminiferal shells and calcareous nannofossils in the abyssal plain around ZhongShaBei ridge likely results from quick sedimentation of bottom currents. Much surface sediment with carbonate content less than about 2% is poor in planktonic foraminiferal shells and relative rich in calcareous nannofossils, and these features are probably related to huge size difference of these two calcite materials, the much smaller calcareous nannofossils have far more chances to become permanent sediment.

Key words     canbonate dissolution    processes of deep-sea sedimentation    abundance of planktonic foraminiferal shells    abundance of calcareous nannofossils    South China Sea