地層中化學元素在海平面變化中的響應

孫志強

摘 要： 海平面變化分為全球性的海平面變化和區(qū)域性的海平面變化，而引起海平面變化的原因主要為構(gòu)造運動等因素，在海平面變化過程中保存在地層中的各種化學元素記錄了其變化過程，通過對前人研究的總結(jié)，化學元素對海平面變化的響應，主要有鍶、碳、氧以及各種微量元素，這些元素含量和比例隨海平面的變化而隨之發(fā)生改變。

關(guān)鍵詞： 海平面變化;化學元素;構(gòu)造運動

【中圖分類號】P512.32 ? ? 【文獻標識碼】A ? ? 【文章編號】1674-3733（2020）11-0261-01

古海平面變化的研究與層序地層學的發(fā)展相關(guān)，Peter Vail等將沉積層序的形成解釋為：“在世界上大多數(shù)地方，那些地震剖面上所識別出的、且造成層序界面重復性的基準面變化，應該歸因于海平面變化”。[1]隨后Vail等人通過地震地層學和層序地層學，Vail等人根據(jù)沉積物上超的垂向分量來建立了全球海平面變化曲線。

對于海平面變化是否具有全球可對比性，需要對對全球同期內(nèi)多個剖面的進行海平面變化曲線進行對比和多種研究方法進行對比，當前研究海平面變化和古水深的研究方法主要為同位素法、層序地層學法、古生物法、微量元素法、磁化率法、生物焦法等。

1 全球性和區(qū)域性的海平面變化

1.1 全球構(gòu)造運動

全球構(gòu)造運動，它們影響地球表面的海陸分布和大洋容積，決定地史中較大幅度的海平面變化。根據(jù)板塊構(gòu)造研究結(jié)果認為，海底擴張和大陸解體可形成全球性海平面上升，反之則下降，也就是說，大陸聯(lián)合期與全球海平面低水位期一致;大陸離散期與全球海平面高水位期一致。局部的構(gòu)造運動包括褶皺、斷裂活動、山地隆起、盆地沉降和火山噴發(fā)等，都是地殼運動的表現(xiàn)，都可引起區(qū)域相對海平面變化，甚至還可造成全球性的海平面變化。氣候?qū)Ｆ矫嬗绊懀陙淼玫胶艽蠹訌姡挠绊懽饔貌⒉粊営谌驑?gòu)造運動。造山運動是一個緩慢形成過程，它所造成的海平面變化都比較大，河流徑流量和陸源碎屑的大量供應（沉積物的供應速率），在河口、大陸架地區(qū)對海平面相對變化的影響也相當重要。[2]

1.2 區(qū)域構(gòu)造運動

當區(qū)域構(gòu)造事件小于全球海平面變化作用的強度時，區(qū)域海平面變化特征受全球絕對海平面變化的控制，與全球海進、海退同步，其沉積特征與全球相一致，局部的地質(zhì)場可以放到全球地質(zhì)統(tǒng)一場中認識問題。當一個區(qū)域構(gòu)造事件大于全球海平面變化的強度時，其相對海平面變化會與全球絕對海平面變化極不協(xié)調(diào)，其海平面變化特征往往與全球海平面變化特征相反或者其變化幅度遠遠大于全球性的海平面變化幅度。因為區(qū)域性的海進和海退可能屬于相對海平面變化，可能受盆地基底升降、沉積物供給速率、可容空間、氣候等影響，不等同于全球（ 絕對） 海平面變化，要提出全球海平面變化的觀點，需要有全球范圍內(nèi)多個剖面的對比。[3]

2 化學方法

2.1 鍶同位素

鍶同位素的原理主要是，在海平面下降后，陸殼出露面積變大，在陸殼中的鍶元素（87Sr）通過風化剝蝕作用、搬運作用進入到海洋中導致海洋中碳酸鹽的87Sr/86Sr比值升高，反之如果海平面上升則降低，兩者呈負相關(guān)。

海水的鍶同位素，其隨時間的變化主要受兩個來源的鍶的控制：1）由大陸古老的硅鋁質(zhì)巖石化學風化作用通過河流向海水提供的相對富放射性成因的鍶，具較高的87Sr/ 86Sr比值。2）由洋中脊熱液系統(tǒng)向海水提供的相對貧放射性成因的鍶，具較低的87Sr/ 86Sr比值。因此，地質(zhì)歷史中海水鍶同位素的組成和變化，或者說代表原始海水組成的海相內(nèi)源沉積物（主要是碳酸鹽、硫酸鹽和磷酸鹽等）鍶同位素的組成和變化是全球海平面的靈敏指示劑。[4]

2.2 碳同位素

碳同位素，生物有機質(zhì)具有相對較低的δ13C值，在相對深水區(qū)，有機質(zhì)易于保存，當其氧化形成的CO2加入碳酸鹽時，必然要降低碳酸鹽的δ13C值，因而深水碳酸鹽具有相對偏低的δ13C值。在正常的海洋環(huán)境中，相對淺水區(qū)由于有機質(zhì)氧化逸散不易保存，故形成的碳酸鹽具有相對較高的δ13C值;依據(jù)這一原理，可將δ13C值偏負的程度作為古水深的判別標志之一。即δ13C值大小與古水深之間存在著負相關(guān)關(guān)系。

2.3 氧同位素

碳、氧同位素可作為全球海平面相對變化指標據(jù)大量研究表明，海相碳酸鹽沉積物的氧同位素δ18O 的變化主要反映了冰川消長引起的全球性海平面相對變化。一般地，δ18O變重反映了冰川生長及全球海平面下降，反之則反映冰川消溶及全球海平面上升。其原理是冰川的形成會從海水中帶走更多的16O，進 而 使 殘 留 于 海 水 中 的18O 更多，使 δ18O 值即18O/16O 的比值變重。

2.4 微量元素法

利用微量元素特征確定海平面變化多種微量元素可以用來作為古水深的直接或間接的判別標志，列如Mn、Ni、V、Cr 4種元素。已有研究表明，海相泥、頁巖和泥晶灰?guī)r中Mn或MnO含量比陸相同類巖性中要高得多，在海盆中心要比岸邊高得多。所以，可以把泥、頁巖與泥晶灰?guī)r中的Mn或MnO含量作為離岸遠近的指標用來推測古水深。Ni、V、Cr在正常海水中主要以粘土吸附形式存在，粘土礦物的含量具有隨水深及離岸距離的增大而增高，從而導致Ni、V、Cr的含量與古水深的變化呈正相關(guān)關(guān)系。

3 結(jié)論

海平面變化的化學方法研究主要是根據(jù)各種元素在海平面變化過程中的響應。在海平面變化過程中鍶同位素的原理主要是，在海平面下降后，陸殼出露面積變大，在陸殼中的鍶元素（87Sr）通過風化剝蝕作用、搬運作用進入到海洋中導致海洋中碳酸鹽的87Sr/86Sr比值升高，反之如果海平面上升則降低，兩者呈負相關(guān)。碳元素主要是δ13C值大小與古水深之間存在著負相關(guān)關(guān)系。氧元素其原理是冰川的形成會從海水中帶走更多的16O，進 而 使 殘 留 于 海 水 中 的18O 更多，使 δ18O 值即18O/16O 的比值變重。微量元素主要是粘土礦物的含量具有隨水深及離岸距離的增大而增高，從而導致Ni、V、Cr的含量與古水深的變化呈正相關(guān)關(guān)系。

參考文獻

[1] 梅冥相.從沉積層序到海平面變化層序——層序地層學一個重要的新進展[J].地層學雜志，2015，39（01）：58-73.

[2] 侯明才，陳洪德，田景春.層序地層學的研究進展[J].礦物巖石，2001（03）：128-134.

[3] 宋虎躍，童金南，田力，宋海軍，邱海鷗，朱園園，Thomas J ALGEO.南盤江地區(qū)二疊紀-三疊紀之交淺水臺地古氧相研究[J].中國科學：地球科學，2014，44（06）：1273-1282.

[4] 黃思靜，石和，張萌，沈立成，劉潔，武文慧.上揚子石炭—二疊紀海相碳酸鹽的鍶同位素演化與全球海平面變化[J].沉積學報，2001（04）：481-487.