新近紀深海大洋紅層的分布分類及成因

熊梓翔 ， 朱俊江 ， 楊國明 ， 王長盛 ， 賈仲佳 ， 歐小林 ， 李三忠

(1. 深海圈層與地球系統(tǒng)前沿科學(xué)中心， 海底科學(xué)與探測技術(shù)教育部重點實驗室， 中國海洋大學(xué) 海洋高等研究院和海洋地球科學(xué)學(xué)院， 山東 青島 266100； 2. 青島海洋科學(xué)與技術(shù)國家實驗室 海洋礦產(chǎn)資源評價與探測技術(shù)功能實驗室， 山東 青島 266100)

大洋紅層是指在深水遠洋、半遠洋環(huán)境下， 在氧化條件下形成的紅色-粉色-棕色為主的海相沉積物[1-4]。自全球大洋調(diào)查開啟以來， 大洋紅層就因其鮮艷的顏色和深海沉積環(huán)境的指示性而為地質(zhì)學(xué)家們所關(guān)注。1873年， 在英國“挑戰(zhàn)者”號考察船進行環(huán)球海洋考察時， 大洋紅層首次被科學(xué)家發(fā)現(xiàn)并報道。大洋紅層普遍發(fā)育于全球各大洋中， 占全球洋盆總面積的31%， 約占全球表面積的20%[1-3]。大洋紅層能夠極好地保存古沉積環(huán)境特征， 記錄了豐富的古地磁和古氣候信息， 其全球分布的特征使之具有其他深海沉積物不可替代的重要性。與此同時， 研究大洋紅層的各種沉積指標， 如礦物組成、生物生產(chǎn)力、沉積速率等， 對古海洋、古氣候、古地磁、古構(gòu)造格局演變甚至比較行星學(xué)的研究都具有重要意義[5-7]。目前不同地質(zhì)時期的大洋紅層中， 以白堊紀大洋紅層的研究最為成熟， 由我國科學(xué)家領(lǐng)導(dǎo)的國際地球科學(xué)計劃(IGCP) 463和494項目， 將白堊紀大洋紅層作為主要研究對象， 在地層學(xué)、沉積學(xué)、元素地球化學(xué)等多個領(lǐng)域發(fā)表了系列研究論文和專著[4，7-8]。

不同地質(zhì)歷史時期的大洋紅層因其在長時間尺度

上的縱向可對比性， 可以作為研究全球跨地質(zhì)歷史時期的特殊氣候和海洋變化的良好工具。 在深入研究白堊紀大洋紅層的同時， 對新近紀大洋紅層的研究卻缺乏系統(tǒng)的分析和總結(jié)。新近紀是地球地質(zhì)演化的一個關(guān)鍵時期，在這個時期發(fā)生了一系列地質(zhì)事件， 例如北極冰蓋的形成、青藏高原的隆升、相關(guān)海氣系統(tǒng)的重新組合等， 這些事件對今天人類社會賴以生存的環(huán)境和生物多樣性仍然有著重大影響[9-10]。對新近紀大洋紅層的研究可推進對新近紀的古氣候、古海洋和古地理變化的了解， 同時有利于提升人類預(yù)測全球未來氣候變化的能力。本文利用大洋鉆探科學(xué)計劃中的航次報告和數(shù)據(jù)庫， 識別出不同洋區(qū)的大洋鉆探鉆井中的新近紀大洋紅層， 分析和探討了新近紀大洋紅層的分布分類、物理屬性特征、致色礦物以及成因， 本文的研究成果對進一步理解不同時期大洋紅層的成因具有重要意義。

1 數(shù)據(jù)與方法

本文所使用的新近紀大洋紅層數(shù)據(jù)和巖芯影像均來自于深海鉆探計劃(DSDP)、大洋鉆探計劃(ODP)、綜合大洋鉆探計劃(IODP)和國際大洋發(fā)現(xiàn)計劃(IODP)的航次報告以及德克薩斯A&M大學(xué)的大洋鉆探數(shù)據(jù)庫(http：//web.iodp.tamu.edu/OVERVIEW/)。本文統(tǒng)計了各大洋中含新近紀沉積物的鉆井， 再通過航次報告及巖芯剖面對比沉積物顏色， 從鉆井中識別出39個含新近紀大洋紅層且較為完整的鉆井， 系統(tǒng)歸納并總結(jié)出其分布區(qū)域、所屬年代、巖性、顏色、含水率、密度和孔隙度， 由于大洋鉆探的數(shù)據(jù)庫中DSDP航次的物理屬性、化學(xué)和古地磁等數(shù)據(jù)沒有記錄， 故本文未使用DSDP鉆井的數(shù)據(jù)。

沉積物離散樣品的主量元素Al2O3、CaO和SiO2重量百分比、總有機碳(TOC)含量和CaCO3含量數(shù)據(jù)來自于大洋鉆探數(shù)據(jù)庫的“化學(xué)和微生物(Chemistry and Microbiology)”數(shù)據(jù)庫， 本文使用了基于主量元素含量的大洋紅層分類方法來對新近紀大洋紅層進行分類[7-8]。磁化率、紅度(a*)和反射光譜數(shù)據(jù)來自于大洋鉆探數(shù)據(jù)庫的“物理屬性(Physical Properties)”數(shù)據(jù)庫， 熱退磁和交變磁場退磁數(shù)據(jù)來自于“磁學(xué)(Magnetism)”數(shù)據(jù)庫， 其中磁化率由鉆探航次的研究人員通過MS2K-121磁化率儀測得， 紅度和反射光譜數(shù)據(jù)由鉆探航次的研究人員通過QEPRO-QEP00732高性能光譜儀測得。本文對大洋鉆探1409、1438、1451和1499鉆井巖芯中的大洋紅層、黃綠色的沉積物和灰綠色的沉積物樣品的反射光譜值進行了求解一階導(dǎo)數(shù)的處理， 相鄰光譜值之差除以波長間隔，即為該點的一階導(dǎo)數(shù)值。除此之外， 本文還使用了部分大洋鉆探航次鉆井報告中的沉積速率和含白堊紀大洋紅層的鉆井位置[4]。

2 新近紀大洋紅層的全球分布及分類

新近紀大洋紅層包含中新世和上新世的大洋紅層。通過本文統(tǒng)計出的39個含新近紀大洋紅層的大洋鉆探鉆井可以看出， 新近紀大洋紅層在太平洋、大西洋、印度洋、南大洋和北冰洋均存在， 具有典型的全球分布特征(圖1， 表1)。新近紀大洋紅層在每個巖芯中的顏色是不均一的， 以棕色和黃棕色為主，主要為黏土和黏土巖， 也存在極少數(shù)的含放射蟲軟泥黏土和硅質(zhì)巖， 在碳酸鹽補償深度界面以上也有存在， 既有厚達55 m的連續(xù)沉積， 也存在高頻旋回的紅層和單獨存在的十余厘米厚的夾層。

圖1 39個含新近紀大洋紅層的鉆井分布Fig. 1 Distribution of Neogene oceanic red beds at 39 drilling sites

表1 DSDP、ODP和IODP鉆井中出現(xiàn)的新近紀大洋紅層Tab.1 Occurrence of Neogene oceanic red beds at DSDP, ODP, and IODP sites

各大洋含新近紀大洋紅層的鉆井數(shù)占總數(shù)的比例分別為： 太平洋51.2%， 大西洋38.4%， 南大洋5.1%， 印度洋2.5%， 北冰洋2.5%。因此認為新近紀大洋紅層主要分布于太平洋和大西洋， 而在南大洋、印度洋和北冰洋較為少見， 但這一結(jié)果也可能與大洋鉆探在太平洋和大西洋開展較多航次有關(guān)。新近紀大洋紅層在整個新近紀時期都有出現(xiàn)， 但其分布的時代具有一定差異性， 整體呈現(xiàn)從新近紀早期到晚期逐漸減少的特征。在太平洋地區(qū)， 新近紀大洋紅層出現(xiàn)的高峰期為中新世， 而在大西洋地區(qū)的高峰期則為上新世。在大洋鉆探南海184、349、367和368航次的鉆井中都觀測到了新近紀大洋紅層， 其中349航次1434鉆井的巖芯8R、9R和10R中的新近紀大洋紅層直接覆蓋在玄武巖基底上， 為固結(jié)良好的紅棕色黏土巖[11]。此外， 在北冰洋的302航次M0002鉆井， 雖然其水深僅為1 211 m， 但仍觀察到形成于早中新世，不連續(xù)但總厚度達28 m的新近紀大洋紅層。

用主量元素含量對大洋紅層進行化學(xué)組成的分類方法同樣適用于新近紀大洋紅層， 基于表2中不同洋區(qū)鉆井新近紀大洋紅層樣品的CaO， Al2O3和SiO2含量， 本文對93個新近紀大洋紅層樣品進行地球化學(xué)分類(圖2)。太平洋的6個鉆井中， 新近紀大洋紅層主要為鋁質(zhì)大洋紅層， 其次是鈣質(zhì)大洋紅層。太平洋1501鉆井和1334鉆井紅層的CaCO3平均含量高于其他鉆井， 與這兩個鉆井中部分樣品被分為鈣質(zhì)大洋紅層是相對應(yīng)的， 1438鉆井紅層的CaCO3平均含量最低， 僅為0.8%(表3)。大西洋907和998鉆井、南大洋的1356和1358鉆井以及印度洋的1451鉆井中新近紀大洋紅層均為鋁質(zhì)大洋紅層， 其中大西洋998鉆井紅層的CaCO3平均含量為7.3%， 其余鉆井中紅層的CaCO3平均含量均低于5%。南海1501和1502鉆井的紅層主要為鋁質(zhì)和鈣質(zhì)大洋紅層， 鉆井中紅層的CaCO3平均含量分別為33.6%和6.9%。

表3 12個鉆井中沉積物CaCO3含量和新近紀大洋紅層總有機碳含量Tab. 3 Sediments CaCO3 contents and the total organic carbon content of Neogene oceanic red beds at 12 drilling sites

圖2 新近紀大洋紅層的CaO-Al2O3-SiO2三元圖分類Fig. 2 CaO–Al2O3–SiO2 ternary diagram for the classification of Neogene oceanic red beds

表2 12個鉆井中新近紀大洋紅層的CaO-Al2O3-SiO2平均含量Tab. 2 Average contents of the CaO-Al2O3-SiO2 of Neogene oceanic red beds at 12 drilling sites

白堊紀大洋紅層具有多樣化的特征， 其物質(zhì)來源不局限于黏土礦物， 鋁質(zhì)、鈣質(zhì)和硅質(zhì)大洋紅層均有出現(xiàn)， 其中有3個位于太平洋的白堊紀紅層為硅質(zhì)大洋紅層。而在92個新近紀大洋紅層樣品中， 鋁質(zhì)大洋紅層為主要類型， 僅有少數(shù)鈣質(zhì)大洋紅層在太平洋1218、1219、1334、1336鉆井和南海1501鉆井出現(xiàn)， 未見硅質(zhì)大洋紅層， 這可能與多數(shù)鉆井中大洋紅層主要為黏土有關(guān)， 黏土主要由洋流與風(fēng)搬運的黏土礦物和細粒礦物組成，這也與白堊紀大洋紅層的組成有著顯著差別， 因此本文認為新近紀大洋紅層可以作為鋁質(zhì)大洋紅層的典型代表。

3 新近紀大洋紅層的物理屬性特征

在已統(tǒng)計出的鉆井數(shù)據(jù)中， 南太平洋199航次1218鉆井中的新近紀大洋紅層含水率和孔隙度最高，分別為334.8%和89.7%， 密度最低， 平均為1.2 g/cm3，該站位的紅層埋藏深度僅為海底面以下20～50 m， 埋藏較淺(表4)。而位于南海的467航次1499鉆井中的新近紀紅層埋藏深度達海底面以下880 m， 含水率和孔隙度最低， 分別為17.5%和32.1%， 密度最高， 平均為2.2 g/cm3。新近紀大洋紅層多為黏土， 隨著埋藏深度的增加會受到強烈的壓實作用， 因此其含水率、密度和孔隙度的大小與埋藏深度及巖性有關(guān)。

表4 11個不同鉆井中新近紀大洋紅層的物理屬性Tab. 4 Physical properties of Neogene oceanic red beds at 11 different sites

對比磁化率、紅度以及鉆井的沉積物巖芯影像，發(fā)現(xiàn)在含新近紀大洋紅層的各鉆井中， 磁化率、紅度與紅層具有顯著的相關(guān)性(圖3)。新近紀大洋紅層的磁化率比同鉆井中白色和灰綠色的磁化率更高， 顏色為紅色的紅層的磁化率最高， 其次是棕色和黃棕色。磁化率是磁性礦物的種類、含量和顆粒大小的綜合反映， 紅度表示顏色從綠色(負值)到紅色(正值)之間的變化， 正值越大， 紅色越強， 負值越大， 綠色越強， 新近紀大洋紅層的紅度顯然高于非紅層的白色和灰綠色的沉積物。當巖芯中的沉積物向白色和灰綠色的沉積物變化時，磁化率和紅度都有明顯下降。建立磁化率與紅度之間的線性關(guān)系， 認為兩者之間大致成正相關(guān)。圖3的6個鉆井中， 368航次1502鉆井25R-1巖芯磁化率與紅度的相關(guān)系數(shù)值最小， 為0.480 7， 而367航次1499鉆井25R-4巖芯中， 磁化率與紅度的相關(guān)系數(shù)R高達0.928 4， 說明磁化率與紅層有非常好的正相關(guān)關(guān)系。

圖3 大洋鉆探206、208、351、354、367和368航次鉆井中含新近紀紅層巖芯的紅度和磁化率變化曲線Fig. 3 a* and magnetic susceptibility change curves of the cores containing Neogene oceanic red beds at sites for expeditions 206， 208， 351， 354， 367， and 368

4 新近紀大洋紅層的致色礦物

赤鐵礦和針鐵礦在可見光波長范圍(390～780 nm)有明顯的一階導(dǎo)數(shù)特征峰， 其中赤鐵礦的一階導(dǎo)數(shù)特征峰在565 nm， 而針鐵礦的一階導(dǎo)數(shù)有兩個特征峰，分別在535 nm和435 nm[12-13]。對大西洋1409鉆井3-1、太平洋1438鉆井18-4、印度洋1451鉆井29-4和南海1499鉆井25-4巖芯中紅層樣品和灰綠色的沉積物樣品的反射光譜值進行了求解一階導(dǎo)數(shù)的處理(圖4)。結(jié)果顯示四個鉆井中大洋紅層的反射光譜一階導(dǎo)數(shù)曲線均在560～570 nm出現(xiàn)了顯著的赤鐵礦特征峰， 但其中1409鉆井的曲線在435 nm有一個明顯的次峰， 為針鐵礦的特征峰， 表明紅層中含有赤鐵礦， 也可能含針鐵礦。而灰綠色沉積物樣品的反射光譜一階導(dǎo)數(shù)曲線整體向右傾斜， 沒有出現(xiàn)赤鐵礦和針鐵礦的特征峰， 說明灰綠色的沉積物中既缺乏赤鐵礦也缺乏針鐵礦。

圖4 四個不同洋區(qū)鉆井巖芯沉積物反射光譜一階導(dǎo)數(shù)圖Fig. 4 Reflectance spectroscopy first-derivative curves of sediments in four oceanic drilling sites

新近紀大洋紅層樣品在熱退磁處理下的剩磁強度變化也表明其存在高矯頑力和高阻斷溫度的赤鐵礦(圖5a—c)。1499和1501鉆井中的紅層樣品在0～300 ℃的溫度下迅速退磁， 但隨著溫度的不斷升高，在溫度高于575 ℃時剩磁仍存在， 表明存在居里溫度(Tc)較高的物質(zhì)， 指示了磁赤鐵礦(Tc≈590 ℃～675 ℃)或赤鐵礦(Tc≈675 ℃)的貢獻。368航次1502鉆井中新近紀大洋紅層和非紅層沉積物在交變磁場下退磁行為區(qū)別更為明顯， 紅色和綠色曲線分別代表該鉆井中的新近紀大洋紅層和非紅層沉積物。1502-9R-1和1502-39R-1鉆井中的紅層樣品在0～25 mT的交變磁場下， 剩磁強度損失了近50%， 但是在30 mT到120 mT之間， 退磁行為不像在0～25 mT時變化那么劇烈， 平緩的曲線指示紅層中的礦物存在非常高的矯頑力。沉積物的紅色和這種高矯頑力的特征， 指示了新近紀大洋紅層中赤鐵礦(或磁赤鐵礦)的存在。顏色偏綠的非紅層沉積物退磁曲線與紅層的退磁曲線顯著不同， 在低于15 mT的交變磁場中就迅速退磁， 這是磁鐵礦或鈦磁鐵礦的典型特征。在195航次1201、318航次1359、349航次1434和351航次1438等鉆井中， 新近紀大洋紅層樣品存在類似的退磁行為[11-13]， 而在綠色和灰色的沉積物樣品中未發(fā)現(xiàn)該現(xiàn)象。

圖5 南海大洋鉆探367和368航次新近紀大洋紅層的熱退磁和交變磁場退磁變化曲線Fig. 5 Thermal demagnetization and alternating field demagnetization curves of the Neogene oceanic red beds at expedition 367 and 368 in the South China Sea

5 新近紀大洋紅層成因探討

顏色是大洋紅層最鮮明的特征， 而大洋沉積物的致紅過程， 需要滿足2個條件。首先， 在沉積物中需要存在鐵， 只要Fe3+含量大于1%， 或者赤鐵礦含量大于1.5%， 就能使沉積物變紅[11，16-17]。很多沉積物的顏色都是由鐵氧化物控制的， 例如古土壤、黃土和大洋沉積物等[18-19]。沉積物的反射光譜一階導(dǎo)數(shù)曲線結(jié)果表明， 大洋紅層中存在赤鐵礦的特征峰，而灰綠色的沉積物中沒有出現(xiàn)赤鐵礦的特征峰； 沉積物的熱退磁曲線和交變磁場退磁曲線的結(jié)果指示了紅層中赤鐵礦的存在， 綠色的沉積物樣品則缺乏赤鐵礦， 因此我們推斷赤鐵礦是新近紀大洋紅層的致色礦物。沉積物磁化率的變化與紅層存在一定的正相關(guān)性， 在鉆井巖芯中， 沉積物由紅色、棕色向白色、綠色轉(zhuǎn)變時， 磁化率顯著下降， 而赤鐵礦(或磁赤鐵礦)是影響磁化率的磁性礦物， 因此可以進一步推斷赤鐵礦(或磁赤鐵礦)是導(dǎo)致磁化率變化的原因。

合適的氧化條件可以使鐵在沉積物中主要以三價的形式存在， 并使沉積物中的致色鐵氧化物(赤鐵礦)在成巖階段得以保存[20]。在大洋沉積物中， 氧化還原條件主要由底層水溶解氧含量和有機質(zhì)堆積速率決定， 有機質(zhì)為還原劑， 溶解氧為氧化劑[21]。氧化條件的出現(xiàn)， 可能有三個原因， 第一個原因是有機質(zhì)堆積速率低， 第二個原因是底層水的溶解氧含量高， 或是前兩種情況共同作用的結(jié)果[22]。白堊紀廣泛存在的遠洋紅層主要出現(xiàn)在大洋缺氧事件之后， 具有相對較高的沉積速率， 所以目前普遍認為白堊紀大洋紅層的氧化條件是以溶解氧含量高占主導(dǎo)作用而形成， 缺氧事件后大氣中O2含量增加， CO2含量降低， 導(dǎo)致海水溶解氧含量增加形成富氧條件[22-25]。導(dǎo)致白堊紀大洋紅層致色的礦物為鐵氧化物(赤鐵礦和針鐵礦)， 在沉積物-水界面存在大量溶解氧的情況下， 二價鐵被氧化形成微細的鐵氧化物(赤鐵礦和針鐵礦)， 成巖階段針鐵礦發(fā)生脫水作用轉(zhuǎn)變?yōu)槌噼F礦[7，25-26]。

與白堊紀大洋紅層相對較高的沉積速率有著明顯不同， 新近紀大洋紅層對應(yīng)了較低的沉積速率。本文收集了19個鉆井的沉積物沉積速率， 對比每個鉆井中新近紀大洋紅層和非紅層沉積物的沉積速率(圖6)。新近紀大洋紅層沉積速率最低為0.5 mm/ka，最高為8.5 mm/ka， 平均為4 mm/ka， 而非紅層的白色和灰綠色沉積物的沉積速率平均高達85.3 mm/ka。每個鉆井中的新近紀大洋紅層的沉積速率均低于同鉆井中非紅層沉積物的沉積速率。Gleason等對北太平洋EW9709-1P站位中大洋紅層中的魚牙化石進行Sr同位素定年， 測得該地區(qū)在新近紀以0.6 mm/ka的極低速率沉積大洋紅層[27]。

通常大洋沉積物中反映生物生產(chǎn)力的兩個重要指標是沉積物的總有機碳含量和CaCO3含量， 總有機碳含量高值被認為與高生物生產(chǎn)力相關(guān)， 反之總有機碳含量低值常被看作是低生產(chǎn)力的結(jié)果， 而且鈣質(zhì)生物含量的差別會造成CaCO3含量的差異[28-29]。在整理出的12個鉆井中， 新近紀大洋紅層的CaCO3平均含量最高為34.9%， 最低為0.2%， 而非紅層的白色和灰綠色沉積物的CaCO3平均含量最大值為75.9%，最小值為4.3%(表3)。每個鉆井中新近紀大洋紅層的CaCO3含量都低于同鉆井中非紅層沉積物的CaCO3含量。新近紀大洋紅層的總有機碳含量平均值最高為0.36%， 最低僅為0.06%。因此本文認為低生物生產(chǎn)力是造成新近紀大洋紅層的低CaCO3含量的主要因素。Macleod等[29]研究發(fā)現(xiàn)當生物生產(chǎn)力低時， 出現(xiàn)底棲有孔蟲δ13C高值和浮游有孔蟲δ13C低值， 轉(zhuǎn)移到底部的有機碳相對較少， 這與新近紀大洋紅層的總有機碳含量較低[30]是相符的。在開闊的深海環(huán)境中， 低生物生產(chǎn)力和低沉積速率會導(dǎo)致低有機質(zhì)堆積速率。這個條件引起生物對氧氣的需求量下降， 有機質(zhì)降解消耗氧的速率小于氧擴散到沉積物中的速率， 使早期的成巖環(huán)境處于氧化條件下。所以本文根據(jù)現(xiàn)有數(shù)據(jù)和資料， 認為新近紀大洋紅層對應(yīng)的低有機質(zhì)堆積速率，為致色鐵氧化物的形成提供了有利的氧化條件， 使得沉積物中的鐵氧化物在成巖階段得以保存， 形成全球分布的新近紀大洋紅層。

6 結(jié)論

通過對全球大洋鉆井井位資料的整理， 發(fā)現(xiàn)39個含新近紀大洋紅層的鉆井， 使用新近紀大洋紅層離散樣品的主量元素含量進行三元圖投點分析， 求解反射光譜一階導(dǎo)數(shù)， 并對鉆井樣品的顏色和磁化率變化、退磁曲線變化進行了系統(tǒng)總結(jié)和分析， 得出以下幾點結(jié)論：

(1) 新近紀大洋紅層的顏色以黃棕色-棕色-紅色為主， 主要為黏土和黏土巖， 其大量分布于太平洋，少量分布于大西洋， 零星分布在南大洋、印度洋和北冰洋。新近紀大洋紅層出現(xiàn)的高峰期可能為中新世，整體呈現(xiàn)從新近紀早期到晚期逐漸減少的特征。

(2) 依據(jù)鉆井中新近紀大洋紅層樣品主量元素含量分析， 新近紀大洋紅層類型主要為鋁質(zhì)， 少量為鈣質(zhì)， 未見硅質(zhì)類型， 鋁質(zhì)大洋紅層可以作為新近紀大洋紅層的典型代表。樣品的磁化率、反射光譜一階導(dǎo)數(shù)和退磁數(shù)據(jù)均表明赤鐵礦是新近紀大洋紅層的致色礦物。

(3) 依據(jù)大洋鉆探鉆井中新近紀大洋紅層的沉積環(huán)境和物理屬性變化特征， 提出新近紀大洋紅層中致色鐵氧化物是在低沉積速率(平均4 mm/ka)和低生物生產(chǎn)力共同作用導(dǎo)致的低有機質(zhì)堆積速率條件下生成， 并在氧化環(huán)境下得以保存和致色， 最終形成新近紀大洋紅層。