南海北部晚漸新世與早中新世之交T60構造運動的古水深響應

王乙晶，金海燕*，翦知湣，徐娟

( 1. 同濟大學 海洋地質國家重點實驗室，上海 200092)

1 引言

南海作為西太平洋最大的邊緣海，其形成和演化過程已成為最近幾年研究的熱點。前人的研究表明，早在始新世時期，南海北部就出現了初期的張裂擴張和海相沉積[1]，之后南海經歷多階段的張裂過程最終形成深海環境。在南海張裂過程中，構造運動造成的痕跡被記錄在地質記錄中，其中晚漸新世-早中新世時期的T60 破裂不整合面廣泛分布于整個南海。這類地震反射界面是由于在不同年代地層的物性不同，所得到的地震反射波的強度存在差異，因而通過一系列不同的地震反射波信號來判斷其存在的構造運動界面[2]。這種界面具有沉積不連續的特點，受到構造運動導致的洋盆擴張以及古水深變化，適合研究包括海平面升降等許多科學問題。

由美國“JOIDES·決心”號科考船執行的國際大洋發現計劃（IODP）第368 航次于2017 年2 月7 日至6 月9 日在南海北部海域順利完成。該航次首次在南海北部深水區U1501 站位獲得了從陸相到深海相的連續沉積，對于研究南海從陸到海的演化過程有著重要意義。U1501 鉆孔的巖芯資料[3]顯示了T60 界面的存在，并且其上下巖性發生了極大變化，說明當時的構造運動強烈，T60 界面附近呈現的滑塌沉積構造以及多次沉積旋回指示著當時沉積環境極為不穩定。前人通過各項元素、同位素、黏土礦物及有孔蟲指標等證據反映出當時由于構造運動導致南海北部的沉積古環境水深逐漸加深，大范圍沉降出現，剝蝕區向著華南古陸內部推移[4-5]，T60 構造運動之后，南海發生快速沉降，整體逐步演變為深海環境。以往對于南海北部T60 地震反射界面的研究多偏向于構造運動方面，而該時期的古環境如海洋表層生產力、水深變化以及陸源物質輸入變化等較少涉及。特別是對于該時期構造運動造成的古水深變化大多為定性描述，尚缺少海洋微體化石的統計數據支持。因此本文選取IODP 368 航次在南海北部鉆取的U1501 站位樣品，利用有孔蟲化石來恢復古水深的變化，探討南海海盆張裂演化過程中古水深對T60 構造運動的響應。

2 材料與方法

2.1 樣品材料

本文中的材料取自于IODP368 航次的U1501 站位。U1501 站位位于南海北部的外緣隆起位置（18°53.09′N, 115°45.95′E[6], 圖1），水深約2 845.8 m。鉆取的巖芯沉積物由微體化石的黏土物質、泥巖、砂巖等組成，通過鈣質超微化石和古地磁學數據推測樣品的底部年齡約為34 Ma。本文選取的樣品為U1501站位C 孔，其中鈣質微體化石井深0～302.5 m 保存較為良好，302.5～350.4 m 保存較差。該孔的T60 深度出現在井深302～304 m 附近，T60 不整合面上的滑塌沉積清晰可見，界面上下樣品中微體化石，特別是有孔蟲的保存度存在較為明顯的差異性，反映當時的沉積環境發生顯著變化（圖2）。采用Sr 同位素地層學，結合浮游有孔蟲和超微化石地層學，初步確定U1501孔的T60 年齡在24～28 Ma 之間，在南海至少有4 Ma的地層記錄被構造運動剝蝕掉了[6-7]。鏡下觀察時，井深302.5 m 之上的有孔蟲樣品經過清洗處理后較為干凈，而302.5 m 以下的樣品明顯較難洗凈，在鏡下較難觀察到大量的有孔蟲樣品。

圖1 IODP 368 航次南海U1501 站位Fig. 1 The location of Site U1501 of the IODP 368 in the South China Sea

2.2 實驗方法

2.2.1 有孔蟲殼體Sr 同位素測試

Sr 同位素在海水的滯留時間長達4×106a，超出了千年尺度的海水混合時間，因而可以認為Sr 同位素在海水中是均勻分布的，海水的Sr 同位素值在同一時期內具有一個固定值[8-9]。基于此，我們可以通過測試有孔蟲殼體中的Sr 同位素比值來進行沉積物年齡的定年[10]，近年來利用大洋鉆探巖芯展開了較多對于Sr 同位素的測試以及全球Sr 同位素曲線的擬合和繪制[11]，進而與現有的海水年齡進行比較，重建樣品沉積時期的古海水年齡。

本文選取IODP368 航次U1501 站位C 孔井深范圍為302.5～331.1 m 的10 個樣品，在同濟大學海洋地質國家重點實驗室進行了有孔蟲Sr 同位素測試，使用的儀器型號為LA-MC-ICP-MS, Neptune Plus，測試精度為1 SE＜10×10-6。

2.2.2 有機碳含量、碳氮比值以及碳酸鈣含量測試

一般來說，有機碳含量變化可以用于反映海水表層初級生產力的變化[12-13]，而碳氮比值以及碳酸鈣含量變化可以用于反映陸源物質輸入的變化[14-15]，這3 項指標都與海洋古環境的變化息息相關。

本文選取U1501 站位C 孔井深范圍為264.0～331.1 m 的樣品，取樣間隔為60 cm，共111 個樣品。在同濟大學海洋地質國家重點實驗室進行了有機碳含量、碳氮比值以及碳酸鈣含量測試，使用的儀器型號為有機元素分析儀VavioELcubeCN，檢測精度為：C、N 標準偏差小于等于0.1%，得到的結果計算處理后可以得到無機碳（碳酸鈣）的含量，并通過測試結果得到有機碳含量以及碳氮比值的相應數據。

其中碳酸鈣含量的相關計算過程如下：

假設測試得到的總碳百分含量是P1%，第二次測試得到的除去無機碳（碳酸鹽）后的有機碳百分含量為P2%，設全巖無機碳的含量為IC%，有機碳的含量為OC%，全巖總量為100%。

得到OC%，再將其代入公式（1）可以得到IC%。

碳酸鈣的含量可以根據C、O、Ca 元素的相對原子質量得到：

2.2.3 有孔蟲殼體穩定氧碳同位素測試

本次選取用于測試有孔蟲殼體穩定氧碳同位素的樣品47 個，井深范圍為297.4～306.9 m，取樣間隔為20 cm。

首先選取適合的浮游有孔蟲屬種。鏡下觀察得知，在井深范圍為297.4～306.9 m 內浮游有孔蟲組合以Paragloborotalia opima為主，文獻中指示其出現的年代主要在晚漸新世[16]。而對于更年輕的地層，則是以P. kugleri出現居多[17]。本文中主要挑選P. opima開展氧碳穩定同位素測試，但在井深302.5 m 以下，由于樣品污染較嚴重難以挑選到大量干凈的P. opima樣品，則選用了其他表層水屬種進行替代測試。

適合的底棲有孔蟲的選取，以往大多會選Cibicidoides wuellerstorfi，它的殼體是一種常見的用來測試氧碳同位素的表生種，大多數分布于半深海環境。但是由于該種的生存年代為中中新世-現代[18]，因此在本次實驗中我們選擇C. wuellerstorfi的兩個同屬異種—C. mundulus和C. pachyderma進行相關指標的測試。這兩種底棲有孔蟲同為表生種，其氧碳同位素值非常近似，其中C. mundulus生活在半深海到深海環境，從早漸新世—現代都有出現；而C. pachyderma生存于半深海以淺的水深，同樣在早漸新世—現代都有出現[19]。

最終通過鏡下觀察選取了47 個樣品，每個樣品中選取干凈、完整的8～10 枚浮游有孔蟲殼體和2～4 枚底棲有孔蟲殼體進行測試。樣品預處理和測試均在同濟大學海洋地質國家重點實驗室完成，穩定同位素測試利用穩定同位素質譜儀MAT 252 進行，分析精度采用中國國家標樣GBW04405 檢測，分析檢測的δ13C 標準偏差為0.04‰，δ18O 標準偏差為0.07‰。

2.2.4 有孔蟲豐度統計

有孔蟲的相對豐度可以反映海水水深的變化，如浮游有孔蟲與底棲有孔蟲的比值，若比值較高，則說明水深較深[20]。本文鑒定了U1501 站位井深范圍為297.4～306.9 m 內的47 個樣品中的有孔蟲屬種，分別統計其中的底棲有孔蟲和浮游有孔蟲的數量，得到浮游有孔蟲的相對豐度指標。

2.2.5 底棲有孔蟲群落組合分析

不同的底棲有孔蟲屬種在海水中分布于不同的水深，因此分析底棲有孔蟲的群落組合，可以為研究古水深提供直接的證據。本次工作鑒定統計了U1501站位井深范圍297.4～306.9 m 內的47 個樣品中的底棲有孔蟲，屬種鑒定參考文獻[19-20]，本文樣品中鑒定的底棲有孔蟲常見屬種見表1。

表1 U1501 站位常見底棲有孔蟲屬及其對應水深分布Table 1 The identified benthic foraminifera and its distribution with water depth at Site U1501

3 結果與討論

3.1 T60 年齡界定

本次研究涉及到的樣品地層年齡界定利用兩種方法確定。井深302.5 m 之上的浮游有孔蟲保存情況較好，可以利用有孔蟲殼體穩定氧同位素數據對比全球有孔蟲的氧同位素地層年齡而建立得到，最終得出井深為264.0～302.5 m 范圍的樣品，對應的年齡在20.3～24.2 Ma。

井深302.5 m 之下的樣品有孔蟲保存較差且主要為底棲有孔蟲，則利用有孔蟲殼體Sr 同位素進行定年。前人研究確定U1501 站位的T60 地震反射界面的頂界約在24 Ma，底界年齡測得在28～30 Ma 附近，指示至少出現4 Ma 的沉積間斷[6,21]。本次研究補充測試T60 深度前的10 個Sr 同位素數據[6]，通過對比得到該站位井深302.5～331.1 m 對應的年齡在30.5～32.0 Ma，則T60 深度對應著24.2～30.5 Ma 之間6 Ma的沉積間斷（圖3）。

圖3 U1501 站有孔蟲殼體Sr 同位素年齡（井深范圍為302.5～331.1 m）Fig. 3 The foraminifera Sr isotopic age calibration of Site U1501 (core depth ranges from 302.5 m to 331.1 m)

3.2 表層生產力變化

沉積物中有機碳含量（TOC）的變化是重建表層海水輸出生產力的重要指標[22]，由于生物泵作用，海洋表層初級生產力的光合作用將無機的CO2轉化為有機碳，表層初級生產力與有機碳含量是密不可分的。此外，底棲有孔蟲殼體的穩定碳同位素δ13C 值也可以在一定程度上指示海洋表層初級生產力，這同樣與生物泵的作用密不可分，陸源營養物質的輸入會使得海水表層生產力產生變化，一般情況下，海水表層生產力上升，由于生物光合作用多吸收12C，導致表層海水的碳同位素比值上升，浮游有孔蟲殼體的碳同位素比值相應變大；當生物沉降過程中發生降解放出12C，隨著水深加深底棲有孔蟲殼體的碳同位素比值減小[23-24]。因此底棲有孔蟲殼體中δ13C 值的大小可以指示海水表層生產力的高低，同理底棲與浮游有孔蟲殼體碳同位素的差值（Δδ13CP-B）也可以用于反映區域表層生產力，一般差值越大，指示海水表層生產力越高[25-27]。

圖4a 顯示了U1501 站位井深264.0～331.1 m 的有機碳含量變化，可以看出，在T60 所在的深度附近，有機碳含量發生急劇降低的變化，并且以T60 深度為界，有機碳含量由總體偏高轉變為總體偏低，反映了海洋生產力總體降低的趨勢。圖4b、圖4c 顯示了T60 深度附近（297.4～306.9 m）底棲有孔蟲碳同位素δ13C 和浮游與底棲有孔蟲碳同位素差值Δδ13CP-B的變化，可以看出底棲有孔蟲的δ13C 值在T60 之后明顯上升，由原先的變化范圍-2‰～0 上升到0.5‰左右，指示了T60 前后海洋表層生產力的降低。圖4c 浮游與底棲有孔蟲δ13C 差值在T60 前后雖沒有特別明顯的差異，但整體呈減小趨勢，由原先的變化范圍0.3‰～1.4‰下降到0～0.8‰，也說明了表層生產力的下降。

圖4 U1501 站位T60 界面上下有機碳含量（a）、底棲有孔蟲穩定碳同位素δ13C（b）以及浮游與底棲有孔蟲δ13C 差值（c）變化曲線Fig. 4 The variation of organic carbon content (a), benthic foraminifera δ13C (b) and the difference between planktonic and benthic foraminifera δ13C (c) below and above the T60 at Site U1501

海洋表層生產力的變化受到海洋自源的生產力和陸源的物質輸入兩大因素的影響，在南海北部陸源物質輸入的影響較大，使得南海北部碳酸鹽的保存更多地受控于稀釋作用[28-29]。U1501 站位井深264.0～302.5 m 的碳酸鈣含量在T60 前后發生較大變化，由之前的10%～30%上升到之后的40%～70%（圖5a），結合前述3 個指標揭示的表層生產力降低的結論，不難得出碳酸鹽含量的增大是由于稀釋作用的減弱，即陸源物質的輸入減少造成的。這一點同樣反映在有機碳/氮比值上，海相的浮游生物的碳氮比值較低，一般情況下比值在個位數；而陸生高等植物的碳氮比值相對要高得多，因此這一指標常被用來指示陸源物質輸入的變化[15,29]。從圖5b 可以看出，有機碳/氮比值在T60 之后整體呈現下降趨勢，平均值由T60 之前的6.26 減小為5.08，指示著來自陸源信號的減弱。上述兩個指標反映的陸源信號減弱與32～23 Ma 間南海發生的強烈構造運動有關。前人在ODP1148 站位的相關研究發現32.8～30 Ma 是南海北部沉積速率最大的時期[4]，與本次研究的U1501 站位在30.5～24.2 Ma出現的6 Ma 的沉積間斷時間較為一致，說明該時期南海構造活動十分活躍。特別是在25 Ma 前后，南海擴張軸發生“南躍”，構造活動逐漸變弱，陸緣剝蝕也逐漸穩定發育，隨著古珠江流域的擴張加大，剝蝕區范圍逐步擴大，由地塊邊緣地區逐漸向較老的華南古陸內部推移，漸漸遠離海岸帶中生代火山島弧巖系，說明了陸源輸入的源區距離變遠[5]，反映了T60 之后U1501 站位接受的陸源物質（包括營養鹽）輸入減少的過程。

圖5 U1501 站位 T60 附近碳酸鈣含量（a）、有機碳/氮比值（b）以及浮游有孔蟲相對豐度變化（c）曲線Fig. 5 The variation of carbonate content (a)、carbon nitrogen ratio (b) and relative abundance of planktonic foraminifera (c) below and above the T60 at Site U1501

3.3 古水深變化

有孔蟲豐度變化是研究古海洋環境變化的一個常用指標[13,30]，其中浮游有孔蟲的相對豐度是反映水深變化的重要指標之一，一般而言深海環境中浮游有孔蟲的相對豐度越大指示水深較深。在圖5c 中，在T60 深度之下，浮游有孔蟲相對豐度在20%～55%左右，T60 之后快速上升至90%以上，說明當時的水深快速加深，沉積環境的變化導致了原陸坡環境生存的底棲有孔蟲數量急劇減少。

在古海洋研究中，底棲有孔蟲也常被用來作為古水深的標志[31]，南海北部陸架的底棲有孔蟲大多按水深呈帶狀分布[20]，ODP 1148 站曾分析沉積物中底棲有孔蟲的3 種組合，顯示自漸新世以來經歷了一個海水逐漸加深的過程[5]。本文中，U1501 站位水深環境的變化同樣反映在底棲有孔蟲群落組成上。在T60 之前（井深302.5～306.9 m），底棲有孔蟲數量較少，整體豐度較低，每個樣品中含有完整的有孔蟲殼體個數為80～120 個。該時期的底棲有孔蟲屬種中，Cibicidoides為最主要屬，其相對平均豐度可達31.17%；其次的屬是Dentalina和Nodosaria，平均相對豐度分別為16.14%和15.26%。其余屬的平均相對豐度均小于10%，按照屬的相對豐度大小排列依次為：Bolivina、Bulimina、Spiroplectammina、Siphotextularia、Melonis以及Oolina，相對豐度大小分別為8.90%、7.57%、6.23%、5.86%、5.18%以及3.69%，Hormosina在T60 之前的樣品中并未出現。底棲有孔蟲的屬中，Cibicidoides的水深分布較廣，淺海-深海均有分布；Nodosaria、Melonis、Oolina主要生活在半深海陸坡環境，Dentalina、Bolivina、Bulimina、Siphotextularia分布在淺海陸架-半深海陸坡，而Spiroplectammina主要分布于半深海陸坡-深海環境[18-19]；由于這些屬主要在半深海分布，因此群落組成指示T60 之前U1501 站位處于半深海-陸坡環境（圖6）。

圖6 U1501 站位 T60 界面附近底棲有孔蟲群落組合的豐度變化Fig. 6 The variation of the abundance of benthic foraminifera community near the reflector T60 at Site U1501

在T60 之后（井深297.4～302.5 m），底棲有孔蟲數量仍然較少，總豐度不高，每個樣品中含有完整的有孔蟲殼體個數為60～100 個，最主要屬仍為Cibicidoides，其平均相對豐度可達68.18%；其次的屬是Dentalia，它的平均相對豐度為8.67%；然后是Hormosina，它的平均相對豐度為7.99%，值得注意的是在T60 之前的樣品中并沒有出現該屬；其余屬平均相對豐度均小于5%，按照屬的相對豐度大小排列依次為：Nodosaria、Melonis、Bulimina、Siphotextularia、Bolivina、Oolina以及Spiroplectammina，相對豐度大小分別為4.90%、2.74%、2.62%、1.64%、1.52%、1.04%以及0.70%。其中指示淺海陸架-半深海陸坡環境的屬其相對平均豐度顯著下降，如Bulimina（7.57%→2.62%）、Bolivina（8.90%→1.52%）等；同時，指示半深海陸坡環境的屬其平均相對豐度也有所下降，如Melonis（5.18%→2.74%）等；而指示深海環境的屬如Hormosina僅在T60 之后出現，因此可以反映T60 后南海水深加深的過程（圖6）。

4 結論

（1）本文中結合有孔蟲殼體氧同位素及Sr 同位素建立起南海北部U1501 站位井深264.0～331.1 m 的地層年齡，約為距今20.3～32.0 Ma，其中24.2～30.5 Ma間存在約6 Ma 的沉積間斷，即地震反射界面T60 的所在位置（井深約為302.5～303.2 m）。

（2）有機碳含量和底棲有孔蟲的δ13C 值在T60 前后變化明顯，T60 之后有機碳含量明顯下降，而底棲有孔蟲的δ13C 值則明顯上升；同時，浮游與底棲有孔蟲碳同位素差值Δδ13CP-B整體呈下降趨勢，這3 個指標的變化一致表明了T60 之后海水表層生產力的下降。

（3）碳酸鈣含量在T60 之后明顯增加，有機碳/氮比值的變化呈現出整體下降的趨勢，這兩個指標均指示來自陸源的稀釋作用的減弱，對比相鄰ODP1148站研究成果，反映出當時U1501 站位離陸源輸入源區距離變遠，接受到的陸源物質輸入減少的過程。

（4）浮游有孔蟲相對豐度在T60 后急劇上升，這種相對含量的增加與沉積環境的變化導致底棲有孔蟲的數量減少有關，是水深變深的信號。此外，該站位T60 界面附近的底棲有孔蟲群落組合分析表明：在T60 之前，以指示半深海陸坡環境的Nodosaria、Melonis、Oolina以及指示淺海陸架-半深海陸坡環境的Dentalina、Bolivina、Bulimina、Siphotextularia為主；T60 之后，深海標志屬Hormosina的出現以及淺海陸架-半深海陸坡指示屬的減少，同樣反映出U1501 站位水深逐漸加深的過程，這種水深的變化是對當時南海北部大范圍的構造沉降運動的響應。

致謝：感謝國際大洋發現計劃（IODP）第368 航次提供本次工作的樣品。感謝翦知湣教授、萬隨博士等對論文提出的建議及指導，徐娟及其他實驗室老師為論文提供的實驗協助，楊策關于論文數據的討論，在此一并致謝。