地层中化学元素在海平面变化中的响应

孙志强

摘 要： 海平面变化分为全球性的海平面变化和区域性的海平面变化，而引起海平面变化的原因主要为构造运动等因素，在海平面变化过程中保存在地层中的各种化学元素记录了其变化过程，通过对前人研究的总结，化学元素对海平面变化的响应，主要有锶、碳、氧以及各种微量元素，这些元素含量和比例随海平面的变化而随之发生改变。

关键词： 海平面变化;化学元素;构造运动

【中图分类号】P512.32     【文献标识码】A     【文章编号】1674-3733（2020）11-0261-01

古海平面变化的研究与层序地层学的发展相关，Peter Vail等将沉积层序的形成解释为：“在世界上大多数地方，那些地震剖面上所识别出的、且造成层序界面重复性的基准面变化，应该归因于海平面变化”。[1]随后Vail等人通过地震地层学和层序地层学，Vail等人根据沉积物上超的垂向分量来建立了全球海平面变化曲线。

对于海平面变化是否具有全球可对比性，需要对对全球同期内多个剖面的进行海平面变化曲线进行对比和多种研究方法进行对比，当前研究海平面变化和古水深的研究方法主要为同位素法、层序地层学法、古生物法、微量元素法、磁化率法、生物焦法等。

1 全球性和区域性的海平面变化

1.1 全球构造运动

全球构造运动，它们影响地球表面的海陆分布和大洋容积，决定地史中较大幅度的海平面变化。根据板块构造研究结果认为，海底擴张和大陆解体可形成全球性海平面上升，反之则下降，也就是说，大陆联合期与全球海平面低水位期一致;大陆离散期与全球海平面高水位期一致。局部的构造运动包括褶皱、断裂活动、山地隆起、盆地沉降和火山喷发等，都是地壳运动的表现，都可引起区域相对海平面变化，甚至还可造成全球性的海平面变化。气候对海平面影响，近年来得到很大加强，它的影响作用并不亚于全球构造运动。造山运动是一个缓慢形成过程，它所造成的海平面变化都比较大，河流径流量和陆源碎屑的大量供应（沉积物的供应速率），在河口、大陆架地区对海平面相对变化的影响也相当重要。[2]

1.2 区域构造运动

当区域构造事件小于全球海平面变化作用的强度时，区域海平面变化特征受全球绝对海平面变化的控制，与全球海进、海退同步，其沉积特征与全球相一致，局部的地质场可以放到全球地质统一场中认识问题。当一个区域构造事件大于全球海平面变化的强度时，其相对海平面变化会与全球绝对海平面变化极不协调，其海平面变化特征往往与全球海平面变化特征相反或者其变化幅度远远大于全球性的海平面变化幅度。因为区域性的海进和海退可能属于相对海平面变化，可能受盆地基底升降、沉积物供给速率、可容空间、气候等影响，不等同于全球（ 绝对） 海平面变化，要提出全球海平面变化的观点，需要有全球范围内多个剖面的对比。[3]

2 化学方法

2.1 锶同位素

锶同位素的原理主要是，在海平面下降后，陆壳出露面积变大，在陆壳中的锶元素（87Sr）通过风化剥蚀作用、搬运作用进入到海洋中导致海洋中碳酸盐的87Sr/86Sr比值升高，反之如果海平面上升则降低，两者呈负相关。

海水的锶同位素，其随时间的变化主要受两个来源的锶的控制：1）由大陆古老的硅铝质岩石化学风化作用通过河流向海水提供的相对富放射性成因的锶，具较高的87Sr/ 86Sr比值。2）由洋中脊热液系统向海水提供的相对贫放射性成因的锶，具较低的87Sr/ 86Sr比值。因此，地质历史中海水锶同位素的组成和变化，或者说代表原始海水组成的海相内源沉积物（主要是碳酸盐、硫酸盐和磷酸盐等）锶同位素的组成和变化是全球海平面的灵敏指示剂。[4]

2.2 碳同位素

碳同位素，生物有机质具有相对较低的δ13C值，在相对深水区，有机质易于保存，当其氧化形成的CO2加入碳酸盐时，必然要降低碳酸盐的δ13C值，因而深水碳酸盐具有相对偏低的δ13C值。在正常的海洋环境中，相对浅水区由于有机质氧化逸散不易保存，故形成的碳酸盐具有相对较高的δ13C值;依据这一原理，可将δ13C值偏负的程度作为古水深的判别标志之一。即δ13C值大小与古水深之间存在着负相关关系。

2.3 氧同位素

碳、氧同位素可作为全球海平面相对变化指标据大量研究表明，海相碳酸盐沉积物的氧同位素δ18O 的变化主要反映了冰川消长引起的全球性海平面相对变化。一般地，δ18O变重反映了冰川生长及全球海平面下降，反之则反映冰川消溶及全球海平面上升。其原理是冰川的形成会从海水中带走更多的16O，进 而 使 残 留 于 海 水 中 的18O 更多，使 δ18O 值即18O/16O 的比值变重。

2.4 微量元素法

利用微量元素特征确定海平面变化多种微量元素可以用来作为古水深的直接或间接的判别标志，列如Mn、Ni、V、Cr 4种元素。已有研究表明，海相泥、页岩和泥晶灰岩中Mn或MnO含量比陆相同类岩性中要高得多，在海盆中心要比岸边高得多。所以，可以把泥、页岩与泥晶灰岩中的Mn或MnO含量作为离岸远近的指标用来推测古水深。Ni、V、Cr在正常海水中主要以粘土吸附形式存在，粘土矿物的含量具有随水深及离岸距离的增大而增高，从而导致Ni、V、Cr的含量与古水深的变化呈正相关关系。

3 结论

海平面变化的化学方法研究主要是根据各种元素在海平面变化过程中的响应。在海平面变化过程中锶同位素的原理主要是，在海平面下降后，陆壳出露面积变大，在陆壳中的锶元素（87Sr）通过风化剥蚀作用、搬运作用进入到海洋中导致海洋中碳酸盐的87Sr/86Sr比值升高，反之如果海平面上升则降低，两者呈负相关。碳元素主要是δ13C值大小与古水深之间存在着负相关关系。氧元素其原理是冰川的形成会从海水中带走更多的16O，进 而 使 残 留 于 海 水 中 的18O 更多，使 δ18O 值即18O/16O 的比值变重。微量元素主要是粘土矿物的含量具有随水深及离岸距离的增大而增高，从而导致Ni、V、Cr的含量与古水深的变化呈正相关关系。

参考文献

[1] 梅冥相.从沉积层序到海平面变化层序——层序地层学一个重要的新进展[J].地层学杂志，2015，39（01）：58-73.

[2] 侯明才，陈洪德，田景春.层序地层学的研究进展[J].矿物岩石，2001（03）：128-134.

[3] 宋虎跃，童金南，田力，宋海军，邱海鸥，朱园园，Thomas J ALGEO.南盘江地区二叠纪-三叠纪之交浅水台地古氧相研究[J].中国科学：地球科学，2014，44（06）：1273-1282.

[4] 黄思静，石和，张萌，沈立成，刘洁，武文慧.上扬子石炭—二叠纪海相碳酸盐的锶同位素演化与全球海平面变化[J].沉积学报，2001（04）：481-487.