南海北部晚渐新世与早中新世之交T60构造运动的古水深响应

王乙晶，金海燕*，翦知湣，徐娟

( 1. 同济大学 海洋地质国家重点实验室，上海 200092)

1 引言

南海作为西太平洋最大的边缘海，其形成和演化过程已成为最近几年研究的热点。前人的研究表明，早在始新世时期，南海北部就出现了初期的张裂扩张和海相沉积[1]，之后南海经历多阶段的张裂过程最终形成深海环境。在南海张裂过程中，构造运动造成的痕迹被记录在地质记录中，其中晚渐新世-早中新世时期的T60 破裂不整合面广泛分布于整个南海。这类地震反射界面是由于在不同年代地层的物性不同，所得到的地震反射波的强度存在差异，因而通过一系列不同的地震反射波信号来判断其存在的构造运动界面[2]。这种界面具有沉积不连续的特点，受到构造运动导致的洋盆扩张以及古水深变化，适合研究包括海平面升降等许多科学问题。

由美国“JOIDES·决心”号科考船执行的国际大洋发现计划（IODP）第368 航次于2017 年2 月7 日至6 月9 日在南海北部海域顺利完成。该航次首次在南海北部深水区U1501 站位获得了从陆相到深海相的连续沉积，对于研究南海从陆到海的演化过程有着重要意义。U1501 钻孔的岩芯资料[3]显示了T60 界面的存在，并且其上下岩性发生了极大变化，说明当时的构造运动强烈，T60 界面附近呈现的滑塌沉积构造以及多次沉积旋回指示着当时沉积环境极为不稳定。前人通过各项元素、同位素、黏土矿物及有孔虫指标等证据反映出当时由于构造运动导致南海北部的沉积古环境水深逐渐加深，大范围沉降出现，剥蚀区向着华南古陆内部推移[4-5]，T60 构造运动之后，南海发生快速沉降，整体逐步演变为深海环境。以往对于南海北部T60 地震反射界面的研究多偏向于构造运动方面，而该时期的古环境如海洋表层生产力、水深变化以及陆源物质输入变化等较少涉及。特别是对于该时期构造运动造成的古水深变化大多为定性描述，尚缺少海洋微体化石的统计数据支持。因此本文选取IODP 368 航次在南海北部钻取的U1501 站位样品，利用有孔虫化石来恢复古水深的变化，探讨南海海盆张裂演化过程中古水深对T60 构造运动的响应。

2 材料与方法

2.1 样品材料

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缘隆起位置（18°53.09′N, 115°45.95′E[6], 图1），水深约2 845.8 m。钻取的岩芯沉积物由微体化石的黏土物质、泥岩、砂岩等组成，通过钙质超微化石和古地磁学数据推测样品的底部年龄约为34 Ma。本文选取的样品为U1501站位C 孔，其中钙质微体化石井深0～302.5 m 保存较为良好，302.5～350.4 m 保存较差。该孔的T60 深度出现在井深302～304 m 附近，T60 不整合面上的滑塌沉积清晰可见，界面上下样品中微体化石，特别是有孔虫的保存度存在较为明显的差异性，反映当时的沉积环境发生显著变化（图2）。采用Sr 同位素地层学，结合浮游有孔虫和超微化石地层学，初步确定U1501孔的T60 年龄在24～28 Ma 之间，在南海至少有4 Ma的地层记录被构造运动剥蚀掉了[6-7]。镜下观察时，井深302.5 m 之上的有孔虫样品经过清洗处理后较为干净，而302.5 m 以下的样品明显较难洗净，在镜下较难观察到大量的有孔虫样品。

图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 实验方法

2.2.1 有孔虫壳体Sr 同位素测试

Sr 同位素在海水的滞留时间长达4×106a，超出了千年尺度的海水混合时间，因而可以认为Sr 同位素在海水中是均匀分布的，海水的Sr 同位素值在同一时期内具有一个固定值[8-9]。基于此，我们可以通过测试有孔虫壳体中的Sr 同位素比值来进行沉积物年龄的定年[10]，近年来利用大洋钻探岩芯展开了较多对于Sr 同位素的测试以及全球Sr 同位素曲线的拟合和绘制[11]，进而与现有的海水年龄进行比较，重建样品沉积时期的古海水年龄。

本文选取IODP368 航次U1501 站位C 孔井深范围为302.5～331.1 m 的10 个样品，在同济大学海洋地质国家重点实验室进行了有孔虫Sr 同位素测试，使用的仪器型号为LA-MC-ICP-MS, Neptune Plus，测试精度为1 SE＜10×10-6。

2.2.2 有机碳含量、碳氮比值以及碳酸钙含量测试

一般来说，有机碳含量变化可以用于反映海水表层初级生产力的变化[12-13]，而碳氮比值以及碳酸钙含量变化可以用于反映陆源物质输入的变化[14-15]，这3 项指标都与海洋古环境的变化息息相关。

本文选取U1501 站位C 孔井深范围为264.0～331.1 m 的样品，取样间隔为60 cm，共111 个样品。在同济大学海洋地质国家重点实验室进行了有机碳含量、碳氮比值以及碳酸钙含量测试，使用的仪器型号为有机元素分析仪VavioELcubeCN，检测精度为：C、N 标准偏差小于等于0.1%，得到的结果计算处理后可以得到无机碳（碳酸钙）的含量，并通过测试结果得到有机碳含量以及碳氮比值的相应数据。

其中碳酸钙含量的相关计算过程如下：

假设测试得到的总碳百分含量是P1%，第二次测试得到的除去无机碳（碳酸盐）后的有机碳百分含量为P2%，设全岩无机碳的含量为IC%，有机碳的含量为OC%，全岩总量为100%。

得到OC%，再将其代入公式（1）可以得到IC%。

碳酸钙的含量可以根据C、O、Ca 元素的相对原子质量得到：

2.2.3 有孔虫壳体稳定氧碳同位素测试

本次选取用于测试有孔虫壳体稳定氧碳同位素的样品47 个，井深范围为297.4～306.9 m，取样间隔为20 cm。

首先选取适合的浮游有孔虫属种。镜下观察得知，在井深范围为297.4～306.9 m 内浮游有孔虫组合以Paragloborotalia opima为主，文献中指示其出现的年代主要在晚渐新世[16]。而对于更年轻的地层，则是以P. kugleri出现居多[17]。本文中主要挑选P. opima开展氧碳稳定同位素测试，但在井深302.5 m 以下，由于样品污染较严重难以挑选到大量干净的P. opima样品，则选用了其他表层水属种进行替代测试。

适合的底栖有孔虫的选取，以往大多会选Cibicidoides wuellerstorfi，它的壳体是一种常见的用来测试氧碳同位素的表生种，大多数分布于半深海环境。但是由于该种的生存年代为中中新世-现代[18]，因此在本次实验中我们选择C. wuellerstorfi的两个同属异种—C. mundulus和C. pachyderma进行相关指标的测试。这两种底栖有孔虫同为表生种，其氧碳同位素值非常近似，其中C. mundulus生活在半深海到深海环境，从早渐新世—现代都有出现；而C. pachyderma生存于半深海以浅的水深，同样在早渐新世—现代都有出现[19]。

最终通过镜下观察选取了47 个样品，每个样品中选取干净、完整的8～10 枚浮游有孔虫壳体和2～4 枚底栖有孔虫壳体进行测试。样品预处理和测试均在同济大学海洋地质国家重点实验室完成，稳定同位素测试利用稳定同位素质谱仪MAT 252 进行，分析精度采用中国国家标样GBW04405 检测，分析检测的δ13C 标准偏差为0.04‰，δ18O 标准偏差为0.07‰。

2.2.4 有孔虫丰度统计

有孔虫的相对丰度可以反映海水水深的变化，如浮游有孔虫与底栖有孔虫的比值，若比值较高，则说明水深较深[20]。本文鉴定了U1501 站位井深范围为297.4～306.9 m 内的47 个样品中的有孔虫属种，分别统计其中的底栖有孔虫和浮游有孔虫的数量，得到浮游有孔虫的相对丰度指标。

2.2.5 底栖有孔虫群落组合分析

不同的底栖有孔虫属种在海水中分布于不同的水深，因此分析底栖有孔虫的群落组合，可以为研究古水深提供直接的证据。本次工作鉴定统计了U1501站位井深范围297.4～306.9 m 内的47 个样品中的底栖有孔虫，属种鉴定参考文献[19-20]，本文样品中鉴定的底栖有孔虫常见属种见表1。

表1 U1501 站位常见底栖有孔虫属及其对应水深分布Table 1 The identified benthic foraminifera and its distribution with water depth at Site U1501

3 结果与讨论

3.1 T60 年龄界定

本次研究涉及到的样品地层年龄界定利用两种方法确定。井深302.5 m 之上的浮游有孔虫保存情况较好，可以利用有孔虫壳体稳定氧同位素数据对比全球有孔虫的氧同位素地层年龄而建立得到，最终得出井深为264.0～302.5 m 范围的样品，对应的年龄在20.3～24.2 Ma。

井深302.5 m 之下的样品有孔虫保存较差且主要为底栖有孔虫，则利用有孔虫壳体Sr 同位素进行定年。前人研究确定U1501 站位的T60 地震反射界面的顶界约在24 Ma，底界年龄测得在28～30 Ma 附近，指示至少出现4 Ma 的沉积间断[6,21]。本次研究补充测试T60 深度前的10 个Sr 同位素数据[6]，通过对比得到该站位井深302.5～331.1 m 对应的年龄在30.5～32.0 Ma，则T60 深度对应着24.2～30.5 Ma 之间6 Ma的沉积间断（图3）。

图3 U1501 站有孔虫壳体Sr 同位素年龄（井深范围为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 表层生产力变化

沉积物中有机碳含量（TOC）的变化是重建表层海水输出生产力的重要指标[22]，由于生物泵作用，海洋表层初级生产力的光合作用将无机的CO2转化为有机碳，表层初级生产力与有机碳含量是密不可分的。此外，底栖有孔虫壳体的稳定碳同位素δ13C 值也可以在一定程度上指示海洋表层初级生产力，这同样与生物泵的作用密不可分，陆源营养物质的输入会使得海水表层生产力产生变化，一般情况下，海水表层生产力上升，由于生物光合作用多吸收12C，导致表层海水的碳同位素比值上升，浮游有孔虫壳体的碳同位素比值相应变大；当生物沉降过程中发生降解放出12C，随着水深加深底栖有孔虫壳体的碳同位素比值减小[23-24]。因此底栖有孔虫壳体中δ13C 值的大小可以指示海水表层生产力的高低，同理底栖与浮游有孔虫壳体碳同位素的差值（Δδ13CP-B）也可以用于反映区域表层生产力，一般差值越大，指示海水表层生产力越高[25-27]。

图4a 显示了U1501 站位井深264.0～331.1 m 的有机碳含量变化，可以看出，在T60 所在的深度附近，有机碳含量发生急剧降低的变化，并且以T60 深度为界，有机碳含量由总体偏高转变为总体偏低，反映了海洋生产力总体降低的趋势。图4b、图4c 显示了T60 深度附近（297.4～306.9 m）底栖有孔虫碳同位素δ13C 和浮游与底栖有孔虫碳同位素差值Δδ13CP-B的变化，可以看出底栖有孔虫的δ13C 值在T60 之后明显上升，由原先的变化范围-2‰～0 上升到0.5‰左右，指示了T60 前后海洋表层生产力的降低。图4c 浮游与底栖有孔虫δ13C 差值在T60 前后虽没有特别明显的差异，但整体呈减小趋势，由原先的变化范围0.3‰～1.4‰下降到0～0.8‰，也说明了表层生产力的下降。

图4 U1501 站位T60 界面上下有机碳含量（a）、底栖有孔虫稳定碳同位素δ13C（b）以及浮游与底栖有孔虫δ13C 差值（c）变化曲线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

海洋表层生产力的变化受到海洋自源的生产力和陆源的物质输入两大因素的影响，在南海北部陆源物质输入的影响较大，使得南海北部碳酸盐的保存更多地受控于稀释作用[28-29]。U1501 站位井深264.0～302.5 m 的碳酸钙含量在T60 前后发生较大变化，由之前的10%～30%上升到之后的40%～70%（图5a），结合前述3 个指标揭示的表层生产力降低的结论，不难得出碳酸盐含量的增大是由于稀释作用的减弱，即陆源物质的输入减少造成的。这一点同样反映在有机碳/氮比值上，海相的浮游生物的碳氮比值较低，一般情况下比值在个位数；而陆生高等植物的碳氮比值相对要高得多，因此这一指标常被用来指示陆源物质输入的变化[15,29]。从图5b 可以看出，有机碳/氮比值在T60 之后整体呈现下降趋势，平均值由T60 之前的6.26 减小为5.08，指示着来自陆源信号的减弱。上述两个指标反映的陆源信号减弱与32～23 Ma 间南海发生的强烈构造运动有关。前人在ODP1148 站位的相关研究发现32.8～30 Ma 是南海北部沉积速率最大的时期[4]，与本次研究的U1501 站位在30.5～24.2 Ma出现的6 Ma 的沉积间断时间较为一致，说明该时期南海构造活动十分活跃。特别是在25 Ma 前后，南海扩张轴发生“南跃”，构造活动逐渐变弱，陆缘剥蚀也逐渐稳定发育，随着古珠江流域的扩张加大，剥蚀区范围逐步扩大，由地块边缘地区逐渐向较老的华南古陆内部推移，渐渐远离海岸带中生代火山岛弧岩系，说明了陆源输入的源区距离变远[5]，反映了T60 之后U1501 站位接受的陆源物质（包括营养盐）输入减少的过程。

图5 U1501 站位 T60 附近碳酸钙含量（a）、有机碳/氮比值（b）以及浮游有孔虫相对丰度变化（c）曲线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 古水深变化

有孔虫丰度变化是研究古海洋环境变化的一个常用指标[13,30]，其中浮游有孔虫的相对丰度是反映水深变化的重要指标之一，一般而言深海环境中浮游有孔虫的相对丰度越大指示水深较深。在图5c 中，在T60 深度之下，浮游有孔虫相对丰度在20%～55%左右，T60 之后快速上升至90%以上，说明当时的水深快速加深，沉积环境的变化导致了原陆坡环境生存的底栖有孔虫数量急剧减少。

在古海洋研究中，底栖有孔虫也常被用来作为古水深的标志[31]，南海北部陆架的底栖有孔虫大多按水深呈带状分布[20]，ODP 1148 站曾分析沉积物中底栖有孔虫的3 种组合，显示自渐新世以来经历了一个海水逐渐加深的过程[5]。本文中，U1501 站位水深环境的变化同样反映在底栖有孔虫群落组成上。在T60 之前（井深302.5～306.9 m），底栖有孔虫数量较少，整体丰度较低，每个样品中含有完整的有孔虫壳体个数为80～120 个。该时期的底栖有孔虫属种中，Cibicidoides为最主要属，其相对平均丰度可达31.17%；其次的属是Dentalina和Nodosaria，平均相对丰度分别为16.14%和15.26%。其余属的平均相对丰度均小于10%，按照属的相对丰度大小排列依次为：Bolivina、Bulimina、Spiroplectammina、Siphotextularia、Melonis以及Oolina，相对丰度大小分别为8.90%、7.57%、6.23%、5.86%、5.18%以及3.69%，Hormosina在T60 之前的样品中并未出现。底栖有孔虫的属中，Cibicidoides的水深分布较广，浅海-深海均有分布；Nodosaria、Melonis、Oolina主要生活在半深海陆坡环境，Dentalina、Bolivina、Bulimina、Siphotextularia分布在浅海陆架-半深海陆坡，而Spiroplectammina主要分布于半深海陆坡-深海环境[18-19]；由于这些属主要在半深海分布，因此群落组成指示T60 之前U1501 站位处于半深海-陆坡环境（图6）。

图6 U1501 站位 T60 界面附近底栖有孔虫群落组合的丰度变化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），底栖有孔虫数量仍然较少，总丰度不高，每个样品中含有完整的有孔虫壳体个数为60～100 个，最主要属仍为Cibicidoides，其平均相对丰度可达68.18%；其次的属是Dentalia，它的平均相对丰度为8.67%；然后是Hormosina，它的平均相对丰度为7.99%，值得注意的是在T60 之前的样品中并没有出现该属；其余属平均相对丰度均小于5%，按照属的相对丰度大小排列依次为：Nodosaria、Melonis、Bulimina、Siphotextularia、Bolivina、Oolina以及Spiroplectammina，相对丰度大小分别为4.90%、2.74%、2.62%、1.64%、1.52%、1.04%以及0.70%。其中指示浅海陆架-半深海陆坡环境的属其相对平均丰度显著下降，如Bulimina（7.57%→2.62%）、Bolivina（8.90%→1.52%）等；同时，指示半深海陆坡环境的属其平均相对丰度也有所下降，如Melonis（5.18%→2.74%）等；而指示深海环境的属如Hormosina仅在T60 之后出现，因此可以反映T60 后南海水深加深的过程（图6）。

4 结论

（1）本文中结合有孔虫壳体氧同位素及Sr 同位素建立起南海北部U1501 站位井深264.0～331.1 m 的地层年龄，约为距今20.3～32.0 Ma，其中24.2～30.5 Ma间存在约6 Ma 的沉积间断，即地震反射界面T60 的所在位置（井深约为302.5～303.2 m）。

（2）有机碳含量和底栖有孔虫的δ13C 值在T60 前后变化明显，T60 之后有机碳含量明显下降，而底栖有孔虫的δ13C 值则明显上升；同时，浮游与底栖有孔虫碳同位素差值Δδ13CP-B整体呈下降趋势，这3 个指标的变化一致表明了T60 之后海水表层生产力的下降。

（3）碳酸钙含量在T60 之后明显增加，有机碳/氮比值的变化呈现出整体下降的趋势，这两个指标均指示来自陆源的稀释作用的减弱，对比相邻ODP1148站研究成果，反映出当时U1501 站位离陆源输入源区距离变远，接受到的陆源物质输入减少的过程。

（4）浮游有孔虫相对丰度在T60 后急剧上升，这种相对含量的增加与沉积环境的变化导致底栖有孔虫的数量减少有关，是水深变深的信号。此外，该站位T60 界面附近的底栖有孔虫群落组合分析表明：在T60 之前，以指示半深海陆坡环境的Nodosaria、Melonis、Oolina以及指示浅海陆架-半深海陆坡环境的Dentalina、Bolivina、Bulimina、Siphotextularia为主；T60 之后，深海标志属Hormosina的出现以及浅海陆架-半深海陆坡指示属的减少，同样反映出U1501 站位水深逐渐加深的过程，这种水深的变化是对当时南海北部大范围的构造沉降运动的响应。

致谢：感谢国际大洋发现计划（IODP）第368 航次提供本次工作的样品。感谢翦知湣教授、万随博士等对论文提出的建议及指导，徐娟及其他实验室老师为论文提供的实验协助，杨策关于论文数据的讨论，在此一并致谢。