12.740 古海洋学 2004 春季 讲义 14 新生代古海洋学导论新生代古海洋学导论 一 陆块位置的变化: 假定具有代表性的扩张速度为(~4 cm/yr)(10x106yr) = 400km A 洋盆形状的变化 B 因此：远古时代的洋流及物质分布一定与现在大不相同 1. 例如： 南极绕极流的出现时间可能不会早于澳洲和南极大陆的分离（约 38m.y.） ；南 极德雷克海峡（Drake Passage） 10 m yr 以前，巴拿马地峡开启特提斯海（古地 中海） 与开放性大洋的连接 2.底层水团的位置也很可能不同 C. 古陆重建（改造） 旋转极：从以下方面评估--转换断层；地磁异常； “热点”岛链； 沉积岩古地磁学； 古赤道的沉积物组成和沉积速率研究； 大陆气候指标以及火成岩古地磁学 D. 年龄-深度关系和古深度复原 1. 海底的深度（区域平均）是洋壳年龄的函数 a. 二者的关系决定于岩石圈造成的热量传导损失/平流损失--热量的减少导致密度的增加 b. 直到距今约 70my，海底深度的增加与海底年龄的平方根线性相关 c. 70my 以前，底层地热热量收入是与海底热量支出平衡的，因此海底只有在俯冲带才会 变深。
2. 古深度复原 a. 为了重建远古海洋，尤其是 如碳酸钙这类由深度决定的物质含量，我们必须计算古深 度 b. 年龄-深度关系适用于区域地形；海山和其他小尺度特征与此不符由于 DSDP 站点即 将从区域性分布至局地，那么将来估算站点古深度的最好方法会是什么呢？ (1)前提：局地均衡补偿（即：如果站点高于或低于区域平均值，该站点的海拔将根据 区域平均值做出修正） c. 亦要考虑修正沉积物载荷的影响：由于站点接受了沉积物的堆积，这些额外载荷均衡地压低了海底 d. 为求得首近似值，可以通过简单逼近法将以上所有因素适当的进行处理 e. 无震洋脊的问题（例如：Rio Grande 高地；Walvis 洋脊） 1.虽然无震洋脊的成因还需讨论，但可以假设他们与“热点”一样起源于脊峰线，接近大 洋表层在火山活动结束后，普通的风化作用使他们的高度降至与海面齐平（同时站点会远 离洋脊顶部） ，而当海底下沉，无震洋脊也会随之下沉 f. 起初，人们希望古深度的重建对于确定“大洋入口”的开启年代有所帮助（ “大洋入口” 的开启年代即：海洋狭口，例如 Vema 海峡，南极与澳洲之间的测深学适用于深部水团通道 的年代） 。
事实证明，这个时间点对于局地地形变化非常敏感，因此不能提供精确的证据； 来自 DSDP 站点的地质数据比古海洋测深的重建能够提供更多的信息古海洋测深虽然不 能适用于特殊环境，但仍为大洋环流变化的地质学证据解释提供了有用的背景情况 二 新生代时间尺度 A. 主要制约条件：与放射性同位素定年相关的古地磁时间尺度 1. 放射性同位素定年主要是岩溶流的 K-Ar 和 Ar-Ar 测年（尤其是数百万年以前的） 2. 早期对于较古老年代的测定主要是基于外推法：假设一个持续的、有特定峰值的扩张速 率（Hiertzler et al. 时间尺度） 这种假设可以由追加的放射性同位素定年予以修正，但这些 放射性同位素定年数量很少且间隔很大(LaBreque et al; Kent et al; Berggren et al) 3. 主要问题 a.分辨率有限：地磁倒转一般每百万年发生一次（平均而言；Cretaceous Quiet Zone 白垩 纪平静带 90-120m.y.没有发生一次倒转） b.识别倒转事件的难处：我们可以肯定的只能是一个特定的区域是正常的或是倒转的；而 很难知道事件发生时到底哪些区域是正常的，哪些是倒转的，尤其是在不连续的剖面（归因 于钻孔问题和断层） c.某些沉积物对于古地磁的记录很少（例如，碳酸盐含量高的沉积物） B. 生物地层学：物种的首次出现和消失 1. 缺点：物种的出现和消失可能是跨时代的(time-transgressive)；较古老的化石被改造的程 度；化石的选择性保存和“Lazarus species” （化石记录中忽隐忽现的种） 2. 优点：不像古地磁事件有两种状态，物种事件一次只有一个，因此可以迅速的对号入座 3. 物种出现或消失事件一般每百万年出现一次，因此分辨率与古地磁年代学相当 C. 对于 DSDP 站点所采的沉积物几乎没有直接的放射性同位素定年方法。
人们尝试了火山 灰层的 K-Ar 定年法（事实证明是不可靠的，原因是成岩作用的影响） ；10Be 和 26Al 的定年 有一些作用（例如，红粘土的堆积速率） ，但由于其地球化学过程导致年代的计算也不精确 玄武岩基底可以通过绿鳞石的 Rb-Sr 定年，但精确度也有限 D. Sr-同位素地层学 1. 海水组成成分中的 Sr 同位素记录在碳酸盐化石中 由于现代海水组成成分约有 7092 种， 而 45m.y.前为 707 种，因此 Sr 同位素的曲线可以作为定年的一个相关方法，其分辨率可能 稍高于百万年 其问题在于： 沉积成岩作用； 与绝对时间尺度的联系； 仅对碳酸盐相有用 （或 者其他仅纳入了海水来源 Sr 的沉积物） E. 碳酸盐地层学： 由于在第四纪，沉积物的碳酸盐含量发生了系统的区域性变化，因此这 些变化可以用作将区域内岩芯交互关联的方法 问题在于： 所得曲线关系不是总如预期的清 楚；取样频率不够会使结果产生混乱 F.轨道地层学： 采用“树轮”年表作为 Milankovitch 周期在较老沉积中的证据，至少可以 与倾角/岁差周期匹配，有时可使用倾角和岁差周期曲线的包络线轨道法的结果现在在 10-20my 内都比较像样，超出这个范围则至少保持了基本的周期长度不变。
例子：Hilgen (1991), P?like et al. (2001) G. 其他： 鱼类牙齿化石（Sr 同位素；可能是开放系统） ；遗迹化石 H. 目前，最可靠的地层学方法是基于古地磁和生物地层学在多级有机体（生物体）中提取 的结合信息，再辅以轨道调谐，最好来自于连续的多钻孔的水压活塞钻孔站点 三 新生代古气候的主要特征 A. 北半球冰期的开始，2.75ma B. 最后 65my 期间的“气候恶化” ：高纬度地区和深水区域温度高于过去；变冷途径既有缓 慢持续的变化也有一系列主要的突发事件 Originally: Kennett and Shackleton (1977); updated by Zachos et al. (2001). C. 问题：南极冰体的历史如何？ D. 一些其他的有趣事件： Aptian 阶“缺氧的海洋” （高含量的有机碳沉积） ：是否海洋缺氧了？ 古新世-始新世热量极大值（PETM,也叫做 LPTM） ：甲烷水合物“打嗝”？ 地中海枯竭 ~ 6 ma K-T 碰撞 65 ma 四 洋盆的古碳酸盐历史：使用古深度复原重建 CCD 参考文献 Berger, W.H. (1972) Deep sea carbonates: dissolution facies and age-depth constancy, Nature 236:392-395. Hilgen, F.J. (1991) Extension of the astronomically calibrated (polarity) time scale to the Miocene/Pliocene boundary, Earth Planet. Sci. Lett. 107:349-368 LaBrecque, J.L., D.V. Kent, and S.C. Cande, Revised magnetic polarity time scale for Late Cretaceous and Cenozoic time, Geology 5:330-335. Mankinen, E.A. and G.B. Dalyrymple (1979) Revised geomagnetic polarity time scale for the interval 0-5 m.y.b.p., J. Geophys. Res. 84: 615-626. Matthews, R.K. and R.Z. Poore (1980) Tertiary 18O records and glacio-eustatic sealevel fluctuations, Geology 8:501-504. Pälike , H., N.J. Shackleton and U. Röhl (2001) Astronomical forcing in Late Eocene marine sediments, Earth Planet. Sci. Lett. 193:589-602 Savin, S.M. (1977) The history of the Earth's surface temperature during the past 100 million years, Ann. Rev. Earth Planet. Sci Lett. 5:319-355. Sclater, J.G., R.N. Anderson, and M.L. Bell (1971) Elevation of ridges and evolution of the Central Eastern Pacific, J.. Geophys. Res. 76:7888-7915. Shackleton, N.J. and J.P. Kennett (1975) Paleotemperature history of the Cenozoic and the initiation of antarctic glaciation: oxygen and carbon isotope analyses in DSDP sites 277, 279, and 281, Init. Repts. DSDP 29:743-755.Shackleton, N.J. et al. Nature 307: 621. Van Andel, T.H. (1975) Mesozoic/Cenozoic calcite compensation depth and the global distribution of calcareous sediments, Earth Planet. Sci. Lett. 26:187-194. Zachos, J., M. Pagani, et al. (2001). “Trends, Rhythms, and Aberrations in Global Climate 65 Ma to present.“ Science 292: 686-693. 。