西沙群岛珊瑚藻记录之近2000万年以来的海平面变化和珊瑚礁演化过程

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珊瑚藻(Corallinophycidae,Rhodophyta)是珊瑚礁生态系统的重要组成部分,是珊瑚礁碳酸盐的主要生产者,也是珊瑚礁碳酸岩体结构的关键建造者。珊瑚藻自早白垩纪(Valanginian,136 Ma)以来就广泛发育,并且其属种组成和组合特征与水深等环境因素密切相关。虽然珊瑚礁是记录古环境变化的重要载体,但迄今为止却很少利用珊瑚藻进行长时间序列的环境变化过程研究,对珊瑚藻的发育演化历史也知之甚少。针对这一问题,本文以从南海西沙群岛琛航岛钻取的全取芯深钻-琛科2井(井深928.75 m,其中上部873.55 m为碳酸盐层,873.55-928.75 m为火山基岩层)为材料,研究其珊瑚藻的组成、组合特征及其环境意义。前人基于锶同位素地层学和磁性地层学年代框架得出琛科2井碳酸盐的时间跨度为近约2000万年。本文在对岩芯进行细致观察的基础上,从上到下对873.55 m的碳酸盐层共采集了771个样品,之后将其制作成岩石薄片、探针片(共计1198个);通过在显微镜下对岩石薄片、探针片的仔细观察,鉴定了珊瑚藻的属种组成和分布特征;结合对岩芯的观察,分析了琛科2井中珊瑚藻在时间序列上的特征变化,包括属种分布、组合、形态、丰度和分异度等;再结合不同珊瑚藻生长分布与水深的关系,重建了琛科2井珊瑚礁碳酸盐岩中珊瑚藻记录的近2000万年来的海平面变化序列和珊瑚礁发育演化过程。得出以下主要结论:(1)琛科2井中的珊瑚藻共可分为3目8科5亚科12属。其中珊瑚藻目(Corallinales)主要包括似绵藻科(Spongitaceae)新角石藻亚科(Neogoniolithoideae)似绵藻属(Spongites)和新角石藻属(Neogoniolithon),石叶藻科(Lithophyllaceae)石叶藻亚科(Lithophylloideae)石叶藻属(Lithophyllum)和叉节藻属(Amphiroa),宽珊藻科(Mastophoraceae)宽珊藻亚科(Mastophoroideae)石孔藻属(Lithoporella),水石藻科(Hydrolithaceae)水石藻亚科(Hydrolithoideae)水石藻属(Hydrolithon),珊瑚藻科(Corallinaceae)珊瑚藻亚科(Corallinoideae)珊瑚藻属(Corallina)和叉珊藻属(Jania);混石藻目(Hapalidiales)主要包括混石藻科(Hapalidiaceae)奇石藻属(Aethesolithon)和石枝藻属(Lithothamnion),中叶藻科(Mesophyllumaceae)中叶藻属(Mesophyllum);孢石藻目(Sporolithales)孢石藻科(Sporolithaceae)孢石藻属(Sporolithon)。(2)近2000万年以来西沙群岛的珊瑚藻主要以混石藻目和珊瑚藻目为主,孢石藻目零星发育。珊瑚藻属、叉节藻属和叉珊藻属的外部生长形态为枝状,其余珊瑚藻皆为皮壳状类型。其中珊瑚藻属、水石藻属、石叶藻属和石孔藻属的延限带最长,在整个2000万年的碳酸盐层中皆有不同程度的分布;其次为叉珊藻属、中叶藻属和石枝藻属,时间跨度分别为19.6-0.71 Ma、19.48-1.19 Ma和17.45-2.18 Ma;奇石藻属和似绵藻的分布相对比较集中,分别为14.13-8.77 Ma和6.35-4.28 Ma;新角石藻属、叉节藻属和孢石藻属呈零星分布,分别分布于18.89-5.02 Ma、6.94-2.17 Ma和16.5-6.74 Ma。薄片中珊瑚藻丰度的统计结果显示,整个碳酸盐岩序列中珊瑚藻的平均丰度为6.72±0.45%,其中在312-309 m(4.36-4.28 Ma)丰度最高,且集中发育,平均为34.06±9.09%,与其它层段存在显著差异。此外,该时期也发育大量大型的红藻石,其含量最高可占该段岩芯的80%。珊瑚藻分异度结果显示,琛科2井珊瑚藻分异度在789.85-689.07 m(17.73-16.78 Ma)最高,为10属,其次为9.77-7.35 Ma,为8属。岩芯观察统计结果显示,近2000万年以来西沙群岛珊瑚礁中的珊瑚藻还多形成椭球形和球形红藻石,含量最高可占碳酸钙总量的80%,直径为~1-10 cm不等,分布于17.3-0.31 Ma。(3)薄片中生物组分统计结果显示,近2000万年以来西沙群岛的珊瑚藻为珊瑚礁生态系统生产了大量的碳酸钙,占碳酸钙总量的38.51±1.52%。在2000万年的时间序列上,西沙群岛的珊瑚藻为珊瑚礁生态系统生产的碳酸钙含量变化可分为三个不同的层段:873.55-514.57 m(19.6-10.11 Ma)、514.57-309 m(10.11-4.28 Ma)和309-0 m(4.28-0 Ma),其生产的碳酸钙含量分别占碳酸钙总量的26.69%、76.87%和20.67%。另外,在19.6-10.11 Ma,珊瑚藻生产的碳酸钙量整体呈增加的变化趋势;在10.11-4.28 Ma,珊瑚藻生产的碳酸钙量整体均相对较高;在4.28-0 Ma,以1.05 Ma(75 m)为界,珊瑚藻生产的碳酸钙量整体呈先增加后降低的变化趋势。(4)根据不同亚沉积单元中主导的珊瑚藻属,将琛科2井中的珊瑚藻属可分成10个组合,包括Corallina-Jania-Hydrolithon-Lithoporella组合(CAA1),Mesophyllum组合(CAA2),Hydrolithon-Lithoporella-Lithophyllum组合(CAA3),Corallina-Jania-Hydrolithon-Lithophyllum组合(CAA4),Mesophyllum-Lithophyllum组合(CAA5),Hydrolithon-Aethesolithon组合(CAA6),Mesophyllum-Lithothamnion-Lithophyllum组合(CAA7),Spongites组合(CAA8),Lithothamnion组合(CAA9),Lithoporella-Lithophyllum组合(CAA10)。其中,19.6-18.67 Ma(873.55-838.05 m)和16.31-14.79 Ma(637.92-560.07 m)的珊瑚藻组合为CAA1,18.67-17.98 Ma(838.05-801.15m)、14.79-13.72 Ma(560.07-545 m)和5.23-4.36 Ma(342.45-312 m)的珊瑚藻组合为CAA2,17.98-17.73 Ma(801.15-789.85 m)和0.28-0 Ma(30-0m)的珊瑚藻组合为CAA3,17.73-16.78 Ma(789.85-689.07 m)和13.72-10Ma(545-506.1 m)的珊瑚藻组合为CAA4,16.78-16.31 Ma(689.07-637.92m)、9.77-7.35 Ma(489.44-410 m)和2.2-1.16 Ma(200-80 m)的珊瑚藻组合为CAA5,10-9.77 Ma(506.1-489.44 m)的珊瑚藻组合为CAA6,7.35-5.23 Ma(410-342.45 m)的珊瑚藻组合为CAA7,4.36-4.28 Ma(312-309m)的珊瑚藻组合为CAA8,4.28-2.2 Ma(309-200 m)的珊瑚藻组合为CAA9,1.16-0.28 Ma(80-30 m)的珊瑚藻组合为CAA10。(5)根据琛科2井中的珊瑚藻属及其组合的水深分布特征,重建了近2000万年以来西沙群岛的古水深变化。在19.6-18.67 Ma和16.31-14.79 Ma,为CAA1组合,指示0-5 m的水深环境;18.67-17.98 Ma、14.79-13.72 Ma和5.23-4.36 Ma,为CAA2组合,指示15-25 m的水深环境;17.98-17.73 Ma和0.28-0 Ma,为CAA3组合,指示0-10 m的水深环境;17.73-16.78 Ma和13.72-10 Ma,为CAA4组合,指示0-10 m的水深环境;16.78-16.31 Ma、9.77-7.35 Ma和2.2-1.16 Ma,为CAA5组合,指示15-20 m的水深环境;10-9.77 Ma,为CAA6组合,指示0-5 m的水深环境;7.35-5.23 Ma,为CAA7组合,指示>20 m的水深环境;4.36-4.28 Ma,为CAA8组合,指示0-5 m的水深环境;4.28-2.2 Ma,为CAA9组合,指示>25 m的水深环境;1.16-0.28Ma,为CAA10组合,指示0-15 m的水深环境。综上所述,近2000万年以来西沙群岛珊瑚藻组合记录的古水深在<5 m至>25 m之间波动,在时间序列上呈现出三个大的沉积旋回,分别为:19.6-16.31 Ma、16.31-4.36 Ma和4.36-0 Ma。(6)珊瑚藻组合记录的古水深变化与全球海平面变化基本一致。第一个沉积旋回(19.6-16.31 Ma):全球海平面整体呈上升的变化趋势。在此期间,琛科2井珊瑚藻组合记录的古水深整体也呈上升的趋势,且以18.67 Ma和16.78 Ma为界呈现出周期性上升的波动变化,其中发育于浅水环境的CAA3证实了全球海平面在17.98-16.78 Ma出现短暂下降,随后古水深从0-10 m上升至15-20 m。第二个沉积旋回(16.31-4.36 Ma):全球海平面在16.31-10 Ma整体呈下降的变化趋势,在10-4.36 Ma整体呈上升的变化趋势。在此期间,琛科2井珊瑚藻组合记录的古水深同样以10 Ma为界,整体呈先下降后上升的变化趋势,且从最低的<5 m上升至>20 m。其中,在16.31-13.72 Ma,古水深从0-5 m上升至15-25 m,随后在13.72-10 Ma降至0-10 m。该时期全球气候经历了最重大的南极冰盖扩张、形成事件,致使全球海平面下降。在10-4.36 Ma,古水深整体呈不同速率增加。第三个沉积旋回(4.36-0 Ma):全球海平面呈现出周期性波动的变化模式。琛科2井中珊瑚藻组合记录的古水深变化在4.36-2.2 Ma整体呈上升的变化趋势,在2.2-0 Ma整体呈下降的变化趋势。其中,在4.28 Ma后,西沙群岛进入快速的海侵时期,古水深从<5 m上升至>25 m,之后在2.2 Ma开始降低,在1.16 Ma降低至0-15 m。全球海平面在~1.2-0.7 Ma受中更新世气候转型(mid-Pleistocene transition,MPT)也呈现出大幅度降低的趋势。综上所述,珊瑚藻组合记录的古水深与全球海平面在长时间尺度上的变化基本一致,说明中新世以来的珊瑚藻类群及其组合可以准确地重建过去海平面变化,这也证实了珊瑚藻组合易受环境变化的影响。(7)西沙群岛珊瑚藻的分布特征对近2000万年以来的重大事件有明显的响应,显示珊瑚藻对重大气候环境事件的记录潜力。早中新世17.55 Ma(770.55 m)、17.45 Ma(744.74 m)和17.44 Ma(741.74 m),琛科2井珊瑚藻分异度明显增加,对应于中中新世气候适宜期,是对该时期全球变暖的响应。中叶藻属丰度的降低对应于近2000万年以来的一系列降温事件,其中以13.72 Ma和1.19 Ma后最为明显,前者可能与南极冰盖最大扩张及永久性冰盖的形成有关,后者对应于中更新世气候转型的起始时间。奇石藻属的集中分布(14.13-8.77 Ma)对应于海平面在长时间尺度上下降的过程,其绝灭指示了海平面的快速上升。石枝藻属丰度的增加(6.71 Ma)对应于海平面快速上升。(8)基于珊瑚藻记录的古水深和海平面变化,重建了近2000万年以来西沙群岛珊瑚礁的发育过程。在19.6 Ma,西沙群岛开始发育珊瑚礁。在19.6-18.67 Ma,大量发育枝状珊瑚藻属和叉珊藻属,该时期水深相对较浅,珊瑚礁发育速率与海平面上升速率基本保持一致,呈“保持型”的发育模式。在18.67-17.98 Ma,主要发育中叶藻属,该时期水深快速加深,珊瑚礁发育速率落后于海平面上升速率,呈“淹没放弃型”的发育模式。在17.98-14.79 Ma,主要发育枝状叉珊藻属和珊瑚藻属以及皮壳状的水石藻属、石叶藻属等,该时期水深整体呈下降趋势,也经历了中中新世气候适宜期,珊瑚礁发育速率赶上甚至超过海平面上升速率,呈“追赶型”的发育模式。在14.79-10 Ma,中叶藻属被水石藻属和石叶藻属等替代,该时期古水深呈下降的趋势,且有明显的不整合面;同时该时期也经历了南极冰盖的最大扩张与永久性冰盖的形成,珊瑚礁发育速率高于海平面上升速率,呈“暴露放弃型”的发育模式。在10-7.35 Ma,水石藻属和奇石藻属被石叶藻属和中叶藻属替代,该时期古水深逐渐加深,珊瑚礁发育速率赶上海平面上升速率,呈“追赶型”的发育模式快速发育。在7.35-5.23 Ma,大量发育石枝藻属、中叶藻属和石叶藻属,该时期古水深快速加深,珊瑚礁发育速率落后于海平面上升速率,呈“淹没放弃型”的发育模式。在5.23-4.28Ma,中叶藻属等逐渐被似绵藻属替代,该时期古水深逐渐下降,珊瑚礁发育速率赶上甚至超过海平面上升速率,呈“追赶型”的发育模式。在4.28-2.2Ma,以石枝藻属为主,该时期古水深快速加深,珊瑚礁发育速率落后于海平面上升速率,呈“淹没放弃型”的发育模式。在2.2-1.16 Ma,以中叶藻属和石叶藻属为主,该时期水深适合珊瑚礁发育,其发育速率赶上海平面上升速率,呈“追赶型”的发育模式。在1.16-0 Ma,以石孔藻属、石叶藻属等为主,该时期水深相对较浅,珊瑚礁发育速率与海平面上升速率基本保持一致,呈“保持型”的发育模式。
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