古海洋生产力与氧化还原指标——元素地球化学综述

还能 通过 影响水 体／ 积 物 的 氧化 还 原 状 态来 间接 沉 控 制 金 属 元 素 的 分 布 。 现 代 海 洋 研 究 认
其分 配系数 Ｄ 约 为 ４ 。与 其 它 生 产力 指 标 容 易受后 期 改造作 用 的 影 响不 同 ， 酸 盐 中的铁 离 子 碳 被束 缚在 方 解 石 晶格 中 ， 非 发 生 溶 解 和 重 结 晶 ， 除 碳酸 盐 中的铁 不容 易 损 失 ， 生 产 力信 息 可 以 长期 故 保存 。相 比总铁 ， 酸盐 铁 作 为 古 生产 力 指 标 更 为 碳 可 靠 ， 含 量 越 高 ， 体 营 养 越 丰 富 ， 生 产 力 就 其 水 古
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沉 积 与 特 提 斯 地 质
殖 。铁 的生物 地球 化学循 环 过程 中 ， 定海 洋表 决
元素 重新 释放 到水 体 中。 同样 ， 些 生 物颗 粒 也 可 这
层 浮游 植物 生产 力是 上 层 水 体 的铁 的浓 度 ， 目前 利 用 铁来 研究 海洋 生 物 生产 力 主 要 有 两种 形 态 的铁 ： 总铁 和碳 酸盐铁 。
着深 度为 ２ ０ 以上 水 体 中 ｚ ０ｍ ｎ的浓 度 ｊ 。尽 管 还
存 在某些 争议 Ｊ海 水 中溶 解 Ｚ ， ｎ浓度 的 降低 抑 制
浮 游植物 的生 长
。ｚ ｎ之所 以对 有机 体 生 长重
要 是 因为它 是几 乎 ３０种酶 辅 助 因素 ， 些 酶 包 括 ０ 这 酒精脱 氢 酶 、 脱 水 酶 以及 羧 肽 酶 ， 们 参 与 新 陈 碳 它 代谢几 乎 所 有 的方 面 Ｊ 。总 而 言 之 ， ｕ Ｎ 和 ｚ ｃ 、ｉ ｎ 作为 营养元 素 与 有机 质 结 合 合 物 或形 成 有 机 质 络 沉淀埋 藏下 来 ， 的 Ｃ 、 ｉ ｚ 高 ｕＮ 和 ｎ含量 指
Ｆ 是 研究 最多 的海洋 微量 元 素 ， 所 以受 到 学 ｅ 之
者们 广泛 的关 注 是 因为 铁 控 制 着 海 洋 初 级 生 产 力
的大 小 ， 响海 洋 碳 埋 藏 ， 而 调 节 地 质 历 史 时期 影 从
大气 二氧 化碳 的浓 度 。在 过 去 的二 十 年 里 ， 现代
绿素水体 （／ 现代海洋均为此类水体 ） １４ 中浮游植物 的生长 。而 且 ， 根据 模 拟 研究 和 野 外 调 查 ， 在 低 纬度 低 营养海域 ， 的供 应 有 助 于 调节 固氮 生 物 铁
收 稿 日期 ： ０ １ ９０ 改 回 日期 ： ０ １１－４ ２ １－ － ０ ９； ２ １ －２０ 作者简介 ：韦恒 叶（ ９０ ） 男 ， 士 ， １８ － ， 博 主要从事碳酸盐岩沉积与地球化学研究．Ｅ ｍ ｉ ｗ ｉ ｎｙ＠ｙｈｏ ｔｍ ｃ — ａ ： ｅ ｅ ｇｅ ａ ｏ．ｏ ． ｎ ｌ ｈ
沉 积物 和水 体 中ｌ 您 。对 于 这 些 硫 酸 钡 晶体 的 成 ７ Ｊ 因， 大多数 学 者认 为 ， 硅 藻 细胞 膜 或 其 它 颗 粒 的 在 还 原微 环境 中 ， 随 着 有 机 质 的分 解 ， 酸 钡 晶 体 伴 硫 发 生沉 淀 。这 些 微 还 原 环 境 是 有 机 质 分 解 造 成 的 ， 酸 钡 晶体 沉 淀 的数 量 越 多 ， 明 有 机 质 硫 说 输 入 就越大 。因此富 有 机质 沉 积 物 中 Ｂ ａ的 升高 与 生物 生产力 的 提高 有 关 ＿ ８ ， 量 元 素 生源 Ｂ ｈ阱。微 ａ常 用来估 算海 洋初 级生 产力 的变化 － ，，－１。 ８８８ ９ ３５７ ］
从其生物地球化学循环来看 ，ｕ Ｎ 和 ｚ 在水体和 ｃ 、ｉ ｎ 沉 积物 中存在 释放 和再循 环过 程 ， 的 Ｃ 、 ｉ ｚ 低 ｕＮ 和 ｎ
含 量 不 一 定 就 是 低 的 有 机 碳 输 入 和 低 的 生 物 生
产力。
１３ 生源 Ｂ ． ａ
沉 积物 中的元素 Ｂ ａ多数 以硫 酸 钡 形式 存 在 于
是微营养元素 ， 而营养条件 是沉 积生产力的限制因素 ， 因此这些元素 的含 量能反映初级 生产力大小 。Ｂ 和 Ｍｏ 随 ａ 是 有机质一起沉淀下来 的， 与水体的有 机碳 通量有关 ， 也是古生产力大小 的指标 。对氧 化还 原敏感 的痕量金属元 素含 量（ Ｃ、 如 ｒｖ和 ｕ） 以及元素 比值（ Ｖ （ 如 ／ Ｖ＋Ｎ ） Ｖ Ｃ 、ｉＣ 、 ／ ｈ和 Ｖ Ｓ ） ｉ 、 ／ ｒＮ／ ｏＵ Ｔ ／ ｃ 常用来重构水 体的氧化还原条件 。
沉 积 与 特 提 斯 地 质
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文 章 编 号 ：０ ９３ ５ （０ ２ ０ －０ ６１ １０ －８０ ２ １ ） １ ７ －３ ０
古海洋生产 力与氧化还原指标—— 元素地球化学综述
一
般 与上覆水 体 的初 级生产 力 有关 Ｌ 而 且生 物 硅 ３ ，
示 高的有 机碳 输 入 ｊ反 映较 高 的古 生 物 生 产 力 。 ，
的全球埋 藏效 率约 为 ３ ３ ， 于有机碳 埋 藏效 ％＿Ｊ高 率 一个数量级 。表层水长期 的生物硅记录 比有 引 机碳更为有效。因此生物硅常被作 为重构海洋古 生产力的参数 。从另一角度 ， 海洋表层生物生 产力 调 节 着 海 洋 与 大 气 之 间 的 二 氧 化 碳 的 输 入 Ｌ 州 Ｊ 生物 硅 在 碳 的生 物 泵 中扮 演 着 重 要 的 角 ４ ， ２
利 用海 相碳 酸盐 来 恢 复 。在 热 力学 平 衡 条 件下 ， 进 入碳酸 盐 中的铁离 子 与海 水 中的可 溶 性 铁 成 正 比，
以微营养和骨架成分主动参与循环 ， 要么通过被吸 收到颗粒表 面或 与各种 固体一起 沉淀 的形式被动
参 与循 环 。
金 属元 素可 以与 浮游 有 机 质 一起 沉 淀 下 来 的 ，
内通过 光合 作用 生 产有 机 碳 的 数量 ， 即 固定 能 量 也 的速率 ｊ 。而保 存 条 件 主 要 包 括 沉 积 水 体 的 氧 化
受 到在循 环 以及后 期 成 岩 作 用影 响较 大 ， 造 成 元 会 素的迁 移 ， 难 代 表 当 时 表 层 水 体 的 Ｃ、 和 Ｐ含 很 Ｎ 量 ， 它 们 作 为 古 生 产 力 标 志 并 不 十 分 可 靠 。 用 通过 与水 体 有 机 碳 通 量 的关 系 来 反 演 水 体 表 层 生 物 生产 力 的痕 量金 属元素 有 Ｂ ａ和 Ｍｏ 。下 文将 分 别
韦恒 叶
（ 东华理 工 大学地 球科 学学 院 ，江西 南 昌 ３０ １ ） ３０ ３
摘要 ： 海洋表层初级生产力大小 以及水体氧化还原条件是古海洋和古气候 研究 的重要 内容 ， 元素地球化学 是研究 而 初级生 产力 以及 氧化还原条件最常用 的手段 。主量元素 Ｆ 和 Ｓ 是限制生物 的营养元素 ， ｅ ｉ 痕量金属元素 ｃ 、 ｉ Ｚ ｕＮ 和 ｎ
分解形 成 局 部 的 硫 酸 盐 还 原 微 环 境 造 成 某 种 痕 量 金属 元素 的沉 淀 ， 体 有 机 碳 通 量 越 大 ， 些 痕 量 水 某 金属 元素 埋 藏 量 就 越 大 。能 反 映 水 体 营 养 水 平 的
元 素有 Ｃ、 Ｐ、ｅ Ｓ、 ｕ Ｎ 和 ｚ 。然 而 Ｃ、 Ｎ、 Ｆ 、 ｉＣ 、 ｉ ｎ Ｎ和 Ｐ
莓 状黄 铁矿 粒径 大 小等 ） 间接 的研 究 。在 这 些 指 来
标 中 ， 文 仅对元 素地 球化 学指标 进行 综述 。 本
１ 古 生产 力 指标
沉积 物 中有 机 质 的富 集 与 海 洋 表 层 初 级 生 产 力 大小 、 体 的氧 化 还原 条 件 以及早 期 的埋 藏 环境 水 密 切相关 。海 洋 表 层 生 物 生 产 力 大 小 取 决 于 表 层 水 体 的营养 物 质 丰 富 程 度 ， 养 物 质 越 丰 富 ， 营 生
产力 和保 存 条 件 的 控 制 。海 洋 初 级 生 产 力 是 指 浮游 生 物 （ 要是 浮游 植 物 ） 单 位 时 间单 位 体 积 主 在
的有机碳 “ ” 增 强 水 体 的有 机 碳 通 量 ， 机 碳 通 雨 ， 有
过 与痕 量金 属元 素 的 络 合 作 用 或 者 通 过 有 机 质 的
广 海富铁 实验 已经 表 明铁 能 够 刺 激 高 硝 酸 盐 低 叶
物 越繁 盛 ， 合 作 用 造 碳 能 力 就 越 强 ， 产 力 就 越 光 生
大 。另 一个 能表 征水 体 表 层 初 级 生 产 力 的 途 径 是
通 过 水体 的有机 碳 通 量 ： 的 生产 力 会 造 成高 密度 高
越高。
２． ｉ ｓ
为 。５ ，ｕ Ｎ 和 ｚ －］Ｃ 、ｉ ９ ｎ与 有机 碳呈 线性 正相 关关 系。
ｃ 作为微营养元素在水体 中被生物摄食 Ｊ在沉 ｕ ，
人海底 以后 ， 还可 以从沉 积 物 中 的有 机载 体 中释 放
出来＿ 。表层水体的有机体固定溶解 的锌 ， ６ 卜 控制
从以上铁的生物地球化学循环可知， 上层水体 铁 浓度 高 的有 可 能造 成 沉 积 物 中高 的总 铁 含量 ， 也 有 可能 形成低 的总 铁 含 量 。反 过来 ， 而沉 积 物 中高
的总铁 含量 一般 指 示沉 积 表 层 水 体较 高 的铁 含 量 ， 沉积 物 中低 的总 铁 含 量 可 能 反 映 表 层 水 体 高 的铁 含量 也可 能反 映低 的铁含 量 。 胡超 涌 等 研 究 认 为 古 海 水 中铁 的浓 度 可 以
色 埘 与碳循 环 密 切 关 联 ， 气 候 变化 的一 个 ， 是 响应 过 程 。生 物 硅 能 作 为 古 生 产 力 参 数 的 一 个 前 提 是生 物硅 大部 分 由硅 藻 属 形 成 ， 硅 藻属 最 早 出 而