第六章 古海洋生产力
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古海洋生产力又称为生物古海洋学。 古海洋中的生物演化和生产力的变化，对海洋的
物理、化学条件产生影响，同时对洋底沉积作用 和沉积矿产形成有重要意义。所以理论和实际意 义都很重要。 目前对海洋古生产力的研究主要集中在初级生产 上。研究水平尚不高。
主要用一些替代性指标来研究古海洋生产力。 如生物蛋白石、生物钡、镉含量等。还可以用 稳定碳同位素。新近研究深海底栖有孔虫用做 古生产力的替代性指标。
➢有机碳
在近岸、上升流等高生产力地区，沉积物中的总有机 碳(TOC)浓度能够比较灵敏地反映海洋有机碳生产的 变化。有机碳的氧气曝露时间、粘土矿物表面积和全 岩沉积速率等都可能影响到有机质的保存。
有机碳含量与海洋生产力、沉积速率、沉积物的空 隙率和密度相关，有如下经验公式。
P——海洋生产力(g/( m2·ka)) w(Corg)——有机碳质量占沉积物干质量的分数 S——沉积速率(cm/ka) ρs——干沉积物的密度(g/cm3) φ——孔隙度(用百分比表示)
•底栖与浮游有孔虫δ13C的差值Δδ13CB-P反映古生产力
➢光合作用使得表层海水的δ13C 大于底层海水，故浮游 有孔虫的δ13CP要重于底栖有孔虫的δ13CB值。 ➢冰期浮游生物生产力高（即有机质产量高）时，浮游有 孔虫壳体的δ13C必然偏重，而同期底栖有孔虫由于大量 的有机质的降解而记录轻值。间冰期浮游生产力低时，两 者的变化则相反。 ➢古生产力越高，Δδ13CB-P绝对差值越大，其变化在指示 古生产力上较灵敏。
应用的制约条件：
•如何确定陆源钡的影响，特别当陆源碎屑Ba含量较高 时，就必须对陆源碎屑的Ba含量进行准确的估计。
➢Mo
在极度还原的硫化环境下，Mo等变价离子容易与硫离 子结合而进入沉积物，其通量与有机碳的堆积速度近 似成正比，因此Mo可以作为还原条件下的生产力指标。
如：在现代的缺氧盆地——委内瑞拉的Cariaco盆 地中，由于底层水硫化条件的存在，Mo和有机碳的 沉积通量维持正相关关系。
•
6、意志坚强的人能把世界放在手中像 泥块一 样任意 揉捏。 2020年 12月11 日星期 五上午 8时43 分47秒0 8:43:47 20.12.1 1
•
7、最具挑战性的挑战莫过于提升自我 。。20 20年12 月上午 8时43 分20.12. 1108:4 3December 11, 2020
第三节 古海洋生产力指标
古海洋生产力的直接测定是不可能的，因此寻求反 映古海洋生产力变化的指标成为目前研究的一项重 要内容。
生物沉积物 营养元素 微量元素 同位素 古生物指标
生物沉积物
指源于海洋生物生产的沉积物，主要包括有机碳、生物 碳酸盐和生物硅等，其埋藏速率在很大程度上受到古海 洋生产力的控制。在条件许可的情况下，还可以建立生 物沉积物埋藏速率与古海洋生产力之间的定量/半定量 关系，对古海洋生产力进行定量/半定量的恢复。
6 CO2 + 6 H2O
有机碳泵
合成有机质
碳酸盐泵
形成碳酸钙
现代海洋主要的浮游生物
浮游植物 -- 硅藻 -- 颗石藻 -- 沟鞭藻
浮游动物 -- 有孔虫 -- 放射虫 -- 翼足类 -- 桡足类
颗石藻的勃发
颗石藻的勃发
Rhizosolenia
藻席
Yoder et al., 1994
二、古海洋生产力
温跃层深度 振幅
U. peregrina 振幅
有机碳通量 （BF-Flux）
振幅
17954柱状样
0.ห้องสมุดไป่ตู้5
35
0.10
22
0.05
0.00
0.2
67 22
0.1
32
0.0 0.15
22
0.10
24
0.05
0.00 0.00 0.02 0.04 0.06
频率 (cycles/kyr)
17928柱状样
0.2
在含砂量较低、浊流不明显、陆源有机物含量不高的沉 积物中,可以根据该公式,由地层中的有机碳含量给出近 似定量的古海洋生产力。
Bralower和Thiestein(1984)估算了全新世的古海洋 初级生产力(primary production)。
fPR——保存因子（通过 沉积物的沉积特征和地球 化学指数对沉积环境加以 判别,确定有机质保存因 子） r(Corg)——有机碳的堆积 速 PP——初级生产力
•
4、越是无能的人，越喜欢挑剔别人的 错儿。 08:43:4 708:43: 4708:4 3Friday , December 11, 2020
•
5、知人者智，自知者明。胜人者有力 ，自胜 者强。 20.12.1 120.12. 1108:4 3:4708: 43:47D ecembe r 11, 2020
沉积深度、底层水性质、有机碳的氧化等都会影响生 物碳酸盐的保存。
营养元素
在地质时间尺度上，古海洋生产力主要受 到大洋中营养元素可利用程度，特别是大 洋中活性磷含量的控制；因此古海洋的活 性磷埋藏记录，可作为古海洋生产力的指 标之一。
John Martin: Give me a tank of iron, I’ll give you an ice age.
Stoll和Schrag（2001）等研究了西特提斯晚白垩世 碳酸盐，发现其全岩Sr/Ca比值与古海洋生产力的指标 呈明显的正相关关系。
海水中Sr/Ca比值还受海平 面升降和陆地输入的影响， 实际运用中需要多加注意。
➢其他
Cd（镉）在海洋中的行为与P接近，也常利用有孔虫 壳体的Cd含量反映海水中的P含量。Boyle（1988）提 倡使用钙质生物壳体的Cd/Ca比值推算古生产力变化。
• 13、无论才能知识多么卓著，如果缺乏热情，则无异 纸上画饼充饥，无补于事。Friday, December 11, 202011
-Dec-2020.12.11
• 14、我只是自己不放过自己而已，现在我不会再逼自 己眷恋了。20.12.1108:43:4711 December 202008:43
某些古生代黑色页 岩中，有机质含量 Corg与Mo/Al之间存 在正相关关系。
➢Sr/Ca比值
近年来的研究表明，在现代上升流区域，微晶碳酸盐中 Sr/Ca比值的增加与颗石藻的钙化和生长速度保持良好 的相关关系。微晶碳酸盐Sr/Ca比值能够体现海洋生产 力的变化。
颗石藻为主的碳酸盐中，Sr/Ca比值可反映颗石藻生 产力的变化。由于颗石藻从白垩纪以来为古海洋的主 要生产者之一，所以该指标对于古海洋生产力变化研 究具有一定的积极意义。
亏损13C和发生了去氮反应的底层水上涌，为表层 水提供了丰富的营养元素来源，造成有机质中13C 负偏和15N正偏同时出现，指示高古海洋生产力。
古生物
作为海洋中有机质的生产者和消耗者，古生物记录是 古海洋生产力的忠实反映，主要原生生物种类的演化 序列就是生物进化对大洋化学和营养条件的记录。
目前主要通过两种途径对微体化石等古生物资 料进行处理，获取古海洋生产力的相对变化。 通量值（丰度）也就是微体化石的堆积速度来 反映古生产力的变化（定量分析）。
生
物
CaCO3
泵
+
Corg
碳循环的起点：光合作用
光能转化为 化学能
CO2和H2O 转化为 CH2O
海洋生产力：从光合到呼吸作用
光合作用：
碳的还原，无机碳 → 有机碳
6 CO2 + 6 H2O
C6H12O6 + 6 O2
呼吸作用： 碳的氧化，有机碳 → 无机碳
C6H12O6 + 6 O2
微量元素
海洋中某些微量元素的地球化学行为或与有 机质的改造有关（Ca），或受到氧化还原条 件变化的控制（Mo），或受到某种生物生长 的影响（Sr），从而能够直接或者间接地作 为古海洋生产力的指标。
➢Ba
Ba是应用最早，也是目前运用最为广泛的微量元素古海 洋生产力指标。Goldburg和Arrhenius（1958）首先在 赤道太平洋的上升流地区发现了高含量的BaSO4重晶石， 并将其与海洋生产力联系起来。
2020 8:43:47 AM08:43:472020/12/11
• 11、自己要先看得起自己，别人才会看得起你。12/11/
谢 谢 大 家 2020 8:43 AM12/11/2020 8:43 AM20.12.1120.12.11
• 12、这一秒不放弃，下一秒就会有希望。11-Dec-2011 December 202020.12.11
•
1、有时候读书是一种巧妙地避开思考 的方法 。20.1 2.1120. 12.11Fr iday, December 11, 2020
•
2、阅读一切好书如同和过去最杰出的 人谈话 。08:4 3:4708: 43:4708 :4312/ 11/2020 8:43:47 AM
•
3、越是没有本领的就越加自命不凡。 20.12.1 108:43: 4708:4 3Dec-20 11-Dec-20
91 41
0.1
0.0
0.4 126
0.3
0.2
42 34
0.1
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0.5 126
0.4
0.3 71
0.2
40
0.1
0.0 0.00 0.02 0.04 0.06
频率 (cycles/kyr)
➢生物碳酸盐、生物硅
在面积广大的开阔大洋等低生产力-贫营养环境中，有 机碳指标将难以适用。其原因在于在大部分开阔大洋 中，有机碳的氧化非常彻底，沉积物中有机物含量极 低，难以反映古海洋生产力的变化。远洋碳酸钙、生 物硅的产率与有机碳的生产力成正比，两者的通量之 间存在良好的正相关关系。
古生物成分、组合变化也能指示古海洋生产力 变化。
dashed line－ frequency spectra of the total number of planktic foraminifera per gram sediments. Marine Micropaleontology xx (2007) xxx–xxx
同位素
➢碳同位素
未固结的海相沉积物中，分离出的底栖有孔虫壳的13C 值可用于恢复古海洋生产力的变化。主要原理基于底 栖有孔虫与底层水之间的13C保持平衡。
➢氮同位素
海相沉积物有机质中15N的研究表明，有机质15N反映了 大洋表层的硝酸盐的可利用程度，能提供古海洋生产 力的信息。沉积有机物中的氮同位素比值受到固氮反 应、陆地输入、保存条件和水柱中的去氮反应、硝酸 盐的相对利用率的影响。
第六章 古海洋生产力
Paleoproductivity
古海洋中生物生产力的演变历史，不仅对于海洋 的物理、化学条件产生影响，而且也是理解洋底 沉积机理和沉积矿产分布规律的重要因素。古海 洋学的生物方面比物理、化学方面更加复杂。
海水对大气CO2的调节：
浅海——生产力 深海——碳酸盐沉积 (CCD：碳酸盐补偿深度)
•
8、业余生活要有意义，不要越轨。20 20年12 月11日 星期五 8时43 分47秒0 8:43:47 11 December 2020
•
9、一个人即使已登上顶峰，也仍要自 强不息 。上午 8时43 分47秒 上午8时 43分08 :43:472 0.12.11
• 10、你要做多大的事情，就该承受多大的压力。12/11/
沉积物的Al/Ti比值可以反映有机质颗粒对水柱中微 量的Al（OH）3的清扫作用，在某种程度上也可以反 映古生产力的变化。
有孔虫Cd/Ca比
由于大洋海水中镉的分布和磷酸盐相似，那么，Cd/Ca
比可作为古营养盐的指标。
正相关
底栖有孔虫的Cd/Ca
上覆海水中的Cd/Ca
通过底栖有孔虫Cd含量的变化就可以反映深层水团的变化。 当底栖有孔虫记录高的Cd/Ca值，则反映了深层水团高的 PO4浓度；相反，底栖有孔虫Cd/Ca如果是低的值，则表明 低营养水团的存在。
物理、化学条件产生影响，同时对洋底沉积作用 和沉积矿产形成有重要意义。所以理论和实际意 义都很重要。 目前对海洋古生产力的研究主要集中在初级生产 上。研究水平尚不高。
主要用一些替代性指标来研究古海洋生产力。 如生物蛋白石、生物钡、镉含量等。还可以用 稳定碳同位素。新近研究深海底栖有孔虫用做 古生产力的替代性指标。
➢有机碳
在近岸、上升流等高生产力地区，沉积物中的总有机 碳(TOC)浓度能够比较灵敏地反映海洋有机碳生产的 变化。有机碳的氧气曝露时间、粘土矿物表面积和全 岩沉积速率等都可能影响到有机质的保存。
有机碳含量与海洋生产力、沉积速率、沉积物的空 隙率和密度相关，有如下经验公式。
P——海洋生产力(g/( m2·ka)) w(Corg)——有机碳质量占沉积物干质量的分数 S——沉积速率(cm/ka) ρs——干沉积物的密度(g/cm3) φ——孔隙度(用百分比表示)
•底栖与浮游有孔虫δ13C的差值Δδ13CB-P反映古生产力
➢光合作用使得表层海水的δ13C 大于底层海水，故浮游 有孔虫的δ13CP要重于底栖有孔虫的δ13CB值。 ➢冰期浮游生物生产力高（即有机质产量高）时，浮游有 孔虫壳体的δ13C必然偏重，而同期底栖有孔虫由于大量 的有机质的降解而记录轻值。间冰期浮游生产力低时，两 者的变化则相反。 ➢古生产力越高，Δδ13CB-P绝对差值越大，其变化在指示 古生产力上较灵敏。
应用的制约条件：
•如何确定陆源钡的影响，特别当陆源碎屑Ba含量较高 时，就必须对陆源碎屑的Ba含量进行准确的估计。
➢Mo
在极度还原的硫化环境下，Mo等变价离子容易与硫离 子结合而进入沉积物，其通量与有机碳的堆积速度近 似成正比，因此Mo可以作为还原条件下的生产力指标。
如：在现代的缺氧盆地——委内瑞拉的Cariaco盆 地中，由于底层水硫化条件的存在，Mo和有机碳的 沉积通量维持正相关关系。
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6、意志坚强的人能把世界放在手中像 泥块一 样任意 揉捏。 2020年 12月11 日星期 五上午 8时43 分47秒0 8:43:47 20.12.1 1
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7、最具挑战性的挑战莫过于提升自我 。。20 20年12 月上午 8时43 分20.12. 1108:4 3December 11, 2020
第三节 古海洋生产力指标
古海洋生产力的直接测定是不可能的，因此寻求反 映古海洋生产力变化的指标成为目前研究的一项重 要内容。
生物沉积物 营养元素 微量元素 同位素 古生物指标
生物沉积物
指源于海洋生物生产的沉积物，主要包括有机碳、生物 碳酸盐和生物硅等，其埋藏速率在很大程度上受到古海 洋生产力的控制。在条件许可的情况下，还可以建立生 物沉积物埋藏速率与古海洋生产力之间的定量/半定量 关系，对古海洋生产力进行定量/半定量的恢复。
6 CO2 + 6 H2O
有机碳泵
合成有机质
碳酸盐泵
形成碳酸钙
现代海洋主要的浮游生物
浮游植物 -- 硅藻 -- 颗石藻 -- 沟鞭藻
浮游动物 -- 有孔虫 -- 放射虫 -- 翼足类 -- 桡足类
颗石藻的勃发
颗石藻的勃发
Rhizosolenia
藻席
Yoder et al., 1994
二、古海洋生产力
温跃层深度 振幅
U. peregrina 振幅
有机碳通量 （BF-Flux）
振幅
17954柱状样
0.ห้องสมุดไป่ตู้5
35
0.10
22
0.05
0.00
0.2
67 22
0.1
32
0.0 0.15
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24
0.05
0.00 0.00 0.02 0.04 0.06
频率 (cycles/kyr)
17928柱状样
0.2
在含砂量较低、浊流不明显、陆源有机物含量不高的沉 积物中,可以根据该公式,由地层中的有机碳含量给出近 似定量的古海洋生产力。
Bralower和Thiestein(1984)估算了全新世的古海洋 初级生产力(primary production)。
fPR——保存因子（通过 沉积物的沉积特征和地球 化学指数对沉积环境加以 判别,确定有机质保存因 子） r(Corg)——有机碳的堆积 速 PP——初级生产力
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4、越是无能的人，越喜欢挑剔别人的 错儿。 08:43:4 708:43: 4708:4 3Friday , December 11, 2020
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5、知人者智，自知者明。胜人者有力 ，自胜 者强。 20.12.1 120.12. 1108:4 3:4708: 43:47D ecembe r 11, 2020
沉积深度、底层水性质、有机碳的氧化等都会影响生 物碳酸盐的保存。
营养元素
在地质时间尺度上，古海洋生产力主要受 到大洋中营养元素可利用程度，特别是大 洋中活性磷含量的控制；因此古海洋的活 性磷埋藏记录，可作为古海洋生产力的指 标之一。
John Martin: Give me a tank of iron, I’ll give you an ice age.
Stoll和Schrag（2001）等研究了西特提斯晚白垩世 碳酸盐，发现其全岩Sr/Ca比值与古海洋生产力的指标 呈明显的正相关关系。
海水中Sr/Ca比值还受海平 面升降和陆地输入的影响， 实际运用中需要多加注意。
➢其他
Cd（镉）在海洋中的行为与P接近，也常利用有孔虫 壳体的Cd含量反映海水中的P含量。Boyle（1988）提 倡使用钙质生物壳体的Cd/Ca比值推算古生产力变化。
• 13、无论才能知识多么卓著，如果缺乏热情，则无异 纸上画饼充饥，无补于事。Friday, December 11, 202011
-Dec-2020.12.11
• 14、我只是自己不放过自己而已，现在我不会再逼自 己眷恋了。20.12.1108:43:4711 December 202008:43
某些古生代黑色页 岩中，有机质含量 Corg与Mo/Al之间存 在正相关关系。
➢Sr/Ca比值
近年来的研究表明，在现代上升流区域，微晶碳酸盐中 Sr/Ca比值的增加与颗石藻的钙化和生长速度保持良好 的相关关系。微晶碳酸盐Sr/Ca比值能够体现海洋生产 力的变化。
颗石藻为主的碳酸盐中，Sr/Ca比值可反映颗石藻生 产力的变化。由于颗石藻从白垩纪以来为古海洋的主 要生产者之一，所以该指标对于古海洋生产力变化研 究具有一定的积极意义。
亏损13C和发生了去氮反应的底层水上涌，为表层 水提供了丰富的营养元素来源，造成有机质中13C 负偏和15N正偏同时出现，指示高古海洋生产力。
古生物
作为海洋中有机质的生产者和消耗者，古生物记录是 古海洋生产力的忠实反映，主要原生生物种类的演化 序列就是生物进化对大洋化学和营养条件的记录。
目前主要通过两种途径对微体化石等古生物资 料进行处理，获取古海洋生产力的相对变化。 通量值（丰度）也就是微体化石的堆积速度来 反映古生产力的变化（定量分析）。
生
物
CaCO3
泵
+
Corg
碳循环的起点：光合作用
光能转化为 化学能
CO2和H2O 转化为 CH2O
海洋生产力：从光合到呼吸作用
光合作用：
碳的还原，无机碳 → 有机碳
6 CO2 + 6 H2O
C6H12O6 + 6 O2
呼吸作用： 碳的氧化，有机碳 → 无机碳
C6H12O6 + 6 O2
微量元素
海洋中某些微量元素的地球化学行为或与有 机质的改造有关（Ca），或受到氧化还原条 件变化的控制（Mo），或受到某种生物生长 的影响（Sr），从而能够直接或者间接地作 为古海洋生产力的指标。
➢Ba
Ba是应用最早，也是目前运用最为广泛的微量元素古海 洋生产力指标。Goldburg和Arrhenius（1958）首先在 赤道太平洋的上升流地区发现了高含量的BaSO4重晶石， 并将其与海洋生产力联系起来。
2020 8:43:47 AM08:43:472020/12/11
• 11、自己要先看得起自己，别人才会看得起你。12/11/
谢 谢 大 家 2020 8:43 AM12/11/2020 8:43 AM20.12.1120.12.11
• 12、这一秒不放弃，下一秒就会有希望。11-Dec-2011 December 202020.12.11
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1、有时候读书是一种巧妙地避开思考 的方法 。20.1 2.1120. 12.11Fr iday, December 11, 2020
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2、阅读一切好书如同和过去最杰出的 人谈话 。08:4 3:4708: 43:4708 :4312/ 11/2020 8:43:47 AM
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3、越是没有本领的就越加自命不凡。 20.12.1 108:43: 4708:4 3Dec-20 11-Dec-20
91 41
0.1
0.0
0.4 126
0.3
0.2
42 34
0.1
0.0
0.5 126
0.4
0.3 71
0.2
40
0.1
0.0 0.00 0.02 0.04 0.06
频率 (cycles/kyr)
➢生物碳酸盐、生物硅
在面积广大的开阔大洋等低生产力-贫营养环境中，有 机碳指标将难以适用。其原因在于在大部分开阔大洋 中，有机碳的氧化非常彻底，沉积物中有机物含量极 低，难以反映古海洋生产力的变化。远洋碳酸钙、生 物硅的产率与有机碳的生产力成正比，两者的通量之 间存在良好的正相关关系。
古生物成分、组合变化也能指示古海洋生产力 变化。
dashed line－ frequency spectra of the total number of planktic foraminifera per gram sediments. Marine Micropaleontology xx (2007) xxx–xxx
同位素
➢碳同位素
未固结的海相沉积物中，分离出的底栖有孔虫壳的13C 值可用于恢复古海洋生产力的变化。主要原理基于底 栖有孔虫与底层水之间的13C保持平衡。
➢氮同位素
海相沉积物有机质中15N的研究表明，有机质15N反映了 大洋表层的硝酸盐的可利用程度，能提供古海洋生产 力的信息。沉积有机物中的氮同位素比值受到固氮反 应、陆地输入、保存条件和水柱中的去氮反应、硝酸 盐的相对利用率的影响。
第六章 古海洋生产力
Paleoproductivity
古海洋中生物生产力的演变历史，不仅对于海洋 的物理、化学条件产生影响，而且也是理解洋底 沉积机理和沉积矿产分布规律的重要因素。古海 洋学的生物方面比物理、化学方面更加复杂。
海水对大气CO2的调节：
浅海——生产力 深海——碳酸盐沉积 (CCD：碳酸盐补偿深度)
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8、业余生活要有意义，不要越轨。20 20年12 月11日 星期五 8时43 分47秒0 8:43:47 11 December 2020
•
9、一个人即使已登上顶峰，也仍要自 强不息 。上午 8时43 分47秒 上午8时 43分08 :43:472 0.12.11
• 10、你要做多大的事情，就该承受多大的压力。12/11/
沉积物的Al/Ti比值可以反映有机质颗粒对水柱中微 量的Al（OH）3的清扫作用，在某种程度上也可以反 映古生产力的变化。
有孔虫Cd/Ca比
由于大洋海水中镉的分布和磷酸盐相似，那么，Cd/Ca
比可作为古营养盐的指标。
正相关
底栖有孔虫的Cd/Ca
上覆海水中的Cd/Ca
通过底栖有孔虫Cd含量的变化就可以反映深层水团的变化。 当底栖有孔虫记录高的Cd/Ca值，则反映了深层水团高的 PO4浓度；相反，底栖有孔虫Cd/Ca如果是低的值，则表明 低营养水团的存在。