第六章 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
0.15
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
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)
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。
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。
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.
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。
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
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ40
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。
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
➢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)
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
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。
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。
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