（海洋地质专业论文）南海晚第四纪颗石藻化石记录及古海洋学意义.pdf

摘要 摘要 本文选取中法合作m a r c o p o l o 航次( i m a g e sx i i ) 南海西部m d 0 5 2 9 0 1 孔和南海北部m d 0 5 2 9 0 4 孔沉积柱状样为研究材料，采用颗石藻自动鉴定系统 s y r a c o f s y s t b m ed er e c o n n a i s s a n c ea u t o m a t i q u ed ec o c c o l i t h e s ) ，对全部2 3 0 3 个样品进行颗石藻属种统计分析，揭示了晚第四纪以来南海高分辨率( 约2 百 年) 的颗石藻主要属种变化历史，展示了海水营养跃层深度及表层海水初级生 产力在冰期间冰期及长时间尺度上的变化。通过与这两个孔其他研究资料以及 南海南部o d p i l 4 3 站颗石藻化石记录的对比，探讨了南海颗石藻群落和初级生 产力变化的可能影响因素，并尝试讨论颗石藻与大洋碳储库变化的关系。 南海西部和北部的颗石藻化石组合基本相同，主要属种为f l o r i s p h a e r a p r o f u n d a 其次g e p h y r o c a p s ao c e a n i c a 和e m i l i a n i ah u x l e y i ，此外g e p h y r o c a p s a m u e l l e r a e ，g e p h y r o c a p s ae r i c s o n i i , u m b i l i c o s p h a e r as i b o g a e ，u m b e l l o s p h a e r a t e n u i a ，h e l i c o s p h a e r ac a r t e r i ，s y r a c o s p h a e r ap u l c h r a 和s y r a c o s p h a e r as p p 也比较 常见。 利用e p r o f u n d a 为相对百分含量重建了南海晚第四纪营养跃层的变化历史。 南海西部m d 0 5 2 9 01 孔海水营养跃层深度过去4 5 3 5 万年较深，之后开始逐渐 变浅，2 5 万年至今保持相对稳定，其中深海氧同位素4 期和2 期( m i s 4 、2 ) 出现较大幅度的变深过程。北部m d 0 5 2 9 0 4 孔营养跃层深度冰期一问冰期变化明 显，间冰期深冰期浅。频谱分析显示两个地区主要颗石藻属种变化都具有明显 的斜率和岁差周期，西部还表现出半岁差周期。 南海晚第四纪以来表层海水初级生产力过去4 5 2 5 万年较高，2 5 万年之后 生产力保持稳定，m i s 5 期生产力开始逐渐升高至末次冰盛期后下降。南海北部 和苏禄海具有显著的冰期间冰期旋回，冰期生产力高，间冰期时低，而m i s 3 期相对较高。南海北部生产力变化主要受到海平面变化和东亚冬季风的影响， 西部更主要受到海流以及东亚夏季风在此区域引起的夏季上升流影响。 南海西部距今约4 5 2 5 万年的“中布容期”e p r o f u n d a 含量很低。初级生产 力高；桥石类繁盛，钙质生产力较高，碳酸盐堆积速率增加。与此同时南海及 世界各大洋碳酸盐溶解加强。这些变化可能与碳储库的改变有重要关系。2 0 万 摘要 年以来南海浮游有孑l 虫6 1 3 c 值逐渐变重，生产力水平逐渐升高。8 1 3 c 值在冰消 期出现3 次轻值，分别对应生产力的快速升高。这一变化可能与大洋生物泵有 机碳与无机碳输出比例有关。 关键词：南海，晚第四纪，颗石藻，古海洋学 a b s t r a c t t h ei n v e s t i g a t i o no fc h a n g e si na b u n d a n c eo fc o c c o l i t ho fc o r cm d 0 5 2 9 01a n d m d 0 5 2 9 0 4 ，r e t r i e v e df r o mt h ew e s t e r na n dn o r t h e r ns o u t hc h i n as e a ( s c s ) d u n n g t h es i n o f r e n c hi n t e r n a t i o n a lc r u i s em a r c o p o l o ( i m a g e sx n ) ，w a sp e r f o r m e db y a u t o m a t i cr e c o g n i t i o ns y s t e mf o rc o c c o l i t h ( s y r a c o ，s y s t r m ed er e c o n n a i s s a n c e a u t o m a t i q u ed ec o c c o l i t h e s ) t h er e s u l t so ft o t a l2 3 0 3s a m p l e sr e v e a l e dt h ec h a n g e s o fp r e d o m i n a n tc o c c o l i t hs p e c i e sw i t har e s o l u t i o na v e r a g i n g - 4 1 2 k y rs i n c el a t e q u a t e r n a r y g l a c i a l i n t e r g l a c i a lf l u c t u a t i o n sa n dl o n g - t e r mc h a n g e s i n d e p t ho f n u t r i c l i n ea n dp r i m a r yp r o d u c t i v i t yo fs u r f a c ew a t e rw e r ei n v e s t i g a t e d t h er e c o r do f c o c c o l i t hs p e c i e sa n do t h e rd a t aw e r ec o m p a r e db e t w e e nt h et w oc o r ea n do d ps i t e 11 4 3i nt h es o u t h e r ns c st od i s c u s st h ep o s s i b l ec a u s a t i o n so ft h ev a r i a t i o n si n c o c c o l i t hs p e c i e sa n dp r i m a r yp r o d u c t i v i t y , a l s ot h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nc o c c o l t ha n d o c e a n i cc a r b o nr e s e r v o i rc h a n g e s c o c c o l i t ha s s e m b l a g e sa r es i m i l a ri nt h ew e s t e r na n dn o r t h e ms c s t h em o s t a b u n d a n ts p e c i e si sf l o r i s p h a e r ap r o f u n d af o l l o w e db yg e p h y r o c a p s ao c e a n i c aa n d e m i l i a n i ah t l ) c l e y i i na d d i t i o n ，t h es p e c i e so fg e p h y r o c a p s am u e l l e r a e ，g e p h y r o c a p s a e r i c s o n i i ，u m b i l i c o s p h a e r as i b o g a e ，u m b e l l o s p h a e r at e n u i s ，h e l i c o s p h a e r ac a r t e r i , s y r a c o s p h a e r a p u l c h r aa n ds y r a c o s p h a e r aa r ec o m m o ni nm o s ts a m p l e s n u t r i c l i n ev a r i a t i o n sd u r i n gl a t eq u a t e r n a r yi ns c sa r er e c o n s t r u c t e du s i n gt h e r e l a t i v ea b u n d a n c eo ft h ec o c c o l i t h o p h o r ee p r o f u n d a i nw e s t e r ns c s ，t h en u t r i c l i n e w a sd e e pd u r i n g t h et i m ei n t e r v a lb e t w e e n4 5 0a n d3 5 0k a i tb e c a m es h a l l o w e rf r o m 3 5 0t o2 5 0k aa n dr e m a i n e ds t a b l eu n t i ln o w , w h i c hd e e p e n e da b r u p t l yi nm a r i n e o x y g e ni s o t o p es t a g e ( m i s ) 4 a n d2 t h en u t r i c l i n es h o w s s i g n i f i c a n t g l a c i a l - i n t e r g l a c i a lv a r i a t i o ni nt h en o r t h e ms c sw h i c hw a ss h a l l o wd u r i n gg l a c i a l p e r i o d sa n dd e e pd u r i n gi n t e r g l a c i a l s s p e c t r a la n a l y s i so fr e l a t i v ea b u n d a n c eo f p r e d o m i n a n tc o c c o l i t hs p e c i e ss h o w ss i m i l a rt r e n d si nt h et w op l a c e s t h ep r i m a r yp r o d u c t i v i t yo fs u r f a c ew a t e ri ns c sw a sh i 【g hf r o m4 5 0t o2 5 0k a a n dr e m a i n e dr e l a t i v es t a b l ea f t e r2 5 0k a i ti n c r e a s e dg r a d u a l l ys i n c em i s 5a n d d e c r e a s e da f t e rl a s tg l a c i a lm a x i m u m t h ep r o d u c t i v i t i smt h en o r t h e r ns c sa n d s u l us e as h o wg l a c i a l i n t e r g l a c i a lc y c l e sw h i c hi sh i i g hi ng l a c i a l s ，l o wi ni n t e r g l a c i a l s a n dr e l a t i v eh i g hi nm i s 3 v a r i a t i o n si np r i m a r yp r o d u c t i v i t yi nt h en o r t h e r ns c s c o u l db ea t t r i b u t e dt oi n f l u e n c eo fc h a n g e so fs e al e v e la n de a s ta s i aw i n t e rm o n s o o n w h i l ew e s t e r ns c sw a sm o r er e l a t e dt oo c e a nc u r r e n ta n du p w e l l i n gc a u s e db ye a s t a s i as u m m e rm o n s o o n w h i l et h ea b u n d a n c eo fe p r o f u n d aw a sl o wi nw e s t e ms c sb e t w e e n4 5 0a n d 2 5 0k a ( m i d - b r u n h e si n t e r v a l ) ，t h ep e r c e n t a g eo fg e p h y r o c a p s ac o c c o l i t hw a sm u c h h i g h e r i ti n d i c a t e dt h a tt h ep r i m a r yp r o d u c t i v i t ya n dc a r b o n a t ep r o d u c t i o ni ns u r f a c e w a t e re n h a n c e ds i g n i f i c a n t l yw h i c hi n c r e a s e dc a c 0 3a c c u m u l a t i o n w h i l ei nt h e s a m ep e r i o d ，d i s s o l u t i o no fc a r b o n a t ea tt h es e a f l o o re n h a n c e di ng l o b a lo c e a n sa n d s c s i ti ss u g g e s t e dt h a tt h e s ep h e n o m e n o n sm a yb ep o s s i b l yr e l a t e dt ot h ec h a n g eo f o c e a n i cc a r b o nr e s e r v o i r t h ep r i m a r yp r o d u c t i o ni n c r e a s e ds i n c e2 0 0k a ，w h i c hc a n b er e p r e s e n t e db yt h ec a r b o ni s t o p e se n r i c h m e n to fp l a n k t o n i cf o r a m i n i f e r s t h r e e n e g a t i v ee x c u r s i o n so f6 1 3 cc o r r e s p o n d i n gt o t h ea b r u p ti n c r e a s eo fp r i m a r y p r o d u t i v i t yc a nb eo b s e r v e dd u r i n gd e g l a c i a l s s u c hc h a n g e sm a yb er e l a t e dt ot h e r a t i oo f o r g a n i c i n o r g a n i cc a r b o n k e yw o r d s ：s o u t hc h i n as e a , l a t eq u a t e m a r y , c o c c o l i t h ，p a l e o c e a n o g r a p h y i v 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名： 布翔 叫年多月f 日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名：茚翔 卅年弓月仫日 第1 章绪论 第1 章绪论 南海由于其特殊性和重要性在过去的二十年中吸引世界各国科学家对此地 做深入全面的研究工作。在碳循环( w a n g e ta l ，1 9 9 5 ；w a n gc ta l ，2 0 0 3 ；w a n ge ta l ， 2 0 0 4 ) 、深部水体变化( j i a ne ta l ，1 9 9 7 ) 、表层海水温度( z h a oe ta l ，2 0 0 6 ) 、古生 产力变化( j i a n e ta l ，1 9 9 9 ；h u a n ge ta l ，2 0 0 3 ) 等方面都积累了大量研究资料，取得 了显著的进展。 南海古海洋学研究取得的最突出成果是发现了大洋碳储库有4 0 5 0 万年的 长周期，存在碳同位素重值期。轨道周期驱动的低纬过程可能是影响长周期的 重要因素，轨道驱动调控陆地的化学风化和输入大洋的硅元素丰度，从而影响 大洋浮游植物中硅藻与颗石藻比值，造成沉降颗粒中有机碳与无机碳比例变化， 导致大洋的碳储库的长周期变化( 汪品先等2 0 0 3 ) 。因为海洋浮游植物群对大洋 碳储库有重要的控制作用，这种控制作用通过生物泵来完成。生物泵包括有机 碳泵和碳酸钙泵两部分。有机碳泵是植物通过光合作用吸收海水的c 0 2 ，而碳酸 钙泵是通过碳酸钙的沉淀释放出c 0 2 到海水。进入地质纪录的浮游植物群主要 成分是硅藻和颗石藻，它们在碳循环中又起着各不相同的作用：硅藻只产生有 机碳，而颗石藻不但产生有机碳还产生碳酸钙成分的骨骼。因此，硅藻只具有 有机碳泵的功能，而颗石藻同时兼具有机碳泵和碳酸钙泵的功能。由此可见， 研究地层记录中硅藻和颗石藻的比值变化与碳同位素周期之间的对应关系是检 验上述假说的一个重要方面。 东亚季风一直是南海古海洋研究的重点和热点，由于受到东亚季风的影响， 南海的上升流分布范围较广，强度也较大。上升流引起上部海水垂直结构和深 部海水化学性质的一系列变化。前期的研究表明冰期旋回中次表层海水温度的 变化幅度，都大于表层海水，说明温跃层深度、次表层水性质在内的上层海洋 结构特征，可能是热带海区在气候演变中比表层水温更为活跃的因素。因此， 研究南海海水上层结构的变化对于探索古气候的热带驱动机制有重要作用。而 前期对海水上层结构的工作主要集中在以有孔虫为对象的研究上( j i a ne ta l ， 2 0 0 0 a , b ) ，其他研究方法则较少见。 海洋有机质生产是全球碳循环的重要环节，因而海洋生产力研究一直受到 地球科学界的瞩目。对于古海洋学研究而言，古海洋生产力的直接测定是不可 第1 章绪论 能的，因此寻求反映古海洋生产力变化的指标已成为古海洋学研究的重要内容， 并在近年来得到飞速的发展。现在研究生产力主要替代性指标有生物沉积物、 营养元素、微量元素和同位素、古生物指标等( 黄永建等，2 0 0 5 ) 。目前南海 古生产力研究主要应用的方法有碳同位素( 王律江，1 9 9 2 ) 、微体化石( 翦知 滑等，1 9 9 9 ) 有机碳含量与碳同位素( t h u n c l le ta 1 ，1 9 9 2 ) 、氮同位素( h i g g i n s o n e ta 1 ，2 0 0 3 ) 、生物标记物法( z h a oe ta 1 ，2 0 0 6 ) 等。其中，颗石藻作为主要的 大洋生产者，其“骨骼化石”颗石又能在沉积物中很好的保存下来，是研 究古生产力的最佳替代性指标之一。 现代古海洋学仍存在不少争论和假说，各种替代性指标之间的相互关系及 其与环境变化之间的关系和机理尚有待进一步深入研究。南海海域揭示的许多 古海洋事件已经证明可与其他区域进行较好地对比，具有全球变化的共性，但 对事件的特征、发生机制及在全球变化中的关系等方面研究与国外领先技术理 论相比还有差距，这尤其需要在研究手段和研究深度上进一步加强。颗石藻是 现代海洋中最重要的初级生产者，它主要生长在海水上部透光层，受海水温度、 光线强度和营养物质所控制，因此对海洋环境及气候变化响应极为灵敏。由于 其分布广、数量多、演化迅速，并能反映海水温度、古生产力、上层海水结构、 季风强弱等环境信息，颗石藻化石已成为古海洋学和古气候学研究的一种重要 手段。 近十年来，以颗石藻化石为基础的研究在南海古海洋学和古气候学研究中取 得了一系列重要成果。从海水上层结构的变化( 刘传联和成鑫荣，2 0 0 1 ) 到再造 海水初级生产力( 刘传联等，2 0 0 1 ) ：从钙质超微化石氧碳同位素在第四纪冰期 间冰期中的应用( 刘传联等，2 0 0 2 ) 到碳循环演变周期的探索( 汪品先等，2 0 0 3 ) 等方面，都表现了颗石藻在南海第四纪古海洋学研究中的重要作用。但目前仍 存在很多问题有待进一步发展。首先，研究的站位少。自九十年代以来，国内 外有关单位己在南海进行了多次古海洋学专题航次，取得了大量柱状样和钻孔 样品，如魏国彦等在南海北部( w c i ，e ta l ，1 9 9 7 ) ，h u a n g 等( h u a n ge ta l ，1 9 9 7 ) 在 北部陆架，刘传联等在南海南部o d p i l 4 3 站( l i ue ta l ，2 0 0 8 ) 开展了超微化石 分析工作。但这些研究相比于其他微体古生物门类而言还显得极为薄弱。其次， 分析属种单调，缺乏全群的定量分析。以南海o d p i1 4 3 站为例，主要是统计了 f l o r i s p h a e r a p r o f u n d a 一种的百分含量，而把其它所有类别作为一类加以统计。 第三，缺乏长时间尺度的研究。对于南海颗石藻全属种的研究更多集中在表层 2 第1 章绪论 沉积物或沉积物捕获器上( c h e n ge ta l ，19 9 7 ；p e l e o - a l a m p a ye ta 1 ，2 0 0 0 ；f e m a n d o e ta l ，2 0 0 7 ) ，较长时间尺度上的古海洋学记录极少。第四，钙质超微化石记录 的分辨率低，多数工作的分辨率仅限于2 到3 千年，缺乏百年尺度的记录。由 此可见，南海第四纪钙质超微化石记录极度贫乏，尤其是缺乏高分辨率、长时 间尺度、全群定量分析的记录。 为了弥补南海古海洋学研究中高分辨率颗石藻化石资料的不足，从颗石藻 的角度探寻过去南海海水上层结构和初级生产力的变化规律，追寻南海颗石藻 群落与碳同位素重值期的相互关系，本次研究选取2 0 0 5 年中法合作m d l 4 7 航 次的m d 0 5 2 9 01 ( 14 0 2 2 5 0 3 n 。ll0 0 4 4 6 0 e ) 和m d 0 5 2 9 0 4 ( 19 0 2 7 3 2 n ， 1 1 6 0 1 5 1 5 e ) 柱状样为研究材料，采用当今国外最先进的颗石藻自动鉴定分析 方法( b e a u f o r t & d o l l f u s ，2 0 0 4 ) ，快速准确识别颗石藻属种并统计个数，获得晚 第四纪以来颗石藻群落的高分辨率记录。样品分别位于南海西部越南岸外夏季 上升流区和南海北部陆架，处于不同的海洋环境中，与已有的南部颗石藻鉴定 记录进行对比能够较为全面的分析整个南海颗石藻化石群的变化规律，不仅可 以重建各地区的上层海水结构和初级生产力变化历史，并能相互对比进而探讨 南海整体的古海洋与古环境变化规律，为东亚季风演变机制以及低纬海洋气候 演变的特殊性研究提供有力的证据，并尝试探索颗石藻在大洋生物泵与碳储库 中的作用。 3 第2 章南海地质及海洋环境 第2 章南海地质及海洋环境 2 1 南海地质地貌特征 南海是西太平洋一个近乎封闭的热带边缘海，北部西部为亚洲大陆，东部 南部被一系列岛弧所围绕，外轮廓近似菱形。它覆盖了从赤道到北纬2 3 0 n ，东 经9 9 0 e 到1 2 1 0 e 之间的区域，总面积约3 5 0 万平方公里，平均水深约1 2 0 0 米， 最深达5 3 7 7 m 。南海北部和南部陆架宽浅，东、西陆架窄陡，北部通过台湾海 峡与中国东海相通；中部是东北向延伸的中央深海盆：东北部的巴士海峡和中 部的民都洛海峡、巴拉巴克海峡与毗邻的太平洋相通：南部的巽他陆架和加里 曼丹、马六甲海峡，可以与苏禄海、爪畦海及印度洋的海水进行交换( w a n ge ta i ， 1 9 9 5 ) 。除巴士海峡较深外( 海槛深度2 6 0 0 m ) ，多数海峡深度不超过1 0 0m ，因 此南海对海平面变化反应非常敏感。海平面的升降，直接影响到南北陆架的出 露，海道的开闭，以及海水环流的格局等。 南海表层沉积大体上因离岸距离和水深而异：陆架浅水区以陆源碎屑物为 主；陆坡区以富含微体化石的次深海软泥为主；深海盆则沉积几乎不含钙质的 深海粘土。南海现代沉积物主要来源于河流搬运陆源碎屑和生物沉积。周边的 湄公河、红河和珠江等大河携带了丰富的陆源碎屑，三者输入南海的陆源碎屑 物年合计3 6 亿吨，而通过台湾海峡和巴士海峡方向来的海水也携入相当数量 的陆源碎屑( 邵磊等，2 0 0 1 ) 。此外，季风也供应了大量的风尘沉积。丰富的沉 积物来源，使得南海的沉积速率比开阔大洋中高一个数量级( w a n ge ta l ，1 9 9 5 ) 。 2 2 南海现代表层环流和温盐分布 南海位于东亚季风区，表层洋流主要由东亚季风驱动。穿越盆地的表层流 冬、夏方向相反：冬季，干而冷的东北风驱使赤道地区太平洋海水通过巴士和 台湾海峡进入南海，再经由巽他陆架进入印度洋；夏季，盛行的西南风驱动赤 道印度洋的表层海水进入南海再向北通过巴士海峡进入太平洋( 图2 1 毛b ) 。南 海南北宽浅的陆架，在末次盛冰期海平面下降，出露海面。南部的连通海道都 4 第2 章南海地质及海洋环境 被戈闭，只有巴士海峡作为唯一通道和太洋连通，成为半封闭海盆。冰期时如 季风方向不变南海表层流受地形限制应当变为夏季顺时针，冬季逆时针方向 的环流。 由于受到季风及海流的影响，南海上部水体年平均温度呈东北西南向分布 模式。南海冬季受北部流入的玲水影响温度梯度增人，从北部内陆架的18 “c 到 南部的2 7 0 c ，等温线几乎与纬度平行分布。夏季南海北部表层水温在2 6 2 9 0 c 之问，南部表层水温大丁2 8 0 c ，南北温度梯度减小( 图21c , d ) 。 罔21 现代南海冬、夏季表崖环流( a , b 阴影部分指不r 升流区) 、温度( c d ) 和盐度( e ，d 分布( a , b 据f a n ge ta l ，1 9 9 8 ；c ，也e ，f 据王东晓等，2 0 0 2 ) 南海的表层盐度在3 28 3 42 之间，冬季南海北部降阿减少，盐度桐对较高。 夏季的时候，两太平洋暖池延伸至整个南海海盆( y a he ta l ，1 9 9 2 ) ，海水表层温 度升高，随着热带辐台带的北移，降雨导致南海的盐度降低。南海北部陆架由 于大量淡水从北部的珠江和两南的湄公河注入，稀释了沿岸海水。东北部因有 盐度更高的北太平洋水一黑潮经吕宋海峡进入南海，盐度相对较高。南部的海 水由于湄公河淡水的注入以及降雨大于蒸发量盐度相对低( 斟21e ，f ) ， 第2 章南海地质及海洋环境 2 3 南海水体的垂直结构 南海与太平洋海水交换主要通过巴士海峡和民都洛海峡进行，海水交换仅 对南海的表层环流产生影响，深水区水温的垂直分布趋势总体上是非常一致， 都可以分为上均匀层、温跃层、渐变层和下均匀层四部分。由于垂直对流、风、 浪和海流等动力因素引起的混合作用的变化，上均匀层和温跃层，具有明显的 季节性和区域性。温跃层的平均厚度一般是春季小冬季大，北部大南部小。南 海表层水主要由上均匀层和温跃层上部构成。次表层水由温跃层下部和渐变层 组成，特征是高盐。它的温度随深度增加而迅速降低。次表层水以下至1 0 0 0m 为南海中层水，其特征为低盐，中层水之下便是没有季节变化的南海深层水， 其温度低于4 0 c ，盐度在3 4 5 3 4 6 5 间变化( 黄企洲，2 0 0 3 ) 。南海的深层水主 要来自太平洋，太平洋水通过巴士海峡进入海盆形成南海的深层水。深层水上 升并与表层水混合形成中层水。底层水的快速运转使中层水、深层水和底层水 的物理和化学性质相对均一。 季节性反向的东亚季风主要驱动南海上升流的形成。在夏季风的作用下， 根据e k m a n 漂流理论，近岸表层水离岸外流，而下层水则向岸涌生补充，从而 引发了南海西部越南东岸( 北纬1 2 1 4 0 n ) 海域的上升流( c h a oe ta l ，1 9 9 6 ) 。而 冬季在南海东部吕宋岛西北岸( 北纬l “1 9 0 n ) 的上升流主要是由海流( 东部 边界流) 汇聚造成，e k m a n 离岸流起维持作用( s h a we ta 1 ，1 9 9 6 ) ( 图2 1 曲) 。 海水向上运动，将底层低温富含营养盐的海水带入表层和近表层，使上升流的 中心区温度较低，盐度较高，形成海气之间热量交换的特殊区域。 2 4 南海营养盐及生产力 总体来讲，南海5 0 米以上的上层海水高温且贫乏营养盐。研究表明南海东 北部海域表层至1 0 0 m 深度磷、硅含量除秋季略高外，其他时间皆为低值；磷分 布以西南及东北部略高，而硅分布均匀。1 0 0 m 至5 0 0 m 层水域，硅、磷含量增 大，近岸分布均匀，春季东南部海区磷、硅含量形成较高值半封闭圈，与出现 的低温水域相对应，反映了富含营养盐的深层水上升到浅层所形成的冷涡水。 夏、秋、冬季海区西南局部高磷硅区与低温、低溶解氧区对应，体现该海区存 在上升流涌升( 陈水土，2 0 0 3 ) 。深部水体较为均一，硝酸盐和磷酸盐在约1 5 0 0 6 第2 章南海地质及海洋环境 m 或稍浅处浓度最高，硅酸盐在约2 2 0 0m 深度浓度最大。 现代南海的初级生产力主要由硅藻( 6 3 0 呦、沟鞭藻( 2 4 1 呦、蓝藻菌( 9 3 呦、 绿藻类( 1 8 ) 和金藻类( 1 8 ) 组成，其中绿藻和金藻主要出现在夏季。浮游植 物分布的季节性、区域性特点，使南海的初级生产力也由明显的季节性和区域 性。总的来说，夏季低，冬季高。夏季的初级生产力，9 4 5 1 3 0 5 8m g c m 2 d 1 ， 平均3 8 9 8m g c m 。2 d 1 。冬季的初级生产力比夏季高，1 4 5 8 16 0 5 4m g c m 五d - 1 ， 平均5 4 6 0m g c m 电d 。 生产力与碳的颗粒沉降对季风气候有明显的反映。南沙海区大口径沉积捕 获器近1 年的观测发现最大的通量发生在季风期内，尤其是冬季风盛行时最强， 而通量峰值在上层( 7 2 0 m ) 与下层( 2 2 7 0 m ) 之间相差1 个月；中德合作8 年 来在南海北部和中部的观测结果，同样说明季风期出现高通量，而且冬季更盛 ( 汪品先等，2 0 0 6 ) 。 由季风引起的上升流区也是南海高生产力区。由于次表层水带来丰富的营 养，浮游生物大量繁盛，生产力迅速增加。高生产力区域主要出现在巽他陆架 的北部，越南东部和海南岛的东南部，低生产力区域值主要在北部大陆架和吕 宋西部。最近有学者通过遥感、物理生物地球化学耦合三维数值模式研究，证 实现代南海存在季风驱动的季节性上升流区，以及上升流驱动的高叶绿素值分 布区，并证实南海确实存在“季风一上升流浮游生物初级生产力”的相关关系。 间歇性的上升流、季风、台风等提高了海水混合能力、降低营养跃层深度，从 而提高生产力。其生产力因营养跃层浅，比相邻的西菲律宾海要高两倍( l i ue ta 1 ， 2 0 0 2 ) 。 7 第3 章材料与方法 3 1 研究材料 第3 章材料与方法 2 0 0 5 年5 月，同济大学与法国极地研究所( i p e v ) 合作，以追索季风变化 的高分辨率记录、中层水变化历史和边缘海深海沉积学为目标，使用法国“m a r i o n d u f r e s n e ”号科学考察船，在南海实施了m a r c o p o l o 航次，即“国际海洋全球变化 研究计划”( i m a g e s ) x i i 航次和m d l 4 7 航次。该航次第一行段( m a r c o 行段) 在南海北部西沙深海盆和东沙深水区、西部越南岸外上升流区和南部巽他陆架 北陆坡和南沙深水区8 个站位共采集了1 5 个沉积柱状样。同时在船上进行了岩 芯描述和扫描摄影，测定了颜色反射率、磁化率、g r a p e 密度、孔隙率、横波 速度与波阻抗等( l a je ta 1 ，2 0 0 5 ) 。 本次研究选取5 号站位的m d 0 5 2 9 0 1 活塞柱状岩芯( 1 4 0 2 2 5 0 n ，1 1 0 0 4 4 6 0 e ) 和7 号站位的m d 0 5 2 9 0 4 活塞柱状岩芯( 1 9 0 2 7 3 2 q q ，1 1 6 0 1 5 1 5 e ) ( 图3 1 ) 。 m d 0 5 2 9 0 1 孔位于南海西部越南岸外夏季上升流区，水深1 4 5 4m ，岩芯全长 3 6 4 9m ，全柱岩性比较均匀，无明显浊流沉积，属含钙质和硅质超微化石的粉 砂质粘土。按岩性特征可分为两段： 上段为0 1 6 8 0m ，沉积物疏松多孔，为 灰橄榄绿色，有轻微的生物扰动现象，其中1 3 6 5 - 1 4 3 5m 的岩芯因船上取样时 严重扰动而不能使用；下段1 6 8 0 3 6 4 9m ，沉积物致密，岩性均一，呈灰绿和 浅灰绿色( l a je ta 1 ，2 0 0 5 ) 。 m d 0 5 2 9 0 4 孑l 位于南海北部大陆坡上，岩芯长度4 4 9 8m ，水深2 0 6 6 m ，整 个柱状样为岩性均一的粉砂质沉积，除最上层的2 0 c m 外，大部分呈橄榄灰绿色， 其中从2 1 2 0c m 至1 j 2 4 5 0c m 的沉积物较其他深度的颜色浅。部分层段有轻微的生 物扰动，中下部生物扰动遗迹偶有黄铁矿化现象出现( 2 8 7 4c m ) 。此外，在5 4 3 c m 深度处出现厚约2c m 的火山灰沉积( l a je ta 1 ，2 0 0 5 ) 。 m d 0 5 2 9 0 1 样品颗石藻属种鉴定分析对柱状样前部0 3 0 0 0 c m 按2 3 c m 间距 取样，除1 3 6 5 c m 1 4 3 5 c m 样品缺失，共计样品数l1 0 3 个，时间分辨率约0 3 k y r ； 对柱状样后部3 0 0 1 3 6 4 1 c m 按8 c m 间距取样，样品数8 0 个，时间分辨率约1 k y r 。 m d 0 5 2 9 0 4 柱状样按4 c m 间距取样，共计样品11 2 0 个，时间分辨率约0 2 5 k y r 。本 8 第3 章材料与方泣 次研究总计样晶2 3 0 3 个，全部样品处理、玻片制作与幅种统计上作均在同济人 学海洋地质国家重点实验室进行。 圉31m d 0 52 9 0 1 与m d 0 5 2 9 州沉积# 状样地理行营及本稼研究涉及的其他站恃 32 颖石藻属种统计方法 过去的颗石藻届种鉴定大多基于镜f 的人工统计方法，通过统计属种相对 含景( m e i n t y r e ，1 9 6 7 ) 和测量形态( b e a u f o r t ，1 9 9 2 ) 来反酞t 遁光带海水的性质， 并从中提取蓖要的古环境信息。然而，人丁统引颗石藻腻种绝对和相对含量需 要耗赞大量时f 日和特山r | 结粜小仃复舟 酋先，n 计多样。l 颗秆凄再属种问 数量相差巨人，往往曲个优辨种ro 一掂了颗t l 藻总苴的9 0 以上，因此雉以款 得较为精确的其他非优势属种含量的信鼠。其次，由于颗石藻化石个体极小无 法被单个挑出，使得统计结果难以复查，即便是同一个人再次测定同一个样品 结果也会有所不同。第三，个人鉴定的习惯和经验差别，也会导致统计结果存 在一定误差c 而自动鉴定技术的应用，能够弥补人t 统计中的不足并极人的提 高上作效率。 第3 章材料与方法 此次研究采用b e a u f o r t 等人开发的颗石藻自动鉴定系统s y r a c o ( s y s t b m e d er e c o n n a i s s a n c ea u t o m a t i q u ed ec o c c o l i t h e s d o l l f u s & b e a u f o r t , 19 9 9 ；b e a u f o r t & d o l i f u s ，2 0 0 4 ) 对所有样品进行颗石藻属种相对含量的统计。 3 2 1s y r a c o 系统原理 自然物体相比于人造物体具有更大的可变性，例如颗石类等微体化石，它 们个体小，数量大，种间和种内形态大小变化很大，在自然条件下会发生形变、 溶解、破碎，难以被传统的人工模拟方式识别。随着显微镜技术与计算机技术 的发展，特别是引入了人工神经网络技术( d o l l f u s & b e a u f o r t ，1 9 9 9 ) 之后，自动 鉴定方法得以在微体古生物研究中发挥作用。如b o l l m a n n 等人开发的c o g n i s 系统( c o m p u t e rg u i d e dn a n n o f o s s i li d e n t i f i c a t i o ns y s t e m b o l l m a n ne ta l ，2 0 0 4 ) 以及d o l l f u s 和b e a u f o r t 研发的s y r a c o 软件都在实际工作中取得了比较好的 效果。 1 9 9 9 年，d o l l f u s 和b e a u f o r t 根据人体视觉原理开发出了第一版颗石藻自动 鉴定系统s y r a c o 软件，经过训练可以可靠的鉴定颗石单个个体，但只能鉴定 视域中约一半的颗石个体，所以未投入日常的研究工作中。 2 0 0 4 年，b e a u f o r t 等人依据动态神经网络改进s y r a c o 软件，使得该软件 能对显微镜上安装的照相机拍摄的海底沉积物样品玻片的正交偏光图像进行逐 行扫描分析，可以鉴定视域中的所有个体并使准确率提高至9 6 ( b e a u f o r t & d o l l f u s ，2 0 0 4 ) ，同时能将颗石个体图像提取出来，按种类重新组合，以图像形 式输出，便于人工检查和再分析。这种具有“自学能力”的自动鉴定系统采用 多层分级、逐层分析方法，更适于鉴定颗石藻这种个体间大小、形状、保存状 况具有较大差异的自然物体以及含有大量非化石类“侵入体 的微体古生物样 品( g i r a u d e a u & b e a u f o r t ，2 0 0 7 ) 。该软件须通过“学习”已经拍摄的不同化石图 像来获得自动鉴别化石的能力。准备大小为6 4 “像素的正交偏光显微镜下拍 摄的颗石图片，每个属种约1 5 0 张，尽可能包含该属种的所有变化形态。利用 这些颗石图像和一组约2 5 0 0 张非颗石类图像对动态神经网络进行训练；然后从 每种化石的图像中提取出1 0 0 张图像与5 0 张该化石形态相近的“侵入体”图像 再对神经网络采取针对性训练( 图3 2 ) 。经过训练的s y r a c o 不仅能对表层沉 积物进行分析，还能识别第四纪以来1 4 个主要颗石藻属种：c a l c i d i c u sl e p t o p o r u s ， l o 第3 章村料与方法 c o c c o l i t h u s p e l a g i c u s , e m i l i a n i ah u x l e y i e p r o f u n d a y e l o n g a t af p , 口f u n d a m p r o f u n d a h e l i c o s p h a e r ac a r t e n ，g e p h y r o e a p s ae r i c s o n i i ，g e p h y r o c a p s am u e l l e r a e ， g e p h y r o c a p s ao c e a n i c a ，s c a p h o l i t h u sf o s s i l l i s ，s y r a c o s p h a e r ap u l c h r a , u m b i l i c o s p h a e r as i b o g a e u m b e l l o s p h a e r a t e n u i