f-f之交的南海赤潮多发期

f-f之交的南海赤潮多发期

赤潮是指由浮游生物（通常以藻类为主）的强烈嗜变和高度丰富而使海水（或海水、湖泊和河流）变红的自然现象。这是一个复杂的生态异常表现。20世纪以来，随着河流、河流、湖泊、海洋等有机污染和富营养化程度的增加，世界上赤潮的频率、强度和影响不断恶化，引起了科学家、政府和社会的高度关注。红潮的研究投入了大量人力和物力。然而，与赤潮有关的地史特征并没有引起科学家的广泛关注。根据广西上泥盆统法律第（f-f）层的分子地层、碳储量和地层古生物资料，晚泥盆统的法律第（f-f）期的可能是赤潮的高发期。浮游生物（主要是藻类）的大量繁殖和丰富有利于水体的富营养化。通过f-f分离，碳酸盐沉积减少，黑色岩石等缺氧沉积增加，生物群落（如上层昆虫和礁石）的快速减少或灭绝可能密切关系。1藻类组成和生物多样性现代赤潮研究表明,赤潮能杀死贝类、鱼、虾等底栖和浮游生物,造成广大范围内海洋生物和生态环境的大劫难.赤潮主要出现于低、中纬度的近岸浅水海域,某些藻类的异常繁殖和高度富集使海水富营养化、毒化和缺氧是导致赤潮和大量海洋生物死亡的直接原因.因此,地史时期的赤潮证据可归结为4个方面:藻类(如蓝绿藻等)繁盛,生物,特别是藻类的初级产量高,生物分异度低,大量底栖和浮游生物大范围死亡;黑色页岩、高碳内源沉积岩等缺氧沉积发育,生物礁、生物层等碳酸盐沉积减少;C:N:P的比例和碳酸盐δ13C值偏高;沉积环境主要为中-低纬度的近岸浅水海域.1.1广西泥盆系中的生物因素广西泥盆系F-F之交台盆碳酸盐相的分子化石主要由正构烷烃、类异戊二烯烃、萜类、甾类构成,在所检样品中,Pr/Ph<1(或<<1),Ph/nC18值较高,C16～C24具明显的偶碳优势(表1,图1).正构烷烃是一类研究得最多的生物标志化合物,广泛存在于植物及其他生物体内,不同生物源的正构烷烃具有不同的碳数分布.来源于藻类和细菌等的海洋浮游生物的正构烷烃,其碳数主要集中在C20以前,多以C15,C17和C19为主,分布模式为前峰型,且无明显的奇偶优势;源于陆源高等植物的正构烷烃,高碳数者占优势,多以C27,C29和C31为主,且在C23～C33范围内有明显的奇偶优势,分布模式为后峰型;当水生浮游或底栖生物源与陆源高等植物源同时存在时,其分布模式通常为双峰型.主碳峰为C18或C2C的正构烷烃,其先体主要为水生底栖非光合作用合成细菌或远洋浮游动物,具有高蒸发量、高盐度海相碳酸盐环境的特征.C20以下的类异戊二烯烃主要来源于叶绿素的植醇侧链,C21以上的类异戊二烯烃来源于具有规则侧链的聚戊烯醇.规则类异戊二烯烃的另一个重要来源是古细菌的细胞膜.姥鲛烷和植烷都是植醇的降解产物,在强还原环境下以形成植烷为主,在弱氧化条件下以形成姥鲛烷为主.因此,类异戊二烯烃中姥鲛烷与植烷的相对丰度比值(Pr/Ph)可以指示沉积环境的氧化还原状态[3,4,5,9,10,11,12,13,14,15].大量的研究表明,Pr/Ph值不仅与环境的氧化还原条件有关,也与盐度、酸碱度和沉积物的埋深有关;Pr/Ph值随盐度、pH值和埋深的增加而减少;高盐度、高度缺氧的碱性蒸发盐和碳酸盐环境,Pr/Ph<1.分子地层资料(表1,图1)显示,广西泥盆系F-F之交台盆碳酸盐相的分子化石的母体生物源主要为海源浮游植物、浮游动物、底栖非光合作用的菌类和陆源高等植物,其中浮游植物是构成F-F事件期台盆碳酸盐相生物量的主体;在F-F之交广西海域为具有较高蒸发量、盐度和缺氧的碳酸盐环境.根据牙形石生物地层和轨道旋回地层的研究,这种恶劣环境至少从上rhenana带上部延续至中triangularis带,持续时间约1.4Ma(图2).从图2可见,跨越F-F界线的分子化石类型及其所反映的环境特征(高盐,缺氧)似乎没有明显的变化.但植烷的极大值(高丰度的浮游植物)或Pr/Ph的极小值主要出现于弗拉阶顶部和法门阶底部,具有旋回型的变化特点.由于泥盆系植烷和碳数为C19的正构烷烃具有相同的先体——浮游植物,泥盆系缺氧环境中植烷的丰度可近似地代表浮游植物的丰度.1.2海水中及其海相碳酸钙13c的13c值的特征广西弗拉阶、法门阶和弗拉阶-法门阶之交δ13C主要为正偏,平均值分别为1.077‰,1.354‰和1.216‰;在所检测的37件样品中,δ13C的最大值为3.638‰,发育于白沙剖面弗拉阶上部盆地相灰岩中(图2).海洋中固相碳酸盐与液相碳酸氢盐之间的碳同位素分馏仅1‰～2‰,且基本与温度无关.因此,地层记录中,未经蚀变的碳酸盐的δ13C水平基本上代表了原始海水的碳同位素水平.而海水中碳酸氢盐的δ13C水平在很大程度上取决于无机碳被浮游生物、藻类光合作用还原成有机碳的量和埋藏在沉积物中的有机碳量.在光合作用过程中,由于生物体中的酶具有优先吸收环境中轻碳的选择性特征,因此,海洋中高产率环境和时期沉积的碳酸盐将富集13C,从而使碳酸盐的δ13C值升高.另一方面,缺氧环境有利于有机碳(轻碳)的埋藏和保存,使海水相对富集重碳,导致碳酸盐的δ13C正偏.因此,海相碳酸盐的δ13C正偏是高生产力、缺氧、海水富营养化和赤潮的重要判据之一.1.3广西地质构造及对比在弗拉阶-法门阶界线之下,华南泥盆纪丰富的层孔虫、造礁珊瑚和牙形石及古地磁资料表明,弗拉期-法门期之交,广西总体上处于热带或亚热带,为浅水碳酸盐台地与盆地间列的海洋环境.由于在层孔虫和珊瑚礁碳酸盐中较少见有牙形石,因此,华南地区层孔虫和珊瑚礁的精确死亡或绝灭过程尚不十分清楚.但有资料显示,中国华南地区层孔虫和珊瑚礁的死亡时间发生于牙形石Palmatolepislinguiformis带上部,比德国、比利时和加拿大层孔虫和珊瑚礁碳酸盐消失时间(分别消失于Palmatolepisrhenana带、Anc.triangularis带和Palmatolepislinguiformis带)晚.在广西杨堤、都安、南垌和六景等碳酸盐盆地和斜坡相剖面上,F-F之交,原地埋藏化石主要为各种钙藻、介形虫、牙形石;常见粒状黄铁矿或呈黄铁矿假像的褐铁矿,少见遗迹化石和生物扰动;地层序列具轨道旋回结构.在桂林神湾里等碳酸盐台地相剖面上,发育白云质灰岩和灰质白云岩,除各种钙藻外,其他化石少见,可见粒状黄铁矿或呈黄铁矿假像的褐铁矿,少见遗迹化石和生物扰动.总体上反映以藻类为主、生物单调和环境缺氧的特点.在F-F之交,华南地区牙形石的绝灭率高达90%以上,遭绝灭的多为浮游相的Palmatolepis属的manticolepid类群,其他还有Ancyrodella,Ancyrognathus以及Polygnathus属的许多种.台地相和礁相的珊瑚几乎全部绝灭,但生活在透光带以下、温凉水域中约200～400m水深的小型、单体和不具附着构造的四射珊瑚却没有受到此事件的影响.俞昌民等人的研究表明,早泥盆世-中泥盆世早期,四射珊瑚属的发生数大于绝灭数,中泥盆世晚期(吉维特期)至晚泥盆世早期(弗拉期)四射珊瑚属的发生数小于绝灭数.竹节石、腕足、牙形石等生物类别也具有类似的分阶段绝灭的特点.2f-f-交缺血专利系统的群落特征F-F之交是地史上的多事之秋,在F-F事件期间,21%的海相生物科,约50%的属和82%的种从生物圈中永远消失.从古生态学的角度看,F-F之交生物的集群绝灭事件对地球生态系的影响远大于古生代-中生代之交事件和中生代-新生代之交事件.众多的研究[23,30,31,32,33,34,35]表明,F-F之交生物的集群绝灭在生物类群、地理纬度和生态环境上具有明显的选择性.受重创的是低纬度礁生态系、浅水海相生物,而高纬度生态系、深水生物和陆生动、植物受影响甚小.在F-F之交,低纬度区腕足的绝灭量是其高纬度区的300%,浅水区腕足的绝灭量是其深水区的150%.这种选择性的绝灭特征与赤潮发生的纬度和环境特征颇为一致.另一方面,在F-F之交,从赤道至极地气候的差异性小,蒸发量大,中-低纬度陆表海具有37～40℃或大约40℃的极高的表层水温,这种气候条件易于形成赤潮、表层海水的咸化、水柱中温度和盐度分层和缺氧的底层水体.由于F-F之交的集群绝灭不仅在地质学时间尺度上具有等时性,而且在空间分布上具有全球性,广西资料表明的赤潮现象是否具有全球性和等时性尚是一个有待进一步研究的问题.但在F-F之交,在全球范围内研究积累雄厚地区的有机地球化学、碳同位素和地层古生物资料与我们在上文中展示的资料具有较好的一致性.在美国纽约州的WestValley地区,在F-F之交缺氧沉积物中有机物的δ13C值为+4‰～+5‰,C:N:P的埋藏比例从界线之下的约100:15:1到界线附近的5000:170:1.加拿大西南部的Alberta地区上泥盆统沉积也具有类似的特征.在正常含氧量的海相环境中,浮游生物大体按106:1的比例从环境中同化吸收或分解释放碳和磷.在缺氧的海相环境中,碳和磷从有机物中的分解释放通过厌氧呼吸变得不相关,即磷的释放量大大增加,埋藏量却大大减少;碳的释放量大大减少,埋藏量却大大增加.由于磷是在地质学时间尺度上生物营养源的主控元素,磷的释放量大大增加将增加浮游生物对磷的获取量,从而增加生物的原始产率,即浮游生物得以大量繁殖、海水富营养化和缺氧.在波兰的圣十字山区和法国南部的MontagneNoire地区,弗拉期末和法门期初,具有毒性的绿藻prasinophytes广为繁盛,被认为是导致表层海水富营养化的主要灾害性的浮游生物类群.在德国的Benner,Schmidt,Vogelsberg地区;法国的Coumiac地区,奥地利的CarnicAlps地区,加拿大的Clinquefoil山区和Trout河地区,F-F之交的δ13C值(均为正偏,变化范围为3.4‰～0.9‰)和地层古生物资料与我们在上文中报道的反映赤潮的地质判据资料具有较好的一致性.由此可见,