南科1 井第四系暴露面特征及其与海平面变化的关系*

罗云, 黎刚, 徐维海, 程俊, 刘建国, 颜文

1. 中国科学院南海海洋研究所, 边缘海与大洋地质重点实验室, 中国科学院南海生态环境工程创新研究院, 广东 广州510301;

2. 南方海洋科学与工程广东省实验室(广州), 广东 广州 511458;

3. 中国科学院大学, 北京 100049

珊瑚礁是广泛分布于热带和亚热带海洋环境中的一种特殊类型的沉积岩, 是海洋浅水造礁石珊瑚和其他附礁生物的遗骸经过各种堆积作用形成的岩体(赵焕庭 等, 2014)。珊瑚礁不仅是控制全球碳循环的重要碳储库(Opdyke et al, 1992)和油气成藏的重要储层(魏喜 等, 2005; 朱伟林 等, 2010), 而且珊瑚礁的生长对海洋环境和构造事件的变化非常敏感, 它保存了地质历史时期表层海水化学组成、古海平面、生物生态环境演化等丰富的信息(Woodroffe et al, 2014; Hughes et al, 2017; Braga et al, 2019)。基于珊瑚礁记录可以很好地重建古气候(Betzler et al,2018; Lindhorst et al, 2019; Reolid et al, 2019)、区域生产力(Halfar et al, 2004; Wu et al, 2019), 以及解析区域构造演化历史(Wilson, 2002; Fournier et al,2005)。此外, 珊瑚礁的沉积演化研究对完善碳酸盐岩沉积模式也具有重要的启示意义(金振奎 等,2013)。

我国南海的珊瑚礁面积约为 37200km2, 约占世界珊瑚礁面积的5%, 位列东南亚地区第二位(赵焕庭 等, 2016b)。南海珊瑚礁礁体的地层学研究对于重建热带印-太暖池区的古海洋环境演变历史具有重要意义。前人利用西沙群岛的珊瑚礁钻孔资料,系统地开展了珊瑚礁生物化石的鉴定和古生态演变研究(马兆亮 等, 2015; 刘新宇 等, 2015, 2019a,b; 李银强 等, 2017), 精细划分和建立了西沙群岛的层序地层单元和生物礁滩的动态沉积演化模式(张道军 等, 2015; 朱伟林 等, 2015; 杨振 等,2016)。部分学者基于建立的西沙岛礁年代地层框架(朱伟林 等, 2015; Yi et al, 2018; Fan et al, 2020),探讨了西沙群岛中新世以来珊瑚礁发育演化与古海洋和古气候环境的响应机制(Shao et al, 2017;Jiang et al, 2019; Wu et al, 2019)。根据南沙南永1井和南永2 井这两口珊瑚礁钻孔岩心, 前人研究了永暑礁第四纪层序地层、礁体的发育演化及其对古海洋环境的响应(中国科学院南沙综合科学考察队,1992; 朱袁智 等, 1994), 恢复了永暑礁礁区近百万年来的古气候旋回演变(郭丽芬 等, 1993), 探讨了永暑礁“红色与黑色沉积层”的成因(颜文 等,2001; 姚衍桃 等, 2006)。

第四纪时期海平面的频繁变化控制了珊瑚礁体的生长堆积和出露剥蚀(Gischler, 2015; Woodroffe et al, 2014; 王振峰 等, 2015a), 礁体出露形成的暴露面是海平面变化的良好指示标志(尤丽 等, 2015;Wu et al, 2019)。暴露面通常对应着低海平面时期(Braithwaite et al, 2004; Gischler, 2015), 反映了半干旱-干旱的气候条件(Gong et al, 2003)。巴哈马滩和百慕大珊瑚礁碳酸盐岩中暴露面的存在证实了末次冰消期以来因气候转变而引起的海平面波动(Hearty et al, 2017)。基于暴露面建立的层序地层,Pomar(1991)恢复了西班牙马略卡岛(Mallorca)附近海区晚中新世以来的海平面变化旋回。在南海西沙群岛第四纪珊瑚礁地层中也发现了多期暴露面(Liu et al, 1997; Wu et al, 2019), 其中西科1 井发育的5个暴露面与全球低海平面时期基本一致(Wu et al,2019)。通过结合有机分子化合物和无机地球化学方法, Shao 等(2017)恢复了西沙海区中新世以来的海平面变化历史, 同时发现西沙群岛的珊瑚礁生长不仅受长周期(100ka)海平面变化的影响, 而且受短期海平面波动的控制(Liu et al, 1997; 覃业曼 等, 2019;Wu et al, 2019)。根据珊瑚礁岩心的岩相学、矿物学和碳氧同位素特征, 赵焕庭等(1996)对南沙南永2井中的暴露面进行了识别, 并划分了永暑礁的沉积旋回, 重建了早更新世晚期以来永暑礁地区的海平面变化历史。

完成于20 世纪90 年代的南沙永暑礁的两口钻井, 限于当时的钻探技术条件, 取芯率均比较低,珊瑚礁地层记录相对不完整, 年代的确定也主要是依据古地磁手段, 缺乏其他定年技术的支撑。因此,目前对于南沙海域珊瑚岛礁第四纪以来的整体演变历史还缺乏足够认识。2018 年中国科学院南海海洋研究所在南沙美济岛上实施完成了南科1 井(NK-1)的钻探, 该钻孔完整穿透了珊瑚礁体, 取芯率达到91%, 为建立南沙海域珊瑚礁连续地层剖面创造了条件。本文通过南科1 井第四纪碳酸盐岩地层中的暴露面记录重建了美济环礁的古海平面变化历史,并通过对比南海已有珊瑚礁钻探揭示的古海平面记录, 探讨了暴露面对于建立岛礁沉积地层序列和重建区域海平面变化的意义。

1 区域地质背景

南海位于华南大陆南部, 外形大体呈菱形, 面积约350 万km2, 是西太平洋最大的边缘海(图1)。南沙地块在晚渐新世之前曾是华南大陆的一部分,在南海扩张时期裂离华南大陆, 并逐渐漂移至现今位置(Hutchison et al, 2010)。南沙群岛海域是我国南海诸岛中珊瑚礁分布最广和地理位置最南的珊瑚礁群岛(陈史坚, 1982)。大量的地震地层研究表明, 中新世南沙海域浅水碳酸盐台地的分布范围远大于现代(Ding et al, 2015)。

图1 南科1 井地理位置图该图基于国家测绘地理信息局标准地图服务网站下载的审图号为GS(2020)4617 号的标准地图制作Fig. 1 Geographical location of Well NK-1

美济岛位于南沙群岛中东部, 距永暑岛约280km, 是一个孤立的椭圆形环礁, 由泻湖和礁坪组成。气候上, 美济岛与南海大部分海区一样, 主要受东亚季风气候影响(Shao et al, 2017)。据现代观测结果, 美济岛年降水量约为1700mm, 年表层海水温度为26.9～29.8℃(Li et al, 2017)。南科1 井位于美济岛东北部的礁坪上, 井深2020.20m, 其中钻遇的礁体厚度为997.70m。

2 样品与方法

在珊瑚礁地层中, 暴露面附近的礁岩通常以浅黄、浅红褐色和半固结为特征(尤丽 等, 2015), 伴随有大量的溶蚀孔洞、溶沟、溶蚀缝等“微构造”以及红褐色或锈黄色钙质结核(Pelechaty et al, 1991; 郭来源 等, 2014; Liu et al, 2019a)。本研究首先对南科1 井上部220m的珊瑚礁碳酸盐岩进行了初步的沉积相分析, 并参照典型暴露面的岩相学特征进行了初步的暴露面识别, 而后对主要暴露面进行切片取样。切片被加工成5.0cm×2.5cm 和7.5cm×5.0cm 的薄片后, 采用莱卡DM2700M 型偏光显微镜进行镜下结构鉴定。另外, 对南科1 井上部220m 层段按照0.4～3.0m 不等的间隔进行取样, 共计选取156 块岩心样品开展元素和同位素分析。所有样品在磨样之前首先用超纯水通过超声波清洗、低温干燥去除盐分及其他污染物。所有样品采用玛瑙球磨仪或牙科钻, 研磨或钻取样品粉末(200 目以下)以进行下一步的测试分析。

南科 1 井第四纪地层年代框架主要通过AMS14C、U-Th、Sr 同位素年龄构建, 同时结合前期发表的古地磁年龄(Yi et al, 2021)。AMS14C 和U-Th测年对象为11 件珊瑚样品, 首先对样品进行了矿物组成测试, 11 件珊瑚样品的文石含量均在94.6%以上。其中6 件珊瑚样品进行AMS14C 测年, 使用Calib 7.1 程序作14C 年代校正, 选用 Marine 13 曲线(Reimer et al, 2013)将结果校正为日历年龄, 校正时区域储库年龄设置为0。5 件珊瑚样品进行U-Th 测年, 具体实验流程参照文献Zhao 等(2001)。下部珊瑚礁碳酸盐岩地层年代主要通过Sr 同位素建立, 本次研究选取了24 块礁岩样品进行Sr 同位素定年,详细实验流程参照文献 Fan 等(2020)。样品的AMS14C 年代学测试在美国Beta 实验室完成, U-Th年代学和Sr 同位素年代学测试在澳大利亚昆士兰大学放射性同位素实验室完成。

岩心的主量元素测试在中国科学院地球化学研究所的Thermo Fisher-ARL Perform X4200 型X 射线荧光光谱仪(XRF)上完成。经过烧失量分析、熔片后进行XRF 上机测试, 测试过程中同时进行碳酸盐岩标样GBW07127、GBW07128 和GBW07129 测试,MgO 和CaO 的检测限分别为0.06%和0.01%, 具体的测试分析参照胡晓燕(2009)的相关流程进行。采用电感耦合等离子质谱仪(I C P-M S)进行岩心的稀土元素和其他微量元素测试, 为监控仪器状态和测试精度, 每10 个样品中加入1 个平行样, 标样采用GBW07128 和GBW07129, 测试数据相对误差小于5%, 具体测试流程参照文献 Zhao 等(2014), 该测试工作在中国科学院广州地球化学研究所完成。

岩心全岩样品的碳氧同位素分析在中国科学院南海海洋研究所的Thermo Fisher MAT253 型稳定同位素比质谱仪上完成。实验过程中, 使用约50～70μg粉末置于微量样品反应瓶中, 加入 3 滴 100%的H3PO4, 在90℃恒温下充分反应, 收集并纯化释放出的CO2, 导入质谱仪测量其碳、氧同位素组成。分析结果用 NBS-19 标准校正, 并换算为相对于Vienna Pee Dee Belemnite(V-PDB)标准的结果。δ13C测量结果的外部精度优于0.06‰(1σ),δ18O 优于0.08‰(1σ)。X 射线衍射(XRD)分析在中国科学院南海海洋研究所的BRUKER D8 ADVANCE 型X 射线衍射仪上进行, X 射线为Cu 靶激发, 管电压40kV,管电流 40mA, 扫描角度为 5～90°(2θ), 步长为0.02°(2θ)。矿物相半定量计算使用DIFFRAC EVA V5.2(Bruker)软件, 计算方法为K 值法, 标准矿物参比强度参考PDF-2004 数据库及COD2016。具体的矿物组成测试步骤参照Jones 等(2001)的相关流程进行。

3 结果

3.1 南科1 井第四纪珊瑚礁地层与年代

3.1.1 第四纪珊瑚礁地层

采用Embry 等(1971)和Dunham(1962)的碳酸盐岩分类方案, 南科1 井上部220m 岩心的岩石类型如图2a 所示, 现将其地层剖面岩性特征自上而下概述如下:

图2 南科1 井岩石地层与年代框架图b 中绿色实线为Sr 同位素值与深度的线性拟合, 古地磁数据来自Yi 等(2021)Fig. 2 Quaternary stratigraphy and chronology of Well NK-1

单元 Ⅰ(0 ～20.2m)为松散沉积物, 其中井深0～5.2m 为造岛吹填沉积物。井深5.2～20.2m 为珊瑚骨架砾块和生物砂屑沉积物, 层厚15m, 呈黄白至黄灰色, 砾块主要为鹿角珊瑚断枝和块状珊瑚碎块, 生物砂屑为中到粗粒, 分选好, 局部可见直径约20cm的块状珊瑚碎块和长约3cm 的鹿角珊瑚断枝(图3a)。

图3 岩心手标本和镜下薄片显示的南科1 井第四系暴露面特征a. 暴露面/不整合面(20.2m; 上部为松散生物碎屑, 下部为固结珊瑚礁灰岩); b. 暴露面(28.5m; 受铁质侵染, 发育有红褐色钙质结壳,溶蚀孔洞发育); c. 暴露面(85.6m; 钙质结核和溶蚀孔洞发育, 孔洞内部发育瘤状结核构造, 结核排列不规则, 表面光滑); d. 暴露面/不整合面(120m; 上部为珊瑚礁灰岩, 下部为珊瑚礁白云岩, 二者结合处为缝合线构造); e. 暴露面(128m; 钙质结核和溶蚀孔洞发育);f. 暴露面(185m; 上部为珊瑚骨架灰岩, 岩心表面多见珊瑚骨架和生物壳体铸模, 溶蚀孔洞发育); g. 暴露面(210m; 岩心破碎, 碎屑分选差, 表面呈黄褐色); h. 生屑灰岩(87m; 生物碎屑被溶蚀形成亮晶, 部分溶孔受铁质侵染呈黄褐色); i. 粒泥灰岩 (85.8m; 生物骨架被溶蚀, 溶孔发育, 孔内形成悬垂状方解石); j. 珊瑚骨架灰质白云岩(165m; 珊瑚格架被亮晶或泥晶充填); k. 泥晶白云岩(214m)。C: 钙质结壳; NC: 瘤状结核构造, 亦称葡萄状构造; SL: 缝合线构造; CS: 珊瑚骨架; BM: 生物壳体铸模Fig. 3 Core slabs and thin sections showing characteristics of the Quaternary exposure surfaces in Well NK-1

单 元 Ⅱ(20.2～65m) 为 固 结 礁 灰 岩。 井 深20.2～26m 和35.7～58m 为灰白色珊瑚骨架和生物骨架灰岩, 骨架之间充填珊瑚碎片、贝壳等生物骨骼碎屑, 部分表面有珊瑚藻包壳, 孔隙发育; 井深26～35.7m 为浅黄褐色–浅红褐色粒泥灰岩与砂屑灰岩; 井深58～65m 为黄白色藻黏结灰岩。其中在井深28m 和65m 附近发育溶蚀孔洞和红褐色或锈黄色结核(图3b)单元 Ⅲ(65 ～220m)为固结灰岩和白云岩。井深82.6～84m 和117～120m 为灰白色珊瑚骨架和生物骨架灰岩; 井深65～67.4m 和84～88.2m 为浅黄褐色–浅红褐色粒泥灰岩与砂屑灰岩; 井深67.4～70m 为黄白色藻黏结灰岩; 井深70～82.6m 为砾块灰岩, 固结较好; 井深120～220m 为白云岩, 大部分岩心较致密。其中在85m、120m、128m、165m、186m 和210m附近发育溶蚀孔洞和红褐色或锈黄色结核, 可见溶蚀的珊瑚骨架, 部分层位岩心破碎(图3c～3g)。

3.1.2 年代测试结果

表1 和表2 分别列出了6 个珊瑚样品的AMS14C和5 个珊瑚样品的U-Th 测年结果。年龄数据显示单元Ⅰ为全新世沉积, 年龄分布在4.7～8.2ka 之间。年龄数据随着深度向下增大, 没有出现地层倒转现象。Sr 同位素测试结果列于表3。整体上南科1 井第四纪碳酸盐岩地层样品中的87Sr/86Sr 比值自下而上单调上升, 符合第四纪以来全球海水的87Sr/86Sr变化趋势。通过将校正后的87Sr/86Sr 比值投影到全球海洋平均Sr 同位素标准曲线(mean LOWESS 曲线)(McArthur et al, 2001)上, 可以得到样品的平均Sr 同位素年龄。基于Sr 同位素年龄, 南科1 井第四纪地层中单元Ⅱ对应的时代为1.0～0.23Ma, 单元Ⅲ对应的时代为2.5～1.0Ma。根据地层厚度和对应的年代区间, 计算得到单元Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ的平均沉积速率分别为4.4m·ka–1、0.07m·ka–1和0.08m·ka–1。古地磁测试结果显示, 57m 处为布容期(Brunhes)和松山期(Matsuyama)界面, 166m 处对应松山期和高斯期(Gauss)界面, 贾拉米洛(Jaramillo)极性倒转事件出现在71～78m, 奥都维(Olduvai)极性倒转事件出现在132～142m (Yi et al, 2021)。

表1 南科1 井珊瑚样品的AMS14C 测年结果Tab. 1 AMS14C dating results of corals in Well NK-1

表3 南科1 井上部220m 岩心的Sr 同位素测年结果Tab. 3 Sr isotopic dating results of reef rocks in the upper 220 m of Well NK-1

3.2 矿物组成与碳氧同位素

XRD 分析结果显示, 南科1 井上部220m 的矿物组成分为3 段。上段(5.2～20.2m)主要由文石和高镁方解石组成, 其中文石含量为41%～98%, 平均67%; 高镁方解石为 0～55%, 平均 27%。中段(20.2～120m)为灰岩, 由低镁方解石(平均含量>95%)和少量高镁方解石组成, 表明初始珊瑚骨架中的文石几乎已全部转化为低镁方解石。此外, 在井深90～110m 层段, 高镁方解石含量有所增加(0.3%～27.9%)。下段(120～220m)主要以白云石为主,平均含量达到98.2%, 仅有少部分层位零星出现方解石。

总体上, 南科 1 井的碳氧同位素与矿物组成协同变化(图4)。在上段,δ18O 值在–2.2‰至–5.1‰之间变化,δ13C 值在–0.1‰至2.5‰之间变化。由于矿物转变,δ13C 和δ18O 值在20.5m 处急剧下降。中段岩心的碳、氧同位素均偏负, 其中δ18O 值为–9.0‰～–3.2‰, 平 均 值 为–7.6‰,δ13C 值 为–8.7‰～0.3‰, 平均值为–4.9‰。另外中段上部(20.5～70m)的δ18O 值大部分为负值且小于–8‰,下部的δ18O 值高于上部, 在–4‰和–8‰之间波动。下段矿物以白云石为主,δ18O(平均 2.0‰)和δ13C(平均1.8‰)均为正值。

3.3 主微量元素

南科1 井第四系单元Ⅰ和Ⅱ中, Ca 含量较高(平均53.8%)和Mg 含量较低(1.4%)。单元Ⅲ中Mg 含量迅速增加, Ca 含量迅速降低。整体上, Ca 和Mg变化呈镜像关系(图4), 作为成岩作用敏感元素, 易受到矿物组成变化的影响。除单元Ⅰ的Fe 元素含量较高(平均0.07%)外, 其余单元的Fe 元素平均含量低于0.02%, 仅在部分层段零星出现高值(图4)。元素Al 和Th 的含量可以表征陆源碎屑的影响, 除在个别层位出现高值外, 南科1 井第四纪岩心中Al 和Th 含量较低。南科1 井第四系碳酸盐岩稀土元素(REE)总量一般不超过12ppm, 3 个单元中稀土元素平均含量分别为0.7ppm、2.2ppm 和2.6ppm。随着深度增加, 稀土含量有逐渐升高的趋势。

图4 南科1 井第四系矿物组成、碳氧同位素组成和元素的分布Ara: 文石; HMC: 高镁方解石; LMC: 低镁方解石; Dol: 白云石。右侧浅蓝色区域为暴露面, 洋红色区域为暴露面和岩性转换界面Fig. 4 Mineral composition, carbon and oxygen isotope compositions, and element distribution of Quaternary carbonates in Well NK-1

4 讨论

4.1 南科1 井第四系暴露面的岩石学和地球化学特征

4.1.1 岩石学特征

海相碳酸盐岩形成之后, 受构造活动和古气候变化影响发生海退, 致使碳酸盐岩发生暴露而接受大气淡水淋滤并形成暴露面(王剑 等, 1996; Wolff et al, 2017)。根据四川盆地茅口组和栖霞组灰岩(Xiao et al, 2016; 李明隆 等, 2020)以及西沙群岛珊瑚礁灰岩(Liu et al, 1997; 尤丽 等, 2015)的暴露面岩相学特征描述, 在南科1 井中发现了多层类似的暴露面。

南科1 井第四系暴露面附近的岩石类型主要为粒泥灰岩、珊瑚骨架灰岩、砂屑灰岩和灰质白云岩,岩心表面常见密集溶蚀孔洞。孔洞呈囊状或其内部生长锈黄色瘤状结核构造(亦称葡萄状构造), 结核表面光滑(图3c), 内部发育悬垂状方解石(图3i), 是典型碳酸盐岩暴露后, 遭受大气淡水淋滤溶解、再沉淀的结果。同时, 暴露面附近岩心表面可见广泛分布的红棕色和黄褐色钙质结核(图3b、3c、3e 和3h)。薄片中可观察到更多的溶蚀现象, 次生孔隙主要有粒间溶孔(图3i)、粒内溶孔、生物骨架溶孔(图3i 和图3j)和生物铸模孔(图3f)。部分暴露面之下的珊瑚骨架岩中, 常见有珊瑚格架被亮晶或泥晶充填(图3j), 其中亮晶为方解石胶结物, 泥晶多为上部风化土壤层中泥质沉积经淡水淋滤后进入珊瑚骨架充填形成(尤丽 等, 2015; 解习农 等, 2016), 也可直接形成泥晶灰岩(图3k)。在永暑礁南永1 井中,暴露面附近同样发育了密集的溶孔和肉红色灰泥质砾屑层(朱袁智 等, 1997)。暴露风化淋滤是形成碳酸盐岩溶蚀孔隙和钙质结核等次生沉积的重要因素之一(James et al, 2015)。结合上述岩心手标本和镜下薄片观察, 本文识别出南科1 井在井深20m、27m、65m、85m、120m、128m、165m、185m 和210m 层位附近的9 个典型碳酸盐岩暴露面。

4.1.2 地球化学特征

与西科1 井、西琛1 井和四川盆地栖霞组地层中发育的暴露面相似(Liu et al, 1997; 尤丽 等, 2015;李明隆 等, 2020), 南科1 井第四系暴露面附近几乎同时出现碳氧同位素偏负的现象, 这主要与大气淡水淋溶有关, 大气淡水成岩环境的δ18O、δ13C 值均具偏负特征。另外, 在暴露面附近 Fe、Al、Th和REE 含量相对于其他层位有一定的升高趋势(图4)。暴露面附近岩心中Fe、Al、Th 和REE 的富集, 与开曼群岛中新世—更新世发育的红土特征相似,Jones(2016)认为其主要与大气淡水淋滤形成的风化壳中的钙质土有关。在碳酸盐岩暴露风化淋溶过程中, 惰性元素Fe、Al、Th 本身也不易发生迁移而滞留原地形成红褐色的钙质结壳(方少仙 等, 2013)。REE 本身属于亲石元素, 在大气成岩作用中表现保守, 风化淋溶常造成稀土元素的富集(Webb et al,2009)。另外, 在120～220m 段第四系白云岩层内一些暴露面附近常出现一定量的方解石, 同时显示Mg 含量降低和Ca 含量升高(图4)。这表明在白云岩层内的暴露面附近可能发生了去白云石化作用,造成Mg 含量降低。去白云石化现象在西沙群岛的西科1 井梅山组1 段广泛出现, 白云石结核被方解石交代(王振峰 等, 2015b)。

4.2 南科1 井上部220m 的年代学框架

本研究用于AMS14C 和U-Th 测年的珊瑚样品,文石含量均在94.6%～99.5%之间, 据手标本和镜下观察, 其珊瑚骨架清晰可见, 未受到明显的成岩作用改造。进行U-Th 年龄测试的珊瑚样品的铀含量均在2.5～3.2ppm 之间,δ234U 值均在144～147 的范围内, 表现出原始珊瑚和现代海水的典型特征(Shen et al, 2008)。AMS14C 校正的年代和U-Th 测年数据完全吻合, 且不同测年方法获得的上部全新世地层年代数据没有倒置, 表明单元Ⅰ没有明显的地层扰动。

单元Ⅱ和单元Ⅲ地层年代框架的构建主要基于Sr 同位素和古地磁年龄数据。自然界中Sr 有84Sr、86Sr、87Sr、88Sr 四种同位素, 其中87Sr 由87Rb 衰变产生, 一般不因生物或物理等作用而发生分馏作用。Sr 在海水中的存留时间长达上百万年, 明显大于全球各大洋海水的均匀混合时间(约1500a), 使得同一时期全球海水的Sr 浓度和87Sr/86Sr 比值基本相同(Elderfield, 1986)。由于40Ma 以来全球海水的87Sr/86Sr 比值是单调升高的, 因此87Sr/86Sr 比值被广泛应用于海相碳酸盐岩的定年(McArthur et al,2001)。近年来开始有学者对南海珊瑚礁碳酸盐岩进行Sr 同位素定年研究, 如Fan 等(2020)通过Sr 同位素与成岩指标的相关分析深入探讨了西沙群岛琛科2 井Sr 同位素年龄的可靠性。同样地, 在南科1 井单元Ⅲ的方解石和白云石转换界面(120m), Sr 同位素年龄没有显示任何的年龄跳跃, 完全落于一条直线上(图2b), 这表明浅埋藏成岩改造对珊瑚礁碳酸岩的Sr 同位素年龄影响较小。对比Yi 等(2021)发表的南科1 井的古地磁年龄, 南科1 井的Sr 同位素年代与其吻合度较高: 布容正极性期的底界年龄、贾拉米洛事件年龄、奥都维事件年龄完全落在Sr 同位素年代线上(图5a)。然而, Yi 等(2021)依据高斯正极性期推断的古地磁年龄比Sr 同位素年龄明显偏老。

图5 南海不同珊瑚礁钻孔的第四纪年代和氧同位素分布对比南科1 井(NK-1)的古地磁年龄数据来自Yi 等(2021); 南永2 井(NY-2)的古地磁年龄和氧同位素数据来自朱袁智等(1997); 琛科2 井(CK-2)的古地磁年龄、Sr 同位素年龄和氧同位素数据来自Fan 等(2020); 西科1 井(XK-1)的古地磁年龄数据来自Yi 等(2018), 氧同位素数据来自Shao 等(2017)。图a 和c 中标注的年龄均为Sr 同位素年龄; 蓝色虚线表示南海第四纪珊瑚礁地层的氧同位素发生突变的界面, 红色虚线表示古地磁极性期界面Fig. 5 Comparison of Quaternary age and oxygen isotope distribution from different coral reef boreholes in the South China Sea

从南海已有的4 口珊瑚岛礁钻井的氧同位素记录来看(图5), 南海第四纪珊瑚礁地层的氧同位素变化极为相似, 反映了第四纪南海海域珊瑚岛礁碳酸盐岩经历了同样的成岩历史。另外, 在西沙、南沙群岛范围内, 珊瑚礁岩心之间的氧同位素变化深度非常接近(图5), 这表明主要成岩转变发生的时代很可能是一致的。在南沙群岛内, 南永2 井的方解石/白云石界面在140m, 南科1 井的方解石/白云石界面在120m, 两孔之间的矿物转换界面深度相差只有20m。Yi 等(2021)在南科1 井识别出的高斯期顶界面(166m)与朱袁智等(1997)在南永2 井中划定的高斯期顶界面(258m)深度却相差近100m(图5), Yi等(2018)在西沙群岛西科1 井识别的高斯极性期和Fan 等(2020)在琛科2 井中识别出的高斯极性期深度相差也达到了60m, 然而两口井的氧同位素变化深度都在180m 附近(图5)。对比多个已经发表的南海珊瑚岛礁的古地磁年龄来看, 不同学者对于第四系下部的高斯正极性期判断差异比较大, 这可能与珊瑚岛礁地层普遍存在的沉积间断(Fan et al, 2020)以及样品本身的天然弱磁性(汤贤赞 等, 1995) 有关。南科1 井的年代数据显示更新统的沉积速率比上覆的全新统地层低了近2 个数量级, 表明老的珊瑚礁地层可能存在大量的地层缺失。

经过以上综合分析, 本研究舍弃了南科1 井第四系下部高斯期的极性年代, 结合Sr 同位素年龄和上部的古地磁年代建立了南科1 井上部第四纪地层的年代框架(图2b)。依据Sr 同位素年龄, 将南科1井的第四纪地层底界划定在210m 的暴露面处。根据上述的年代框架, 单元Ⅰ为全新统沉积, 其底界年代为8.2ka, 顶界年代为4.7ka; 单元Ⅱ为中晚更新统沉积, 底界年龄约为0.65Ma; 单元Ⅲ为早更新统沉积。此外, 年代测试结果显示单元Ⅱ和单元Ⅲ之间的暴露面处可能存在一定的地层缺失, 上、下层年龄深度投影线存在明显的错位(图2b)。

4.3 南科1 井记录的全新世礁体生长与南海海平面变化的关系

南科1 井井深5.2～20.2m 层段主要由松散沉积物组成, 年龄范围为4.7～8.2ka(图2)。结合20m 附近存在暴露不整合面的情况, 可以判定美济岛全新世礁体不整合于下部更新统固结灰岩之上。美济岛全新世礁体的起始发育时间为8.2ka, 与西沙群岛琛航岛和南沙群岛永暑礁的全新世礁体发育时间基本一致(图6)(中国科学院南沙综合科学考察队,1992; 覃业曼 等, 2019)。研究表明, 全球现代珊瑚礁的起始发育时间普遍在7ka 到8.3ka(Montaggioni et al, 2009, 2015)。但在南海吕宋岛, 现代珊瑚礁最早发育的时间在10ka 左右, Shen 等(2010)认为其与吕宋岛弧活跃的构造运动和造礁珊瑚种属有关。南科 1 井井深 20m 处暴露面附近地层的年龄约为0.23Ma, 考虑到第四纪以来南沙群岛的构造环境较为稳定(赵焕庭, 1998a), 因此南科1 井20m 处的暴露面显然是低海平面时期美济岛的珊瑚礁遭受暴露风化后形成。礁体暴露后淡水淋溶导致了20m之下的珊瑚礁碳酸盐岩发生了方解石化以及生物碎屑的次生胶结。

浅水造礁石珊瑚的生长严格受水深、光照等多种因素的制约, 水太深不利于珊瑚的生长, 难以形成珊瑚礁(赵焕庭, 1998a; 赵焕庭 等, 2016a), 因此海平面变化速率与珊瑚礁的生长密切相关。根据珊瑚礁生长速率和海平面变化速率之间的关系, 前人将珊瑚礁划分为“同步型”珊瑚礁(keep-up reef)、“追赶型”珊瑚礁(catch-up reef)和“放弃型”珊瑚礁(give-up reef)(Neumann et al, 1985)。南沙地区上新世以来构造活动微弱, 平均沉降速率约为 0.03～0.1m·ka–1(赵焕庭, 1998b; 赵中贤 等, 2011)。根据前人重建的南海区域海平面变化曲线(图6)来看, 13ka以来南海海平面开始持续上升(Zong, 2004; Xiong et al, 2018), 但在13～9ka 之间, 南海海平面上升速率较快(15.1m·ka–1)。根据沉降速率和南海区域海平面曲线估算, 美济环礁-20.2m 的暴露面约在9ka 以后被淹没, 在8.2ka 时全新世珊瑚礁开始发育, 发育时的古水深约为5～10m。浅水造礁石珊瑚一般生长在海水表层至水深50m 的透光层范围内的海底(赵焕庭, 1998b), 在8.2～4.7ka 期间, 南海海平面缓慢上升(4.4m·ka–1), 形成了适宜造礁石珊瑚生长的浅水透光环境, 使得美济岛珊瑚礁在晚更新世形成的灰岩基底上开始连续垂向生长(图6)。在距今4.2ka 左右, 南海海平面上升到接近现代南海海平面的高度,美济岛珊瑚礁垂向生长处于停滞状态, 进入横向生长期。

图6 全新世以来南海海平面变化与珊瑚礁生长的关系南海海平面数据来自Zong(2004); 南永2 井年龄数据来自中国科学院南沙综合科学考察队(1992); 琛科2 井年龄数据来自覃业曼等(2019)。蓝色粗线为南海海平面变化曲线, 绿色填充区表示南海全新世珊瑚礁生长期。NK-1: 南科1 井; NY-2: 南永2 井;CK-2: 琛科2 井Fig. 6 The relationship between sea-level change in the South China Sea and the growth of coral reefs since Holocene

4.4 南科1 井更新世珊瑚礁对南海及全球海平面变化的响应

根据南科1 井第四系暴露面或上下层位的测年结果约束, 更新世礁体中 9 个暴露面的发育时代(井深)依次为 2.5Ma(210m)、2.3Ma(185m)、1.9Ma(165m)、1.7Ma(128m)、1.55Ma(120m)、1.3Ma(85m)、0.9Ma(65m)、0.35Ma(27m)和0.23Ma(20m)(图2、图7)。除了井深20m 和27m 的暴露面发育在中晚更新世外, 其他层位的暴露面均发育于早更新世。这9 个暴露面代表了美济岛附近海域曾经发生的9 次相对海平面下降历史(图7)。其中,20m(0.23Ma)和27m(0.35Ma)附近的暴露面与Haq等(1988)提出的全球低海平面时代一致, 而更新世期间发育的其他暴露面的时代基本与Miller 等(2005)的高频海平面变化曲线中的低海平面时期对应(图7)。美济岛南科1 井第四系中的暴露面与全球海平面下降信号存在良好的对应关系, 表明尽管可能存在局部构造沉降的影响(赵中贤 等,2011), 但第四纪以来的全球海平面变化依然是美济岛珊瑚礁生长发育的主要控制因素。在60～75m段, 南科 1 井珊瑚礁碳酸盐岩的平均沉积速率明显较上、下层偏低(图2b), 推测约在0.9Ma 的中更新世转型期南沙海域可能存在海平面大幅降低或者持续时间很长的低海平面时期, 造成了珊瑚岛礁较长时期的暴露剥蚀。

图7 更新世期间南科1 井珊瑚礁对海平面变化的响应全球海平面变化中的红色曲线为15 点移动平均后的海平面变化曲线, 引自Miller 等(2005); 西沙西科1 井海平面变化曲线来自Shao等(2017), 西科1 井第四系的暴露面深度及年代数据来自Wu 等(2019); 南沙南永2 井海平面变化曲线和暴露面位置与年龄来自中国科学院南沙综合科学考察队(1992)Fig. 7 Response of coral reef in Well NK-1 to sea-level change during the Pleistocene

在南海北部, 前人对西沙群岛西科1 井进行了详细的年代学和层序地层学分析。Wu 等(2019)在西科1 井第四纪地层中识别出了6 个暴露面(图7), 并根据西科1 井的年代框架确定了主要暴露面的大致时代。对比西科1 井的暴露面时代, 发现南科1 井中128m、85m、65m、27m、20m 处的5 个暴露面与西沙1.7Ma、1.22Ma、0.89Ma、0.45Ma、0.22Ma的暴露面在时间上相对应。另外, 基于有机分子化合物指标BIT、元素和碳氧同位素结果, Shao 等(2017)重建了早中新世以来西沙地区的海平面变化曲线。本文通过与其对比, 发现南科1 井20m、27m、65m、85m、128m 和210m 附近的暴露面所代表的低海平面期与同时代西沙群岛的低海平面时期同样具有良好的对应关系。通过与南永2 井的矿物组成、碳氧同位素和年代(中国科学院南沙综合科学考察队, 1992)的综合对比分析, 本文认为南科 1 井20.2m、65m 和120m 处的暴露面与永暑礁第四纪地层中的3 期暴露面时代一致(图7)。从总体上看, 南沙美济珊瑚岛礁第四纪地层中所发现的大部分暴露面与西沙群岛和永暑礁第四纪地层中的暴露面基本对应, 表明第四纪珊瑚岛礁的发育主要受控于区域的海平面变化, 第四纪气候冷期海平面的降低是造成珊瑚岛礁生长停滞、岛礁暴露风化的主要原因。

5 结论

1) 基于手标本和岩石薄片、矿物组成以及碳氧同位素与元素组成分析, 识别出南科1 井第四纪地层中发育的9 个主要暴露面。南科1 井第四系暴露面以溶蚀孔穴密集、钙质结壳发育、暴露面附近碳氧同位素偏负, 同时伴有Al、Th、Fe 和稀土元素的升高为特征。

2) 基于岩心的Sr 同位素、古地磁年代数据,确定了南科1 井第四系主要暴露面的时代。南科1井第四纪地层中的暴露面时代与第四纪全球海平面变化曲线的低海平面时期对应良好, 其中 5 期暴露面(1.7Ma、1.2Ma、0.9Ma、0.5Ma 和0.2Ma)与西沙群岛西科1 井和南沙永暑礁的低海平面在时间上相吻合。南海第四纪珊瑚岛礁的发育主要受控于区域的海平面变化, 第四纪气候冷期海平面的降低是造成珊瑚岛礁生长停滞、岛礁暴露风化的主要原因。

3) 美济岛全新世珊瑚礁的起始发育时间与南海以及全球其他海区全新世珊瑚礁的发育时间基本一致, 大部分都于8.2ka 以后才开始发育, 全新世期间南海海平面的缓慢上升为珊瑚礁连续的垂向生长提供了有利环境。在距今4.7ka 左右, 南海海平面上升到接近现代南海海平面的高度, 美济岛珊瑚礁垂向生长处于停滞状态, 进入横向生长期。