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碳酸盐在四千米以下留不住:补偿深度是海水化学画出的线

深海钻探的岩心提到甲板上,一段是乳白色的碳酸盐软泥,下一段忽然变成红褐色黏土,中间没有明显的侵蚀面。有人据此说那里曾经没有钙质生物。更可能的情况是,海底降到了某条线以下,碳酸钙落下去就化了。

表层海水过饱和,碳酸钙是生物主动沉出来的

热带表层海水对方解石的饱和度在 5 上下,碳酸根浓度远高于平衡值。钙和碳酸根到不了自发沉淀的程度,真正把碳酸钙沉出来的是颗石藻、有孔虫、翼足类这些生物,它们把离子组装成壳。一颗颗石藻的壳只有几微米,要靠极大数量的个体,才能在海底堆出成层的软泥。

生物死后,壳体一边下沉一边溶解。上层水过饱和,壳体完好;越往深处,压力升高、温度降低、呼吸作用积累的二氧化碳越多,溶解度跟着上升。饱和度降到 1 的位置,就是这条线的起点。这条线不是一道岩石界面,而是一段几百米厚的过渡带。

补偿深度在太平洋约 4200 米,大西洋约 5000 米

碳酸盐补偿深度是供给与溶解打平的水深,简称 CCD。太平洋约 4200 米,大西洋约 5000 米,两者差 800 米。太平洋深层水最老,流动路径最长,一路积累呼吸产生的二氧化碳,腐蚀性更强。两个数字都指现代海洋,地质时期并不相同。

大西洋深层水由北大西洋表层下沉形成,年轻、含氧高、二氧化碳少,碳酸钙能沉到更深才被化掉。同一种软泥在两个大洋出现在不同深度,说明 CCD 不是固定水面,而是水团化学的函数。古海洋学家正是用 CCD 的升降,反推深层水在当时的年龄。

溶跃面之上壳体完好,之下开始出现溶孔

CCD 之上还有一层溶跃面,位置高几百米。那里碳酸钙含量开始快速下降,壳体表面出现溶蚀孔,边缘变薄,细小的壳体先消失。镜下看薄片,溶蚀是从壳壁内侧开始的,孔洞沿着原来的生长纹扩展。取样时刮掉表层几厘米,才能避开后期改造。

文石的溶解度比方解石高,翼足类与某些珊瑚藻先不见。同一个样品里,方解石质的有孔虫还在,文石质的翼足类已经碎成细屑,这条先后顺序是判断溶蚀强度的直接标尺。强溶解层位里,样品几乎只剩方解石质的有孔虫。

浅海台地与远洋软泥是两套沉淀机制

浅海碳酸盐台地靠的是水温高、水浅、陆源泥少。珊瑚、藻类、贝壳把碳酸钙堆成礁与滩,沉积速度快,一天能长几毫米。这类沉积不受 CCD 约束,因为它本来就在透光带里,水深只有几十米。造礁珊瑚要光照,水深超过 50 米,礁体就明显变薄。

台地的另一面是暴露。海平面下降时,台地露出水面,雨水与土壤酸把它溶成喀斯特,溶沟、落水洞、红色石灰土都留在这层不整合面上。看到厚层灰岩顶部的起伏面,先想暴露,而不是想深海。不整合面之上的海侵砂岩,往往就是这次暴露的结束。

关键数据

这条线的位置与两侧的差别,可以压成下面几条。

  • 太平洋碳酸盐补偿深度约 4200 米。
  • 大西洋碳酸盐补偿深度约 5000 米。
  • 两洋补偿深度相差 800 米。
  • 溶跃面位于补偿深度之上几百米。
  • 热带表层方解石饱和度约 5。
  • 穿过补偿深度时碳酸盐含量从 90% 降到 10% 以下。
  • 文石补偿深度比方解石浅 1000 到 2000 米。

浊流把浅水碳酸盐搬进深处,深度判据就失效

浊流与滑塌会把台地上的浅水碎屑整块搬到深海,形成钙质浊积岩。这种沉积里的碳酸盐含量很高,却出现在 CCD 以下,按水深判断会得出完全相反的结论,层序上也能看到粒序与底痕,底部常有冲刷面,向上逐渐变细。

等深流会把沉积物横向搬运、再悬浮分选,把细粒碳酸盐带走,留下粗粒的。本文判断:判 CCD 要用连续、未受扰动的远洋剖面,配合多种指标,单看一个站位的碳酸盐含量,很容易把一次搬运当成一次溶解。

参考文献

  • Archer D. An atlas of the distribution of calcium carbonate in sediments of the deep sea. Global Biogeochemical Cycles, 1996.
  • Milliman J D. Marine Carbonates. Springer-Verlag, 1974.
  • Zeebe R E, Wolf-Gladrow D. CO2 in Seawater: Equilibrium, Kinetics, Isotopes. Elsevier, 2001.
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文章名称:碳酸盐在四千米以下留不住:补偿深度是海水化学画出的线
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