Calcareous Nannofossil Biostratigraphy for Co-Rich Ferromanganese Crusts from Central Pacific Seamounts
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摘要: 对“大洋一号”调查船在中太平洋采集的N1-15和N5E-06 2个富钴结壳样品进行了钙质超微化石及其生物地层学的研究与分析.这2个结壳从结构上分为3层: 致密型上层、疏松型中层和致密型下层.在研究中对各结构层和各层中有颜色或细微结构变化的层位都进行了详细的取样和分析.在识别了12个新生代钙质超微化石事件的基础上, 确定了2个结壳致密型上层结壳都为晚更新世以来的沉积, 它们的疏松型中层结壳为上新世到中更新世的沉积.对N5E-06富钴结壳来说, 其致密型下层结壳下部形成于中晚古新世到早渐新世的59.7~ 32.8 Ma期间.N1-15富钴结壳致密型下层的形成时代目前暂时定为中新世.研究注意到在2个结壳中都没有发现可信的晚渐新世到中新世的化石记录, 在个别层位之间存在着沉积间断.Abstract: Calcareous nannofossils in 2 Co-rich ferromanganese crusts, N1-15 and N5E-06, from the central Pacific seamounts were analyzed in order to estimate their depositional ages. These 2 crusts show 3 structural layers: compact upper layer, porous middle layer and compact lower layer. 12 Tertiary to Quaternary nannofossil eventswere recognized. The upper layers of these 2 crustswere deposited since Late Pleistocene, while their middle layers were formed from Pliocene to Middle Pleistocene. The age of the lowest sample from N5E-06 crustwas estimated as 55.3-59.7 Ma in the Middle to Late Paleocene, and the duration for lower part of the lower layer was given between 59.7-32.8 Ma from the Middle Paleocene and Early Oligocene.For the lower layerof N1-15 crust, the age was roughly determined to be Miocene, due to the lack of reliable fossils. This study notes that no reliable Late Oligocene to Miocene nannofossil markers were found in these 2 crusts. Furthermore, sedimentation hiatus was observed.
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富钴结壳是一种沉积在洋区海山或岛屿斜坡上的黑色层状铁锰沉积, 主要赋存于水深为1 000~4 000 m之间的海山或海台上(Aplin and Cronan, 1985), 厚度变化较大, 最小不到1 mm, 最大可达40 cm, 是未来的重要海底金属矿藏资源.
国内外的许多学者对海底富钴结壳的矿物成分特征、矿元素组、成因及生长阶段等方面作了调查和研究工作, 但其研究的区域主要位于夏威夷群岛、马绍尔群岛和莱思群岛一带(Aplin and Cronan, 1985; Hein et al., 1985; 郭世勤等, 1994; 许东禹等, 1994), 而对中太平洋海山区的富钴结壳研究少有报道.本文对“大洋一号”调查船在中太平洋海山区采集的2个富钴结壳进行了钙质超微化石的研究, 从生物地层学角度探讨结壳的形成时代和生长阶段.
1. 样品与方法
所分析的富钴结壳样品N1-15和N5E-06来自“大洋一号”调查船用拖网法在N1和N5海底平顶山上所采集的样品.山体顶部水深为1 200~1 500 m, 基部水深为3 500~4 000 m.
1.1 富钴结壳分层特征和分层取样
富钴结壳是一种结晶程度很低的铁锰氧化物、氢氧化物沉积, 具胶状结构.高倍显微镜观察表明, 结壳中有大量的铁锰矿物微晶, 又具有微晶质结构.典型的富钴结壳层状构造为3层: 上层为致密型结壳, 呈褐黑色, 致密块状, 硬度较大, 较纯净, 含杂质少, 光泽度好; 中层为疏松型结壳, 呈灰黑色, 裂隙和孔洞多, 含大量灰白色、褐黄色斑点或斑块状的沉积物杂质; 下层为致密型结壳, 呈亮黑色, 致密块状, 组成纯净, 沉积物杂质少, 断口呈贝壳状, 强金属光泽, 硬度较大(马维林等, 2002).
所分析的N1-15和N5E-06 2个富钴结壳均具有上述典型3层层状构造, 最下层覆盖在基底层(基岩) 上.在分析中, N5E-06号结壳从上到下可分为Ⅲ层(上层)、Ⅱ层(中层)、Ⅰ层(下层) 和基底层(图 1, 2).该结壳在致密的上层中部出现一个约3 mm宽、浅灰色杂质较多的沉积带; 在下层中部出现上下各厚约1~2 mm的黄白色杂质较多的沉积带(图 1).N1-15号结壳从上到下也具备3层构造, 但是据结晶颗粒粗细、排列致密或疏松以及含浸染状物质的明显变化, 该结壳中层又可细分为3层.为了获得富钴结壳生长的更详细的年龄资料, 在进行钙质超微化石的研究中, 把该结壳由上至下编为Ⅴ层、Ⅳ层、Ⅲ层、Ⅱ层、Ⅰ层和基底层, 其中Ⅴ层相当于典型结构中的上层, Ⅳ层、Ⅲ层、Ⅱ层属于中层, Ⅰ层相当于下层(图 3, 4).N1-15和N5E-06 2个富钴结壳每层的主要结构或颜色标志特征总结于表 1.
图 2 N1-15富钴结壳结构分层和取样分层Ⅰ—Ⅴ层顶、底.各层顶底位置; ▼或▲.取样位置; ▲1.样品编号Fig. 2. Generalized subdivision and sampling record of Co-rich ferromanganese crust N1-15
图 4 N5E-06富钴结壳结构分层和取样分层Ⅰ—Ⅴ层顶、底.各层顶底位置; ▼或▲.取样位置; ▲1, 样品编号Fig. 4. Generalized subdivision and sampling record of Corich ferromanganese crust N5E-06表 1 富钴结壳样品的结构特征Table Supplementary Table Structural features of Co-rich ferromanganese crusts
为了确定每层的形成时代和生长速率, 在进行对结壳的钙质超微化石取样过程中, 对各层上下界面处或紧靠界面的部位分别取样, 如对N5E-06结壳的Ⅰ层来说, 取样有N5E-06-Ⅰ-顶部样, N5E-06-Ⅰ-底部样.为了得到更多的化石记录, 在一些层位中部也取样分析, 特别是中间有颜色变化的部位, 如N5E-06-Ⅱ-中部样、N5E-06-Ⅰ-中上白层、N5E-06-Ⅰ-中下白层.对基底层也采取了样品.
按上述分层, N5E-06结壳共取11层分析, N1-15结壳共取12层分析.依分析和所获结果进展的需要, 分别在每层不同部位先后采了1~5个样.各层间距和各采样位置均记录在采样素描图(图 2, 4) 中.
1.2 样品制作和分析方法
取样时, 先用小刀除去各采样部位表面, 以避免污染.然后在新鲜表面刮取样品粉末, 再将样品粉末放在一载物片上, 加蒸馏水后涂均匀, 干燥后用中性树胶和盖玻片制成观察片.用德国OPTON偏光显微镜在放大1 000倍下观察和鉴定.
1.3 钙质超微化石地层年代学依据
对新生代以来的钙质超微化石事件多数以目前国际上通用的Berggren et al. (1995)给出的钙质超微化石事件的年龄值为标准.化石分带方案采用Martini (1971)新生代以来的钙质超微化石分带.少数数据则综合Perch-Nielsen (1985)和Su (1996)的结果.本文识别或讨论中引用的各个化石事件及其与化石带和绝对年龄的关系总结于表 2.
表 2 本文引用的新生代钙质超微化石事件及其时代Table Supplementary Table Tertiary calcarous nannofossil events and ages used in this study
2. 结壳生物地层分析
2.1 N1-15结壳生物地层分析
在N1-15结壳6层及其相应的12个顶底层的大部分样品中都发现了钙质超微化石.根据化石的面貌来看, 这是一个从中新世到更新世的新生代钙质超微化石组合.下面从结壳的上层向下介绍各个层位的分析结果.
Ⅴ层顶层样品中含有丰富的晚更新世Martini (1971)NN21带的标志化石Emiliania huxleyi, 由其较高的丰度来看, 可以推知该样品属于E.huxleyi高峰带以来的沉积, 因此其年龄小于0.09 Ma.Ⅴ层底层样品中发现了几枚Helicosphaera carteri, 该种从中新世到现代海洋都存在, 对该层的地层划分意义不大.此外在该层的2个化石片中都各发现了一枚中央被溶蚀, 无法判断是E. huxleyi还是与它形态相似的小型Gephyrocapsa类的分子, 因此无法确定具体时代.
Ⅳ的顶、中、底层都含2个不同时代的化石类别(表 3), 3层中都出现并且丰度高的是以E. huxleyi和G. oceanica为代表的晚更新世类别.这3层在晚更新世以前老化石类别上不同.如顶层出现了中新世的Discoaster brouweri, D. adamanteus, D. bellus化石各一枚.Ⅳ层中层有中新世—早更新世的Calcidicus macintyrei和一枚分布时代为渐新世到中新世的D. adamanteus.Ⅳ层底层样出现中新世—早更新世的C. macintyrei和中新世的D. brouweri各一枚.本文根据该层化石中的主要类别时代限于晚更新世的特点, 以及其相邻上下层时代也为晚更新世沉积的情况, 确定Ⅳ层为晚更新世沉积.在此基础上, 据晚更新世的一个标志化石H. inversa在该结壳中、底层2个邻近层位的出现, 确定它在Ⅳ层中层的最后出现为其末现面, 其时代为0.16 Ma (表 4).此外, Ⅳ层为疏松细粒夹不规则黄色浸染物质沉积, 这种沉积在疏松细粒孔隙中或表面可能混杂了从较老地层中搬运来再沉积的中新世少数化石, 使本文有理由推测那些偶见的个别老化石属于再沉积化石.
表 3 N1-15结壳Ⅳ层的晚更新世化石与较老年代化石的混杂情况Table Supplementary Table Mixture of few Late Pleistocene with trace Oligocene to Miocene calcarous nannofossil events and ages from Ⅳ layer in N1-15
表 4 N1-15结壳各层年代标志化石记录及其地质时代和年龄的估计Table Supplementary Table Calcareous nannofossil events found from each layer of Co-rich ferromanganese crust N1-15 and geological ages estimated for these layers
Ⅲ层的顶、底层样品都只发现了很少的化石, 其中在顶层发现了一枚保存较好的E. huxleyi, 该种在Ⅲ层的底层样没有出现, 因此本文将Ⅲ层顶层样推测为E. huxleyi的初现面(0.26 Ma).在Ⅲ层的底层样发现了数枚中等个体的Gephyrocapsa (medium) spp., 该类在这以下的层位没有出现, 故将Ⅲ层底层样定为Gephyrocapsa (medium) spp.的初现面, 时代为1.67 Ma.
Ⅱ层顶层样品中发现的多是上新世到晚更新世的一些时代长的分子, 如H. carteri, U. sibogae, Ceratolithus cristatus.此外只发现了中新世-上新世的D. brouweri和一枚始新世到早渐新世的Ericsonis formosa.考虑到该层大多数主要分子可以与D. brouweri共同分布于上新世, 而D. brouweri的末现面的年龄为1.95 Ma, 故推测样品的年龄为上新世, 大于或约等于1.95 Ma.而把E. formosa作为再沉积化石.支持这个推测的是Ⅱ层为夹黄色浸染薄膜状的薄层, 可能与Ⅳ层情况类似, 出现个别再沉积的化石.Ⅱ层底层样品经多次取样分析, 均未发现化石.
Ⅰ层顶层、中层样品也经多次取样分析, 均未发现化石.在底层的几个样品中都发现了保存差, 同时新老混杂的化石.最常见的是中新世到现代都有分布的H. carteri, C. leptoporus, 较少的是只出现在更新世的Gephyrocapsa (medium) spp.和少数几个上新世到更新世的Gephyrocapsa (small) spp.唯一时代老的化石是D. druggii, 这是一个主要见于早中新世NN1-NN2带的分子, 其初现面的年龄为23.2 Ma (表 4), 对其末现面没有十分准确报道, 大致在NN2和NN3中, 或大致为19 Ma (Perch-Nielsen, 1985).根据所发现的化石, 该层的年龄有2种可能, 其一是更新世, 另一个是早中新世.由于前一种可能与上面发现了D. brouweri的Ⅱ层顶层样品的上新世推测相矛盾, 本文暂时采用第二种可能, 即该样品的年龄约为早中新世, 约在19~23.2 Ma之间.研究中注意到, 该结壳有许多从表面纵向向下的较深裂隙, 暂时推测那些年轻的化石是由表层沿裂隙下来的混杂沉积.
该结壳的基底层未发现钙质超微化石.
2.2 N5E-06结壳生物地层分析
N5E-06结壳是2个结壳中含化石最多的一个, 在3层中11个顶、中、底层的大部分样品中都发现了钙质超微化石.该结壳中发现的是一个从古新世到更新世的新生代钙质超微化石组合(表 5).下面从结壳的上层向下, 介绍各个层位的分析结果.
表 5 N5E-06富钴结壳各层年代标志化石与地质时代和年龄的估计Table Supplementary Table Calcareous nannofossil events found from each layer of Co-rich ferromanganese crust N5E-06 and geological ages estimated for these layers
Ⅲ层顶层样品中化石丰度低, 但是类别较多, 发现了晚更新世的10多个种类.其中以E. huxleyi为优势类别, 由此应将样品定为E. huxleyi高峰带以来的沉积(年龄小于0.09 Ma).Ⅲ层中部有一浅灰线条状沉积, 对其取样分析只发现了3枚化石, 1枚H. carteri和2枚C. leptoporus.这2个种从中新世到现代海洋中都存在, 因此无法对该层的年龄再做更精细的推测.Ⅲ层底层样品化石丰度较高, 多样性也高, 有晚更新世的十几个种类, E. huxleyi仍很丰富, 由于该种在以下的层位没有出现, 它在这个层位的出现被定为初现面(0.27 Ma).
Ⅱ层顶层样品中也是化石丰度低但类别较多, 出现了早更新世的几个代表分子, 如C. macintyrei, H. sellii, Pseudoemiliania lacunosa, G. lumina等.C. macintyrei的末现面是早更新世的一个重要事件, 据此, Ⅱ层顶层样品被定为是C. macintyrei的末现面(1.58 Ma).Ⅱ层中层样品只出现了少数几枚时代分布较长的化石, 如H. carteri, C. leptoporus, 还有2枚G. sinosa, 这是一个从上新世早期到更新世晚期出现的类别.从G. sinosa的存在以及缺乏典型的更新世分子来看, 该化石组合应属于上新世, 但无法再做更精细的推测.Ⅱ层底层样品也含H. carteri, C. leptoporus, G. sinosa, 以及典型的较大个体的P. lacunosa等.此外还发现了一枚Sphenolithus neoabies, 这类小型的楔石类的末现面年龄为3.66 Ma, 早上新世晚期.由于G. sinosa和P. lacunosa最早出现于早上新世(Perch-Nielsen, 1985; Su, 1996), 尤其是后者的典型较大个体类别在大西洋最早约出现于4.5 Ma (Su, 1996), 综合起来推测该样品的年龄大致为3.66~4.5 Ma.
Ⅰ层的顶层样品未发现化石.在该层中部的上白夹层发现了较丰富的早渐新世化石, 如Ericsonia formosa, Reticulofenestra bisectus, R. umbilicus, Chiasmolithus altus, D. tanii., D. adamanteus.其中R. umbilicus的末现面年龄为32.3 Ma, E. formosa的末现面为32.8 Ma, 而C. altus和D. adamanteus的分布下限只在早渐新世.考虑到这些因素, 可以大致将该样品作为E. formosa的末现面, 为32.8 Ma.此外可以根据没有始新世分子D. saipanensis (末现面34.2 Ma) 出现, 把该样品的年龄定在32.8~34.2 Ma之间.在该层中部的下白夹层发现了较丰富的R. bisectus和少数几枚E. formosa, 和1枚Birklundia staurion.其中B. staurion只见于中始新世NP15-16带(Perch-Nielsen, 1985), 而R. bisectus的最早出现也是约在中始新世NP15-16带.E. formosa可以下延到早始新世的NP12带左右.综合起来, 该样品的年龄应该为中始新世NP15-16带, 年龄为40.4~49.7 Ma.Ⅰ层的底层样品所含化石较少, 以Fasciculithus类为主, 除了F. pileatus和F. clinatus外还有数枚保存不好、难以鉴定的Fasciculithus化石.虽然没有可以更精细确定年龄的标志化石, 但就F. pileatus和F. clinatus在中晚古新世的分布来看, 其时代范围与中晚古新世标志化石F. tympaniformis的分布时代大致相当, 该种的上下分布时限为55.3~59.7 Ma.此外还发现Toweius eminens和Micula sp.各一枚, 前者见于中晚古新世, 后者常见于晚白垩世, 但个别分子可以上延到古新世.由于化石保存不好, 难以准确鉴定该种.综合起来, Ⅰ层底层样品无疑属于中晚古新世, 从年代上来说, 大致范围为55.3~59.7 Ma.
该结壳的基底层也未发现钙质超微化石.
3. 结壳形成和生长时期的讨论和认识
对N1-15和N5E-06 2个富钴结壳根据钙质超微化石的记录进行的地层划分和地质年代确定结果总结于表 4, 5.
来自N1海山的N1-15富钴结壳含化石少, 保存较差, 而且有新老化石混杂的现象或相互矛盾的记录, 导致了鉴定化石以及划分地层和确定时代的不确定性, 有几个层位的确定是建立在比较勉强的推理基础上的, 如Ⅰ层和Ⅱ层.该结壳较连续和可信的化石序列出现于上新世到更新世期间.按目前所推测的年代方案, 该结壳最底层的年龄范围为新近纪中新世19~23.2 Ma, 其顶部表层为第四纪更新世0.09 Ma以来的沉积.
相对来说, 来自N5海山的N5E-06富钴结壳含化石较多, 保存也较好, 提供了较丰富和相互对应一致的化石记录, 获得了较确切的地层划分和确定时代的方案.该结壳较连续的化石序列出现于上新世到更新世期间的上部结壳层中, 以及出现在中晚古新世到早渐新世的下部结壳层中.最底层的年龄范围为古近纪中晚古新世的55.3~59.7 Ma, 其顶部表层为第四纪更新世0.09 Ma以来的沉积.
比较上面2个结壳的生物地层学结果初步得到以下认识: (1) 2个结壳的上部都发现了较连续的上新世到更新世化石序列, 与它们的层状构造相对比, 这个序列可对应于典型3层层状构造的上层和中层.更准确地说, 致密型上层结壳为晚更新世的沉积, 而疏松型中层结壳为上新世到中更新世的沉积.致密型下层结壳的形成时代比较复杂, 将在下面讨论. (2) 本研究在2个结壳中都没有发现十分可信的晚渐新世到中新世的化石记录.实际上共发现了2枚分布时限限于中新世的化石, 一枚是N1海山N1-15富钴结壳上部Ⅳ层中的D. bellus, 该化石目前作为再沉积化石.另一枚是该结壳Ⅰ层底部的D. druggii, 是在没有更可靠的化石记录情况下, 用它指示该层的时代.N5海山的N5E-06富钴结壳化石虽然较丰富, 但也没有发现时限仅分布于晚渐新世到中新世的化石记录.在该结壳上部上新世到更新世序列和下部中晚古新世到早渐新世序列之间存在1个未发现化石的Ⅰ层顶层, 目前无法了解它是属于晚渐新世还是中新世, 或早渐新世晚期.因此, 富钴结壳下层是否有部分形成于晚渐新世到中新世这一时期还有待于在未来工作中通过分析更多的富钴结壳来探讨. (3) 就N5海山的N5E-06富钴结壳来说, 其下层致密型结壳的下部包含的中晚古新世到早渐新世化石序列充分表明, 这部分结壳形成于中晚古新世到早渐新世的59.7~32.8 Ma期间. (4) 在个别层位之间存在着沉积间断, 如N5E-06富钴结壳的Ⅲ层底层的时代为0.26 Ma, 而与它紧密相邻的Ⅱ层顶层的时代为1.58 Ma, 相差约1.32 Ma, 或者说在早更新世与晚更新世期间有一个时间长度为1.32 Ma的沉积间断.由于这个间断现象目前只发现于N5E-06富钴结壳, 无法推测是N5海山的局部构造活动造成的还是其他原因造成的.
致谢: 研究样品和航次相关资料由大洋协会提供, 大洋航次海上调查人员为研究样品的取得付出了辛勤劳动. -
图 2 N1-15富钴结壳结构分层和取样分层
Ⅰ—Ⅴ层顶、底.各层顶底位置; ▼或▲.取样位置; ▲1.样品编号
Fig. 2. Generalized subdivision and sampling record of Co-rich ferromanganese crust N1-15
图 4 N5E-06富钴结壳结构分层和取样分层
Ⅰ—Ⅴ层顶、底.各层顶底位置; ▼或▲.取样位置; ▲1, 样品编号
Fig. 4. Generalized subdivision and sampling record of Corich ferromanganese crust N5E-06
表 1 富钴结壳样品的结构特征
Table 1. Structural features of Co-rich ferromanganese crusts
表 2 本文引用的新生代钙质超微化石事件及其时代
Table 2. Tertiary calcarous nannofossil events and ages used in this study
表 3 N1-15结壳Ⅳ层的晚更新世化石与较老年代化石的混杂情况
Table 3. Mixture of few Late Pleistocene with trace Oligocene to Miocene calcarous nannofossil events and ages from Ⅳ layer in N1-15
表 4 N1-15结壳各层年代标志化石记录及其地质时代和年龄的估计
Table 4. Calcareous nannofossil events found from each layer of Co-rich ferromanganese crust N1-15 and geological ages estimated for these layers
表 5 N5E-06富钴结壳各层年代标志化石与地质时代和年龄的估计
Table 5. Calcareous nannofossil events found from each layer of Co-rich ferromanganese crust N5E-06 and geological ages estimated for these layers
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