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魏巍,Thomas J. Algeo
古盐度指标的研究历史悠久，最初的古盐度研究要追溯到二十世纪三十年代，Goldschimidt (1932) 对不同沉积环境中沉积物的微量元素分布规律进行了探索。在最近几十年，我国学者开发或者实验过多种沉积学和地球化学指标，如B/Ga、Sr/Ba、87Sr/86Sr、Mg/Ca、Sr/Ca和Na/Ca等，来重建不同沉积地层的古盐度；其中，B/Ga、Sr/Ba比值得到了较为广泛的应用，然而大部分相关的研究成果都发表在中文期刊上（李成凤等，1988；邓宏文和钱凯，1993；王建强等，2015），未引起国外学者的关注和认可。此外，Berner and Raiswell (1984) 利用现代海洋和湖泊沉积物中的硫和总有机碳含量比值（S/TOC）证实该指标可以区分海水和淡水沉积。
为了证实这些地化指标（B/Ga、Sr/Ba、S/TOC）对古盐度指示的有效性，Wei et al. (2019) 收集了大量文献资料，总结了现代淡水、半咸水、海水等沉积系统的水体中的B（硼）、Ga（镓）、Sr（锶）、Ba（钡）和SO42-离子的浓度，以及系统中沉积物B、Ga、Sr、Ba、S和TOC的含量及其比值大小，定量地分析了这三种盐度指标与盐度之间的联系。
在整理的数据中，B的浓度与水体盐度显示出了非常强的线性关系（图1a），而B/Ga比与盐度也显示出较强的指数相关（图1c）。
图1 a, b, c：水体中B，Ga的浓度以及B/Ga比值与水体盐度交汇图；d, e, f：水体中Sr，Ba的浓度以及Sr/Ba比值与水体盐度交汇图；g：SO42-比值与水体盐度交汇图
沉积物中B的含量和B/Ga比值都显示与水体盐度正相关（图2a,c）。沉积物中的Ga含量与盐度相关性较弱。B与Ga交汇图明显的区分开了来自淡水，半咸水和海水样品（图2c）。
在水体中，Sr的浓度和Sr/Ba比值都显示出与盐度较强的正相关，而Ba的浓度与盐度呈较强的负相关（图1，d,e,f）。沉积物中的Sr含量和Sr/Ba比值都显示与水体盐度的强相关性。沉积物中Ba含量与盐度之间关系较弱(图2，d,e)。Sr与Ba含量的交汇图在一定程度上将淡水，半咸水和海水区域划分开来(图2，f)，相比B/Ga，Sr/Ba在不同盐度相交汇处存在较大的重叠（图2f）。
水体中的硫酸根离子的浓度与水体的盐度显示出较强的正相关性（图1，g）。沉积物数据中S和S/TOC都显示出与水体盐度显著的正相关性（图2，g,h）。在硫与TOC的交汇图显示海水与半咸水沉积物样品数据点存在明显的重合，而淡水沉积物数据点分区比较明显。本研究整合的海洋沉积物的S-TOC数据刚好位于Berner和Raiswell (1984)提出的“normal marine trend”（正常海洋沉积物趋势线）附近（图2，i），也证实了该指标的实效性。
图2 a, b: 现代沉积物中的B，Ga含量及其比值大小; c: 现代沉积物中B和Ga交汇图; d, e: Sr和Sr/Ba与盐度交汇图；f. Sr 和Ba交汇图；g, h: S和S/TOC与水体盐度交汇图; i: S与TOC的交汇图
B/Ga是最能有效区分不同盐度相的指标，其中B/Ga=3为淡水和半咸水相的分界线，而B/Ga=6为半咸水和海洋沉积的分界线(图2c)，该指标对不同盐度相区分的准确率约为88 %。对于Sr/Ba，区分淡水和半咸水沉积的最佳阈值为0.2，半咸水和海水的分界值为0.5 (图2f)，该指标的准确率约为66 %。对于S/TOC指标，S/TOC = 0.1 为最合适的区分淡水沉积和半咸水/海水沉积的阈值(图2i)，该指标的整体可信度大约为91 %。由于三种指标反映的环境因素不同，建议在进行所有的古盐度研究的过程中同时使用多种古盐度指标，从而保证更加全面、准确的古盐度评估研究。
图3 沉积物中各个古盐度指标对区分不同盐度水体的准确度统计（图中数字比值为：识别正确样品数/总样品数）
顾名思义，古盐度指标可以广泛的应用于指示各种不同沉积环境中水体的古盐度高低。然而，作为水体最基本的属性之一，古盐度演化与盆地周围其他环境因素的变化也息息相关，比如构造活动、气候的干湿交替、海侵事件、热液输入等等。因此，除了能够用来指示古盐度以外，古盐度指标还可以侧面反映研究区域周围其他环境因素的变化。
白垩纪晚期，北美大陆内陆海道，从墨西哥湾一直经过海岸平原、中西部各州，并穿过加拿大中西部进入北半球海中（图4）。在整个白垩纪时期，造山带一直向西逆冲推覆，导致西科迪勒拉山脉不断抬升。理论上，较高的海拔通常都意味着高强度的风化和降雨作用，而在海道的东部向劳伦克拉通附近则发生了弱到中等强度的降雨和相对减弱的风化作用。
皮埃尔页岩沉积从西往东（X-X’）盐度指标显示，水体盐度向东逐渐升高（图5），从淡水-半咸水盐度逐渐转变为半咸水-海水盐度，沉积环境从河口-滨海沉积逐渐转变为浅海近滨-远滨。同时，对该地区的沉积学模型研究显示西部山系的淡水输入比来自劳伦克拉通的淡水输入量更大。降雨量和淡水输入在横向上的差异直接导致了古盐度横向上的变化。因此，不同的区域构造特征造成的古气候差异，必然会导致处于该环境中的盆地水体盐度发生相应的变化。
图4 上白垩纪皮埃尔页岩（Pierre shale）和同层位页岩采样位置
图5 晚白垩纪皮埃尔页岩不同盐度指标(a). B/Ga；(b). Sr/Ba；(c). S/TOC 沿X-X’分布趋势
3.2 古盐度对海侵事件的响应
渤海湾盆地以陆相沉积为主，而很多地质学家们认为该地区发生过海洋入侵事件（图6）。我们使用三个古盐度指标对Luo-69钻井沙河街组Es3L亚段进行了古盐度研究。在Es3L亚段底部这三个盐度指标的最高值都指示海水的盐度，随后古盐度逐渐降低，因此我们推断，在Es3L段底部沉积时期发生了海水入侵事件，之后随着湖盆与海水的联通减少，古盐度从Zone A时期的海水盐度逐渐降低到Zone C时期的“高盐度半咸水”盐度（图7）。
图6 渤海湾盆地始新统古地理特征。红框代表沾化凹陷研究区域
图7 Luo-69古盐度指标地层柱状图
基于对整个渤海湾盆地的地球化学，矿物学，和古生物学证据的收集，发现在沙四段上部，沙三段（Es3）下部，以及沙一段的中下部均发生过海水入侵事件，即古盐度增高事件（图8），同时在这些层段都发现了海相或者过渡相生物化石、海绿石等证据。东营组三段在济阳坳陷未发现海相和过渡相生物相化石。因此，渤海湾盆地在古近系时期总共发生了四次类似的古盐度增加事件（图8）。其中Luo-69钻井沙三下亚段中发生的古盐度事件是在这四次事件中的第二次。这次海侵事件与始新统的全球海平面高位相对应，说明海侵事件很有可能是海平面升高导致的。
图8 渤海湾盆地古近纪的海侵事件识别
3.3 古盐度对重大地质事件的响应
早Toarcian（～183Ma）大洋缺氧事件（T-OAE）是早侏罗世一个重要海洋氧化还原事件。该事件在欧洲得到了广泛的研究，主要表现为大量生物灭绝、海平面升高、初级生产力增强、温度升高、有机质富集以及碳同位素负偏等特征（Remírez and Algeo, 2020）。
图9 （A）早侏罗纪欧洲海西北部和克利夫兰盆地、南德国盆地以及巴黎盆地的位置；（B）研究剖面位置；（C）下侏罗统克利夫兰盆地综合柱状图和菊石生物地层柱状图
图10 克利夫兰盆地两种水体演化模型，(A) McArthur et al. (2008) 和(B) Thibault et al. (2018).
McArthur et al.（2008）认为T-OAE时期，克利夫兰盆地页岩有机质的高度富集很有可能是因为在温暖的气候条件下，大量的淡水输入造成了上层水体与下层水体巨大的盐度差，促进了水体的分层，底层水体的缺氧状态促进了有机质的保存，也阻碍了底层水体与海水的交换。T-OAE事件之后，气候由暖转冷，淡水输入减少，水体分层减弱，下层水体与海水的交换增加，因此在T-OAE事件之后MoEF突然增加。Thibault et al.（2018）基于海平面变化趋势，提出了一个截然不同的沉积模型。他认为从普林斯巴阶到托尔阶时期，海平面逐渐升高，导致淡水输入减少，而将T-OAE事件之后的MoEF显著降低归因于海平面升高导致的海底缺氧事件，该事件触发了海水中的Mo元素被大量的吸收到深海沉积物中，降低了边缘海盆地沉积物中的Mo含量（图11）。
图11 氧化还原、古生产力和水体限制地球化学指标：（A）Corg/P （摩尔比值），（B）MoEF, (C) UEF, 和(D) DOP-T
Wei and Algeo. (2019) 的古盐度指标为克利夫兰盆地在T-OAE时期的两种有争议的模型提供了新的思路。若在Unit III沉积时期克利夫兰盆地水体分层增强，导致底层水体与海水联通减弱（MoEF降低）（McArthur et al.，2008），淡水的输入同样会导致深层水体盐度的降低。这种解释与我们的古盐度指标B/Ga变化趋势完全一致（图12）。另一方面，若Unit III沉积时期MoEF的降低是由于海平面上升触发的海底缺氧带和黑色页岩沉积的扩张，导致欧洲海西北部水体中Mo离子浓度的降低（Thibault et al., 2018），克利夫兰盆地水体的盐度应该与海水盐度相似，且不存在较大变化。而该解释与我们通过古盐度指标提供的盐度变化趋势并不一致。本研究证明了盆地的水道学特征对海洋缺氧事件在沉积物中的记录具有非常重要的影响。从古盐度指标的应用方面来讲，该研究阐述了在边缘海盆地研究中，同时使用古盐度和氧化还原指标对古环境解释的重要性。
图12 水体限制指标曲线和古盐度指标曲线B/Ga，S/TOC的对比
本文第一作者系中国地质大学（武汉）博士后，第二作者为美国辛辛那提大学地质系终身教授。
主要参考文献：
Wei, W., Algeo, T.J., Lu, Y., Lu, Y.G., Liu, H., Zhang, S., Peng, L., Zhang, J., Chen, L., 2018. Identifying marine incursions into the Paleogene Bohai Bay Basin lake system in northeastern China. Int. J. Coal Geol. 200, 1–17.
Remírez, M. N., & Algeo, T. J. (2020). Paleosalinity determination in ancient epicontinental seas: A case study of the T-OAE in the Cleveland Basin (UK). Earth-Science Reviews, 201, 103072.
1983年创刊 双月刊
主办：中国矿物岩石地球化学学会沉积学专业委员会中国地质学会沉积地质专业委员会中科院西北生态环境资源研究院