关键词：碳酸盐台地淹没的悖论，营养梯度，普林斯巴阶-托阿尔阶边界事件（P-ToBE），托阿尔阶大洋缺氧事件（T-OAE），碳同位素偏移（CIE）
文献研讨
本学期研讨会中选择了关于碳酸盐台地淹没的课题进行了专题文献研究。由于这还是一个比较有争议的课题，因此对于不同假说解释的探讨反倒是更加能够引发兴趣。本期我们将研讨四篇有关碳酸盐台地的文章。第一篇是Wolfgang Schlager在1981年发表的文章，文中提出了有关碳酸盐台地淹没模式的悖论，作为理解该问题的一篇“导论”。第二篇是Pamela Hallock在2001年文章，文中强调了营养梯度这一因素的重要性。后两篇文章分别是Sarah Fleischmann等人在北意大利做的有关普林斯巴阶-托阿尔阶边界事件（P-ToBE）和托阿尔阶大洋缺氧事件（T-OAE）的一系列工作和Zhong Han等人在青藏地区做的一系列工作。两篇文章有各自的重要意义，将两个地区的结果拿来比较可以对生物碳酸盐台地的淹没机制有更深的认识。
对于碳酸盐台地的淹没，Schlager描述该事件的发生是由于相对海平面上升（由沉降速率和全球海面升降共同控制）的速率高于了碳酸盐台地的累积速率，导致台地或其上珊瑚礁被淹没至透光层以下，从而导致台地的消亡。然而淹没机制并非这么简单，如果只受海平面和沉降速率的长期因素影响，就会出现一个悖论：这些长期因素过程发生过于缓慢，碳酸盐台地上的珊瑚礁生长速率远高于这些过程。例如，Schlager在研究了更新世至全新世时期全球海平面上升的速率和同时期碳酸盐台地的生长和淹没情况，得到的结论是全新世碳酸盐台地的累积速率远高于全新世海平面上升速率，也远高于历史其他时期台地的累积速率。而且全新世的速率要比其他历史时期快一到数个数量级。
各种速率之间的比较，全新世台地的生长远高于其他长期过程
尽管如此，在全新世早期还是有很多珊瑚礁和台地无法与海平面上升速率保持同步，从而导致了台地的消亡。关于全新世的台地淹没，Schlager给出了三个关于环境的影响因素。第一，对珊瑚礁有害的滨水环境破坏了台地生态。当海平面上升至完全淹没台地，并形成浅潟湖时，随之从内陆冲刷出的土壤和其他陆源物质会破坏碳酸盐台地的生长环境，导致生长速率的降低。但这种影响是暂时性的，可恢复的。第二，随着水深增加，垂直累积速率下降。第三，珊瑚礁生长的起始阶段非常缓慢。生长速率并不是一个恒定值或者线性增长模式。整个过程可以分成三个阶段：1）起始阶段。该阶段生长速率明显落后于海平面上升速率；2）追赶阶段。这个阶段由于大量生长空间产生，生长速率高于海平面上升速率，呈现追赶趋势；3）保持阶段。这一阶段珊瑚礁生长与海平面上升之间保持平衡关系，基本速率一致。
海平面上升情况下碳酸盐台地珊瑚礁生长模式
全新世的观察是否可以适用于对于更古老碳酸盐台地消亡的解释还存在很大的不确定性。文章给出了一些可能的原因用来解释上面提到的这个悖论。首先，长期地质活动过程过于缓慢，不足以立即导致台地的消亡。因此，一些短期而剧烈的地质过程更有可能造成台地生长潜力的下降，最终在长期过程下发生消亡。“short-term pulses”被用来描述这一系列过程。例如短期的相对海平面上升，如果台地发生淹没，海平面上升高度约为透光层100米，除去台地累积的高度补偿，150米就可以淹没台地；所需时间的最大值则根据每年1000微米的上升速率计算，也仅需一百万年就可以上升1000米。短期的构造沉降也是其中一个因素，尤其大陆边缘的断层板块的垂直运动可能导致台地淹没的发生。非对称的冰期旋回导致的海平面下降延迟，最终台地生长永久停滞。短期内孤立的海洋盆地的干涸也会导致海平面的上升。海底火山活动也可能导致海平面的波动，例如同步火山活动伴随隆起，但具体机制和证据还并不清晰。文章中还提到了台地坡高的增加最终达到所能生长的最大值，因为伴随着更大体积珊瑚礁的生长，所需的沉积物也就越多。作者认为对于坡高增加，可以通过坡度的减缓来作为补偿，大部分台地的累积水平没有那么高，生长潜力并没有很大程度由于这个原因而减弱。
增加的体积与坡高之间的关系
当然，更加可能的是多种因素的叠加效果导致最终的淹没。比如区域的沉降会决定哪些地方和什么时候最终由于海面变化而淹没，而长期的台地生长潜力下降会决定哪些地方会由于一次或几次短期过程而消亡。
文中提到的水底生长潜力的下降。导致这个结果的因素有很多，例如温度，盐度，太阳光照，氧气和二氧化碳水平，pH值等等。营养水平更是一个重要的因素。珊瑚礁和一些藻类存在一种共生关系，这种关系是珊瑚礁繁荣的根本。Pamela Hallock在文中提到了一个模型用来解释这个共生关系：共生藻类的光合作用产生了过量的有机碳（OC），宿主接受这些有机碳用于呼吸作用和产生抵御外部疾病威胁的黏液，宿主自身接收的颗粒有机碳（POC）用于宿主自身的生长。当溶解在水中的无机氮含量上升且过高时，共生藻类会保留光合作用产物用于自身的增殖，运送至宿主的有机碳的部分就会减少，宿主珊瑚礁的生长和黏液的产生也会减少，从而导致疾病的发生，例如珊瑚礁的白化。因此控制固定氮的环境浓度对于珊瑚礁的健康生长至关重要。
珊瑚礁和共生藻类之间的共生关系模型
文中提出了“营养梯度”这个概念，根据营养（营养物指的是氮和磷的离子，用于合成蛋白质等）的浓度将海底环境分为了四个部分：1）贫营养级（Oligotrophic）。这一级营养浓度很低，是珊瑚礁框架较为适宜的生长环境；2）中营养级（Mesotrophic）。随着营养浓度升高，中营养级区域可以支持大型藻类和海绵为主导的底栖生物，软体动物和棘皮动物也是这一级别的重要组成。尽管在这一级别中碳酸盐沉积物会高速形成，但是组成台地的珊瑚礁框架的净增长趋于停滞。因此在中营养级中存在珊瑚礁的turn-on/turn-off zone，随着养分增加，更多的竞争和疾病导致不再适合珊瑚礁框架的形成，最终完全停滞。3）富营养级（Eutrophic）。随着营养浓度增加，水的透光性受到限制，钙质藻类的生长也就受到限制。适合这一级别生长的动物基本为异养型，例如双壳类，腹足类，苔藓类等等。4）极富营养类（Hypertrophic）。由于高浓度营养支持了大量浮游生物的生长，导致水下氧气浓度不足，形成了海底缺氧的环境。一般这个级别的营养浓度在自然界珊瑚礁浅水环境中并不常见，需要人类因素的介入才能达到这一水平。
“营养梯度”的概念
根据上述的一系列对于碳酸盐台地的认识，接下来的两篇文章则是两个案例研究。Sarah Fleischmann等人在北意大利的威尼斯台地实地研究了普林斯巴阶-托阿尔阶边界事件对于台地碳酸盐的生产力的影响。在早侏罗纪时期，这里位于西特提斯洋。威尼斯台地与伦巴底盆地由中间的向西倾斜的正断层分开（具体位置关系见下图）。三个采样地点中，Brasa section代表了台地斜坡，主要由远洋沉积物、滑覆物和角砾岩等构成。Cima Benon/Pra Caston section代表了台地边缘，而Baita Nana section代表的是台地内部。研究对三处采样点分别绘制了剖面并记录了微化石的生物地层情况。对于三个采样地点剖面，研究做了碳酸盐同位素分析，分别测量了δ13C_carb和δ18O_carb，还做了有机碳（δ13C_org）同位素分析。
研究的地理区域及所代表的台地区域
Brasa剖面的基底部分由中层的硅质石灰泥岩和薄绿色泥灰岩夹层组成，粉色瘤状石灰泥岩层中发现了菊石化石。在剖面十米左右是一个三米的含砾泥岩层，在该层中出现一些五角海百合、双壳类和煤化植物碎片的化石。从普林斯巴晚期向托阿尔早期演化为薄泥灰岩-石灰岩互层。具体描述见文献。在这一剖面值得注意的是在粉色瘤状石灰泥岩层开始δ13C_carb开始上升，至三米的含砾泥岩层达到2.7‰。紧接着是一个振幅达1.4‰的负偏移。在下托阿尔阶恢复到1.5‰，并一直维持在1.0~1.5‰。δ13C_org与δ13C_carb无明显的对应关系。从粉色瘤状石灰泥岩开始出现一个大约2‰的负偏移，经过含砾泥岩后又恢复到-27‰以上。
Brasa剖面及碳同位素曲线
Pra Castron和Cima Benon剖面位于台地边缘，具体如图。在上普林斯巴阶与托阿尔阶边界都出现了对应的不整合，不整合是由渗入下伏岩溶表面的红色碳酸盐岩地壳划分。Tofino Formation是托阿尔阶海侵的沉积岩层。Cima Benon剖面的δ13C_carb变化经历了两个较为明显的负偏移，并在后续岩层中逐渐上升到2‰左右。
Pra Castron和Cima Benon剖面及Cima Benon的碳同位素曲线
Baita Nana剖面位于碳酸盐台地更为内陆的位置。δ13C_carb在Tofino Formation出现明显负偏移。整个剖面比其他两个位置的δ13C_carb要重大约1‰。
Baita Nana剖面及碳同位素曲线
研究将剖面沉积层序与全球碳循环相对应。下图详细展示了研究根据微化石、岩石层位学和δ13C_carb测量所进行的层序对应，值得注意的是在Brasa没有记录到T-OAE，在Baita Nana没有记录到P-ToBE。
各层序对应
Brasa剖面基部出现的突然沉积物供应停止伴随着上覆瘤状石灰泥岩和含砾泥岩证明了出现在普林斯巴晚期的海退。在Brasa所位于的台地斜坡上发现了大量从台地边缘区域侵蚀的物质，还包括了在Baita Nana同样发现的五角海百合化石。这指示了一个湿润的气候。有理由认为普林斯巴末期至托阿尔早期经历了由凉爽干燥的气候向温暖湿润的气候的变化，并伴随有大陆径流的发生。海退导致威尼斯台地暴露，其后是在Cima Benon出现的不整合与负CIE。出现的海百合、双壳类、海绵骨针化石等指示了碳酸盐台地生产力的恢复。在向早期托阿尔阶过渡时，碳酸盐台地生产力无法跟上海侵的速度，因此在层序中出现远洋薄层泥晶灰岩，包含了双壳类和海绵骨针化石。早托阿尔阶时期碳酸盐工厂恢复的时间短且力度弱，环境并不适合碳酸盐的生产。在早托阿尔阶时期出现了全球范围的升温和二氧化碳浓度的升高，对应了Cima Benon层序较好的灰岩互层被泥粒灰岩打断，这表明了海侵后海岸的进积。在Baita Nana剖面也记录下了振幅较大的负CIE。T-OAE的海侵比P-ToBE的海侵更向内陆延伸，在内陆区域发现的某些特定化石相也证明了受到外海影响，表层水呈现中营养至富营养状态。
威尼斯台地普林斯巴期-托阿尔期的演化过程
我们再简单分享一下第四篇的研究角度。这篇南京大学胡修棉教授课题组的文章选取了早侏罗纪南半球特提斯喜马拉雅层序的Kioto碳酸盐台地的两处地点进行了采样研究。该研究希望通过对普林斯巴阶-托阿尔阶南半球碳酸盐台地的研究建立更广泛的环境演化过程并探讨T-OAE导致大量生物碳酸盐台地消亡的因素。
采样区域示意
该研究也同样建立了沉积层序观察与碳同位素测量之间的关联性，并与一些西特提斯洋经过较好测定的同时期碳酸盐台地进行对应，同样在研究的两个剖面内发现了T-OAE的碳同位素记录，并对应了沉积相变化的起始。
研究剖面与欧洲其他同时期台地的化学地层对应
该研究引入了对于Ti的测量，Ti的浓度代表了岩屑的输入程度。文中建立了δ13C_org和Ti之间的关系并发现两者没有明显的相关性。这就说明了对于该区域（Nianduo section），陆源有机物的流入对于δ13C_org的变化微乎其微。
δ13C_carb、δ13C_org、δ18O_carb、Ti之间的相关性
研究通过对于沉积相中出现的洼状交错层理、丘状交错层理等结构进行了分析。这些结构都是重要的风暴指示物，表明该时期受到风暴影响。T-OAE期间低纬度地区热带气旋可能为风暴沉积主要的产生机制。现代模型显示二氧化碳浓度和表面海水温度的提高会导致热带气旋的加剧。
文章提供了该研究提出的关于碳酸盐台地消亡的可能机制。第一篇文章提到的构造沉降无法解释特提斯喜马拉雅层序，因为在早侏罗纪印度北部是成熟的被动边缘，不具有所谓的short-term pulses的形成条件。由于T-OAE所增加的陆源营养物质的输入也不能够解释，因为在淹没的不整合面处并没有发现代表富营养状态的岩相，因此营养物质浓度的上升并不是一个急剧的变化。缺氧环境也是一个合理的解释。海洋酸化也可以解释某些对海水pH敏感的生物的消亡，这也对应了T-OAE大量的碳释放。加上海水温度的上升也对应了大灭绝的水平和范围。简而言之，本研究认为全球变暖导致的海水变暖、海水酸化和缺氧环境的产生导致了特提斯洋周边生物碳酸盐台地的广泛的消亡，并向非化石碳酸盐台地转化。
在研讨会上，我们小组将威尼斯台地在P-ToBE和T-OAE演化期间消亡的机制归纳为三点：1）台地的浮现，导致其在起始阶段很难恢复碳酸盐生产力；2）高度多变的温度，导致了一系列珊瑚礁的死亡等等；3）温暖湿润气候下，陆源营养的流入导致的富营养化。Kioto台地的研究对于营养物质的影响的否定确实是没有想到的，因为在威尼斯台地观察到了化石证据所代表的营养梯度的变化。因此，碳酸盐台地淹没的机制仍是一个值得讨论的问题，希望这篇介绍可以给你多一些的了解。
参考文献
2. Hallock, Pamela. "Coral reefs, carbonate sediments, nutrients, and global change." The history and sedimentology of ancient reef systems. Boston, MA: Springer US, 2001. 387-427.
3. Han, Zhong, et al. "Carbonate-platform response to the Toarcian Oceanic Anoxic Event in the southern hemisphere: Implications for climatic change and biotic platform demise." Earth and Planetary Science Letters 489 (2018): 59-71.
