海洋表层初级生产力及其生物泵过程是驱动海洋碳循环的关键环节。海洋浮游植物贡献了地球上约50%的光合作用, 并通过控制大气CO₂浓度来调节地球气候。其中, 硅藻是海洋初级生产力的主要贡献者, 贡献了约40%的海洋初级生产力, 而且硅藻化石还是过去表层洋流演化及海表温度变化的记录者。目前, 日本海古海洋的长期演化及其与古生产力演化的相互联系并不清楚, 现有研究的时间尺度主要集中在晚第四纪。IODP 346航次的U1425和U1430站位沉积物岩芯中存在丰富的硅藻化石, 为重建了中中新世~15 Ma以来日本海古海洋与古生产力的演化历史, 提供了关键的研究材料。

  对马暖流是黑潮在东海东北部的主要分支, 是目前流入日本海的唯一暖流, 为该区域提供了重要的低纬热量及营养盐。本文基于硅藻组合和硅藻古温度指数重建了~15 Ma以来的对马暖流活动历史。通过对比硅藻组合、放射虫及有孔虫数据, 文中进一步探讨了对马暖流、黑潮和西太平洋暖池的协同演化。结果显示, 典型的热带-亚热带暖水硅藻种属丰度及硅藻古温度指标Td′存在显著的阶段性变化, 指示了不同时期对马暖流活动强度的变化。15‒12 Ma, 虽然一度存在较高的巨大辐环藻丰度 (温带种), 但由于缺乏热带-亚热带的暖水硅藻化石组合, 暗示此阶段可能缺乏对马暖流的活动。12‒11 Ma, 此时热带-亚热带暖水硅藻化石组合开始出现, 指示了早期的对马暖流活动, 这和印尼海道变窄、西太平洋暖池开始形成及黑潮发生强化的时间相一致。大约10.7‒10 Ma时, 由于全球海平面下降和对马海峡的关闭, 导致了对马暖流的短暂中断与日本海南部硅藻丰度的显著下降。10‒7 Ma的热带-亚热带暖水硅藻记录表明, 该阶段仍存在相对明显的对马暖流活动, 并对应了较强的黑潮活动。7‒4 Ma, 由于缺乏暖水硅藻化石, 冷水种硅藻占据主导, 表明对马暖流的活动可能一度中断, 也对应了晚中新世全球变冷时期黑潮强度的减弱。直到4‒3 Ma, 典型热带-亚热带暖水硅藻化石记录的再次出现显示出对马暖流的再次活跃, 该阶段正对应于印尼海道的进一步变窄及巴拿马海道的最终关闭, 其促使了现代西太平洋暖池和现代黑潮的形成。而后3‒2 Ma, 由于北半球大冰期的加剧, 此时黑潮和暖池衰减, 对马暖流活动也明显减弱。自中更新世气候转型以来, 西太平洋暖池缩小, 全球气候及海平面调控着黑潮的强度及对马海峡的开放程度, 最终导致了日本海对马暖流的周期性强弱波动。

  基于本文的硅藻种属数据、生物硅数据和前人已发表的古生产力指标数据, 文中进一步探讨了中中新世以来日本海古生产力的演化。~15–10 Ma期间, 日本海中部和南部具有较低的初级生产力, 仅在~12–11 Ma期间生产力出现了短暂的提升, 可能和早期对马暖流活动的开始有关。随后10–7 Ma, 受到间歇的对马暖流活动影响, 研究区生产力相对前一阶段总体上有所提升。7–4 Ma, 硅藻丰度、生物硅及Ba_EF均指示了7–4 Ma期间日本海的高初级生产力, 期间丰富的具边圆筛藻、角毛藻及菱形海线藻指示了较强的上升流活动, 冷水种硅藻丰富而缺失暖水种, 指示了北侧海道的开放和富营养的北太平洋冷水的进入。~4 Ma之后, 日本海快速发展为一个半封闭边缘海, 使得北侧海道流入的北太平洋冷水大幅减少。4–3 Ma期间, 日本海生产力先下降后, 而后在~3 Ma又出现了突然的升高, 此时冷水种的丰度显著增加, 富营养的太平洋冷水团此时可能通过未完全关闭的北侧海道进入日本海。而后, 由于北半球大冰期的加强 (~2.6 Ma), 日本海和北太平洋区域的硅藻生产力显著降低, 即硅藻 “崩塌” 事件, 水体层化加剧导致深部营养盐供应减少, 是该时期初级生产力减少的主要原因。第四纪以来, 全球气候和海平面变化控制着对马海峡的开放程度, 对马暖流周期性的活动则调控着日本海的初级生产力。

第1章 绪论... 1

1.1 国际大洋钻探计划与古海洋学... 1

1.2 古生产力研究及意义... 1

1.3 日本海古生产力的研究现状... 3

1.4 现存的问题... 6

1.5 研究内容与目标... 8

第2章 研究区概况... 10

2.1 日本海地理及水文特征... 10

2.2 日本海构造及古海洋演化... 13

2.3 日本海沉积特征... 14

第3章 研究材料和方法... 17

3.1 研究材料... 17

3.2 年代框架... 18

3.3 研究方法... 18

3.3.1 硅藻鉴定统计... 19

3.3.2 基于硅藻种属的古温度指数... 20

3.3.3 生物硅分析... 20

第4章 中中新世以来日本海硅藻演化及古环境意义... 23

4.1 中中新世以来日本海主要硅藻种属及其生态... 23

4.2 硅藻种属演化特征及古环境意义... 28

第5章 中中新世以来日本海表层洋流的演化... 32

5.1 中中新世以来日本海表层洋流的演化... 32

5.2 中中新世以来对马暖流、黑潮和西太平洋暖池的协同演化... 35

5.3 小结... 37

第6章 中中新世以来日本海古生产力的演化... 39

6.1 日本海古生产力的影响因素... 39

6.1.1 火山活动的铁肥效应... 41

6.1.2 风尘输入变化的铁肥效应... 42

6.1.3 洋流演化及营养盐变化... 44

6.2 中中新世以来日本海古生产力演化及其古环境响应... 46

6.2.1 中中新世以来日本海古生产力的演化... 46

6.2.2 第四纪日本海硅藻生产力的 “崩塌”... 52

6.2.3 北半球大冰期的加强和硅藻 “崩塌” 事件成因分析... 54

6.3 小结... 60

第7章 结论与展望... 62

7.1 结论... 62

7.2 创新点... 63

7.3 研究展望及后续工作... 63

参考文献... 64

附录 图版... 98

图版1. 98

图版2. 99

图版3. 100

图版4. 101

图版5. 102

图版6. 103

图版7. 104

图版8. 105

图版9. 106

图版10. 107

图版11. 108

图版12. 109

图版13. 110

图版14. 111

图版15. 112

图版16. 113

图版17. 114

图版18. 115

图版19. 116

图版20. 117

图版21. 118

图版22. 119

图版23. 120

致 谢... 121

作者简历及攻读学位期间发表的学术论文与其他相关学术成果 123