湖北峡东地区“盖帽碳酸盐岩”中燧石条带的地球化学特征及其古环境意义

湖北峡东地区新元古代陡山沱组一段的"盖帽碳酸盐岩"中发育有保存良好,与白云岩界线截然,顺层产出的燧石条带。利用硅酸盐的BrF5硅氧同位素分析方法对燧石条带进行测试,得到较高的硅同位素(δ^(30)Si_(NBS-28)为0.4‰~1.7‰)和氧同位素(δ~18O_(V-SMOW)为24.0‰~26.6‰)组成。燧石条带可能为温暖的滨海相化学沉积产物,氧同位素测温得到的沉积海水温度为35.4~47.7℃。燧石条带的Al/(Fe+Mn+Al)为0.43~0.50,Si/Al比值为257~269,表明燧石条带形成过程中有少量的陆源物质参与,而较低的∑REE(2.19×10^(-6)~3.59×10^(-6)),Ce正异常(1.20~1.24)和U/Th比值(3.75~14.45)上则明显带有热水沉积的特征。燧石条带的硅质可能主要来自远源火山热液活动,在温暖的滨海环境达到硅质饱和而形成的化学沉积,同时验证了早期研究者认为的"雪球事件"冰后期环境温度曾一度极为温暖的猜想。

新元古代晚期盖帽碳酸盐岩的成因与“雪球地球”的终结机制

新元古代晚期约635Ma的地球发育了到达赤道附近的冰川作用,地质记录上表现为代表寒冷气候的冰期沉积杂砾岩,直接被代表温暖环境的碳酸盐岩层(常称盖帽碳酸盐岩)覆盖。由于盖帽碳酸盐岩奇特的岩石学和地球化学特征,引起了对其成因认识的巨大争论,提出了“雪球地球”和“甲烷渗漏”等假说。“雪球地球”假设可以解释一些令人困惑的地学现象,如低纬度和低海拔冰川沉积、盖帽碳酸盐岩、碳酸盐δ13C负漂移和条带状铁矿层等,但许多科学家对此提出了质疑。最近对盖帽碳酸盐岩的δ13C分析结果(最低达-41‰)、盖帽碳酸盐岩发育的类似现代冷泉碳酸盐岩沉积组构等似乎支持“甲烷渗漏”假说。

陡山沱组盖帽碳酸盐岩C同位素特征及形成环境——以扬子北缘神农架地区为例

神农架地区位于华南扬子克拉通北缘,发育完整的成冰系-埃迪卡拉系地层层序。本研究基于新近发现的6个埃迪卡拉系盖帽碳酸盐岩剖面,系统研究了其地层学、沉积学和C同位素地球化学特征,并依据盖帽碳酸盐岩发育的一系列沉积指相标志,讨论了盖帽碳酸盐岩形成的沉积环境。神农架盖帽碳酸盐岩由细粉晶白云岩组成,盖帽白云岩与下伏冰碛岩接触关系多较截然,部分为渐变过渡关系,沉积构造单调,以水平层理或块状层理为主,少见其他特殊沉积构造或岩石、矿物组分,偶见团粒、叶枝状等藻类生物,盖帽白云岩和上覆岩系构成快速海侵-退积的沉积层序。盖帽白云岩δ^13C剖面显示,由下向上从极低(-6‰^-9‰)到中低(-4‰^-5‰)负漂移,或从中下部中低幅负偏逐渐向上更负偏(-4‰^-5‰间)或在中低负值附近高频振荡,但上覆沉积物的δ^13C剖面保持持续中低负偏。研究表明,沉积指相标志及C同位素共同指示盖帽碳酸盐岩与冰后期海平面快速上升同步,这6个盖帽白云岩剖面主要发育于神农架中西部浅水陆架潮坪区域。这些盖帽白云岩剖面的δ^13C值基本类同于国内外埃迪卡拉盖帽白云岩δ^13C剖面的变化规律,具有广泛的全球变化和对比意义。同时,神农架的这几个盖帽白云岩剖面δ^13C值有其独特性,该特征是对冰后初期浅水碳酸盐岩沉积作用平衡全球海平面快速上升的响应。进一步研究发现,埃迪卡拉系初期盖帽碳酸盐岩沉积于扬子克拉通广泛的浅水陆架沉积环境,并非发育于从深水盆地-斜坡-陆架的各个沉积相区。

铜仁地区陡山沱期盖帽碳酸盐岩地质地球化学特征及其成因

通过对贵州铜仁地区陡山沱期盖帽碳酸盐岩进行野外地质观察与室内岩石薄片显微镜下观察和研究,发现盖帽碳酸盐岩普遍发育有晶洞构造、帐篷构造、层状裂隙及包卷状构造等特殊沉积构造,重晶石、黄铁矿广泛发育,δ(13C)(2个研究剖面平均值分别为-4.73×10-3,-4.52×10-3)普遍显著负偏。研究区盖帽碳酸盐岩的地质地球化学特征依据"甲烷渗漏"成因假说能够较合理地解释。

湖北宜昌九龙湾剖面震旦系陡山沱组盖帽碳酸盐岩微相研究

盖帽碳酸盐岩是沉积于新元古代冰碛岩之上的微晶碳酸盐岩沉积。在华南地区,以陡山沱组底部碳酸盐岩为代表。笔者通过对湖北宜昌九龙湾剖面震旦系陡山沱组盖帽碳酸盐岩微相研究,认为陡山沱组盖帽碳酸盐岩是稳定的灰泥球粒微晶灰岩经过后期不同程度的重结晶作用形成。原岩缺乏可靠的冷泉碳酸盐岩的微相特征,从碳酸盐岩微相角度上并不支持其甲烷渗漏成因,同时微相类型表明九龙湾剖面陡山沱组沉积是一种台地前斜坡沉积。

甲烷渗漏构造、水合物分解释放与新元古代冰后期盖帽碳酸盐岩

甲烷水合物是地球沉积圈最大的可交换碳储库,在全球变暖和海平面变化期将大规模分解释放,对全球气候和环境产生重大影响.新元古代极端寒冷的冰期之末可能发生了地史上最大的甲烷水合物分解释放事件.Marinoan冰后期(约635Ma)盖帽碳酸盐岩中广布的甲烷渗漏构造、特殊的同位素标识、低硫酸盐浓度、海相重晶石沉积以及短暂而显著的碳同位素负漂(δ13C≤?5‰)提供了新元古代晚期冰川消融和海进过程中甲烷释放的有力证据.甲烷释放可能导致了全球变暖,促进了全球冰川迅速融化;而甲烷氧化导致的海洋缺氧和大气含氧量波动可能是新元古代末后生动物演化的重要环境驱动因素.该事件有待进一步研究的问题包括:甲烷水合物分解释放的诱发因素、甲烷最初释放与海洋缺氧事件发生的时间及其与生物演化之间的关系、反映甲烷氧化的地球化学信号、盖帽碳酸盐岩的区域和全球等时性等.华南陡山沱组底部的盖帽碳酸盐岩提供了研究这些问题的良好实例.

湖北宜昌埃迪卡拉系陡山沱组底部盖帽碳酸盐岩中具极负碳同位素值方解石的U-Pb年龄

作为新元古代全球冰期结束的标志,盖帽碳酸盐岩在全球广泛分布。盖帽碳酸盐岩特殊的沉积构造和地球化学特征使其长时间以来成为学界研究新元古代冰期事件的重点关注对象。湖北宜昌三斗坪地区埃迪卡拉系陡山沱组底部盖帽碳酸盐岩中具极负碳同位素值(δ^(13)C最低值小于-40‰,VPDB)方解石的形成与甲烷氧化有关,被认为是甲烷水合物释放导致冰期结束和盖帽碳酸盐岩沉积这一假说的关键证据。但也有学者认为这些具极负碳同位素值方解石是在盖帽碳酸盐岩沉积之后形成的,因此与冰期结束和盖帽碳酸盐岩沉积无关。为探讨盖帽碳酸盐岩中具极负碳同位素值方解石的形成时间,本文利用近年来发展迅速的碳酸盐矿物激光剥蚀电感耦合等离子体质谱(LA-ICP-MS)U-Pb定年技术,分别对湖北宜昌九龙湾剖面陡山沱组底部盖帽碳酸盐岩裂隙和孔洞中的暗色方解石、白云石胶结物、白云石围岩进行了年龄测定。测试结果表明,暗色方解石的形成时间为593.7±8.7 Ma(2σ,n=111,MSWD=3.6),比盖帽白云岩沉积时间晚约40Myr,而白云石胶结物和围岩的分析测试获得了与方解石近似的U-Pb年龄,表明后期富甲烷流体的活动也对裂隙早期胶结物和周围的白云岩造成了影响。

宁镇山脉的盖帽碳酸盐岩

埃迪卡拉系底部发育一套覆盖在成冰纪冰碛杂砾岩之上的碳酸盐岩地层,被称为"盖帽碳酸盐岩",它是超级温室气候事件的沉积标志层,代表了新元古代"雪球"冰期的结束。通过对宁镇山脉地区新元古代地层的野外调查,在镇江丹阳帽山剖面南沱冰碛杂砾岩层顶部发现厚约4 m的含锰碳酸盐岩。沉积岩石学和稳定碳、氧同位素研究表明,这层碳酸盐岩具有盖帽碳酸盐岩的典型特征,可以与扬子板块其他地区的盖帽碳酸盐岩进行对比。这是宁镇山脉地区存在盖帽碳酸盐岩的首次报道。

华南新元古代“盖帽”碳酸盐岩中甲烷渗漏事件的综合识别特征

新元古界陡山沱组"盖帽"碳酸盐岩中极低碳稳定同位素值被普遍认为是"雪球"地球后甲烷渗漏事件的关键地质证据,δ13Ccarb介于-41‰～-48‰PDB之间,明确指示其成因与甲烷厌氧氧化作用有关.最近,在长阳地区新发现了另外4个显示明显碳同位素负值(δ13Ccarb～-31.89‰PDB)的剖面,并产出大量枝状、扇形、花瓣状重晶石结晶扇,类似于现代海底冷泉区重晶石特征."盖帽"碳酸盐岩的高分辨率87Sr/86Sr出现异常高值(～0.7186),并与相应层位的极低碳稳定同位素记录之间存在时间上先后关系和成因联系,可能指示甲烷渗漏引起的温室效应造成了陆地化学风化作用的增强和海水87Sr/86Sr比值的增高.因此,华南新元古界陡山沱组"盖帽"碳酸盐岩中保存的极低碳稳定同位素记录、花瓣状重晶石、锶同位素异常正值和帐篷构造、层状裂隙、晶洞等特征性沉积构造,是识别新元古代冰后期和其他地史时期甲烷渗漏事件的综合地质标志.

华南埃迪卡拉系底部钾质斑脱岩的岩石地球化学特征及其地质意义

我国华南扬子地台不同地区(湖北宜昌、安徽休宁)埃迪卡拉系底部的盖帽碳酸盐岩中均保存有浅色粘土岩层。岩石薄片和扫描电镜观察,以及X射线衍射分析表明,这些粘土岩层以伊利石和伊/蒙混层矿物为主,同时含有港湾状熔蚀石英、高温透长石及岩浆锆石等斑晶矿物。X荧光光谱仪和ICP-MS等离子质谱仪等地球化学元素分析表明,这些粘土岩层具有相似的元素组成和配分模式,以高K2O、低TiO2,富含Nb、Ta、Zr、Hf、Th、Y等亲石元素为特征,Al2O3/TiO2、Zr/Hf和Ti/Th值均指示了酸性火山灰的性质,同时稀土元素配分模式与花岗岩较为相似。岩石学和地球化学特征表明,这些浅色粘土岩层是火山喷发事件形成的钾质斑脱岩。通过两处剖面的对比,可以将安徽休宁地区的钾质斑脱岩年龄限制在大约635Ma左右。岩浆判别图指示了这些钾质斑脱岩的原始岩浆为高钾亚碱性流纹英安岩;依据微量元素特征和构造环境判别图,初步认为原始岩浆形成于大陆弧环境。这些钾质斑脱岩在区域上的分布,表明我国扬子地台埃迪卡拉纪早期发生了广泛的火山活动,"雪球地球"事件的结束可能是导致这期以钾质斑脱岩为代表的火山喷发事件的诱因。

三峡地区陡山沱早期水体性质的稀土元素和锶同位素制约

通过分析三峡地区九龙湾剖面新元古代盖帽碳酸盐岩的稀土元素和锶同位素组成,对新元古代"雪球地球"事件结束后水体的性质提供了制约。盖帽碳酸盐岩的REE配分模式具有轻重稀土元素亏损的特征,存在轻微Y正异常以及较高的Y/Ho值,没有明显的La异常。这些特征与受淡水影响的陆缘盆地、湖泊等沉积环境相似,而不同于正常海水。这表明盖帽碳酸盐岩不是正常的海相沉积物,而是发育在淡水与海水混合环境中的沉积物。盖帽碳酸盐岩具有较高的87Sr/86Sr值,这是由于新元古代"雪球地球"事件结束后大量陆源风化物的输入引起的。因此,盖帽碳酸盐岩较高的87Sr/86Sr值不能代表当时全球海水信息,只能反映局部混合水体的信息。轻微的Ce负异常显示陡山沱组早期水体处于弱氧化状态。盖帽碳酸盐岩的REE和Sr同位素综合特征表明在新元古代"雪球地球"事件结束后,陡山沱组早期水体是携带大量陆源风化物的冰融水与海水混合的水体,而且此时的混合水体处于弱氧化状态。

国际埃迪卡拉系年代地层学研究进展与发展趋势

埃迪卡拉系为国际地层表新增的新元古界最上部的系级年代地层单位,层型剖面被确定为南澳大利亚弗林德斯山脉依诺拉马河剖面,其底界点位(GSSP)选定为埃拉逖那冰成杂砾岩(Elatina diamictite)之上盖帽碳酸盐岩努卡利那组(Nuccaleena Formation)的下界(Gradstein et al., 2004;Knoll et al., 2004)。我国修定后的震旦系与埃迪卡拉系完全相当,底界以南沱冰碛岩之上盖帽碳酸盐岩的下界为界。本文综合国际地层委员会新元古代地层分会以及相关国家和地区近年来在埃迪卡拉系年代地层学领域研究的新进展、存在问题以及未来发展趋势作一概要介绍,以期引起国内晚前寒武纪地层古生物学者的广泛关注。

鄂西走马地区南华系大塘坡式锰矿床中硫同位素特征及其地质意义

近年来,鄂西走马地区发现了“大塘坡式”锰矿床,但是该区内锰矿的硫同位素相关研究尚未见报道。本文对鄂西走马地区的锰矿开展了详细的野外地质调查与钻孔岩心样品的硫同位素研究,结果表明:含锰岩系大塘坡组中黄铁矿δ34S值具有异常高值(33.7‰~46.2‰平均40.1‰)。但与贵州西溪堡、高地、湖南民乐、重庆小茶园、湖北古城等扬子地块周缘典型“大塘坡式”锰矿中黄铁矿δ34S值相比,研究区含锰岩系中黄铁矿δ34S值一般要低12‰~20‰,与黔东地区成锰盆地边缘相的黄铁矿δ34S数值相近,可能是研究区成锰盆地当时的水深比较浅,或者是位于一个大的成锰盆地的边缘相地带,导致水深较浅,含锰岩系厚度小,不利于走马地区大塘坡期大规模锰矿成矿。此外,研究区含锰岩系底部发育Sturtian盖帽碳酸盐岩(灰岩)等特征,也佐证研究区在大塘坡期为浅水沉积。

海洋沉积物中AOM成因的自生矿物及其对深时地球古海洋甲烷事件的启示

甲烷厌氧氧化作用（Anaerobic Oxidation of Methane,简称AOM）是海洋沉积物早期成岩过程中常见的地质作用,记录了沉积物埋藏压实期间海水下渗与沉积流体上涌过程中发生的硫酸盐还原和甲烷厌氧氧化等生物地球化学反应,形成了一套独特的自生矿物.通过实例分析东北太平洋IODP311航次U1328站位和南海北部陆坡GMGS2航次08站位的钻孔岩芯沉积物中自生矿物的类型和稳定碳、氧、硫同位素组成等,在U1328站位浅表层及约219m深度位置和在GMGS2-08站位15mbsf、60mbsf和84mbsf位置发现了AOM成因的自生碳酸盐类矿物,其δ13C值分别低至-41.50‰（VPDB）和-57.89‰（VPDB）,并且出现了富集的黄铁矿及其正偏硫稳定同位素组成,其δ34S值分别高达32.49‰（VCDT）和20.80‰（VCDT）.认为现代海洋沉积物中AOM成因的自生矿物能有效地记录海洋的甲烷异常渗漏事件,其矿物组合和稳定同位素组成可用于探索地史时期古海洋的甲烷渗漏事件.新元古代＂雪球地球＂结束后陡山沱组＂盖帽＂碳酸盐岩中极低碳稳定同位素的特征和扇状重晶石等自生矿物特征,指示了新元古代冰后期古海洋中曾经出现异常的甲烷渗漏事件,可能造成了古海洋环境和吉气候的突变.根据＂将今论古＂原理,利用AOM成因的自生矿物探索深时地球重大转折期古海洋的甲烷异常渗漏事件具有广阔的应用前景.