华南地区南沱冰期海洋氧化还原环境研究——来自贵州松桃南沱组白云岩稀土元素地球化学的指示

新元古代晚期地球经历了两次"雪球地球"事件,对冰期后埃迪卡拉纪的海洋氧化和多细胞生物的多样化产生了重大影响。然而由于冰期化学沉积岩的缺乏,迄今为止对南沱冰期海洋氧化还原条件了解不多。碳酸盐岩稀土元素地球化学特征能有效地反映其形成时的环境条件,已广泛用于恢复地质历史时期古环境条件。在贵州省松桃地区发现了一套南沱组自生沉积的碳酸盐岩,为探讨华南地区南沱冰期海洋古环境提供了理想的地质材料。该白云岩产于南沱组下部,厚约1.6 m,夹于两套冰碛砾岩中间。采用微钻技术钻取白云岩粉末,稀醋酸溶样,利用等离子体质谱仪(ICP-MS)进行稀土和其他微量元素分析。分析结果显示稀土元素含量较高,ΣREE为(23.0~46.6)×10^-6,PAAS标准化后稀土元素显示Ce的弱负异常或无异常(平均值0.90),可变的Eu和La异常,中稀土富集,Y/Ho比值平均为34.6。白云岩稀土配分特征与现代氧化的海水明显不同,结合样品中高的Fe、Mn含量特征,反映了南沱冰期华南地区表层海水整体处于缺氧富铁的环境,可能制约了冰期后的海洋氧化和多细胞真核生物的演化。

弗拉—法门转折期气候—海洋环境变化及生物危机成因探讨

【目的】晚泥盆世弗拉—法门(Frasnian-Famennian,F-F)转折期是地质历史的一个关键时期,海洋生态系统发生了重大变化并造成了低纬度地区浅海底栖生物的大量灭绝。关于该时期的古气候、古海洋环境变化以及生物灭绝的成因机制研究目前已取得一定的进展,但仍然存在争议且各环境要素之间的相互作用尚不明确。【方法】在系统梳理F-F转折期古气候、古海洋环境变化研究现状的基础上,结合华南的研究实例探讨了F-F转折期的古海洋缺氧模式。【结果与结论】F-F转折期,气候在变冷的趋势下出现多次快速的暖—冷交替;缺氧范围和程度各地表现不一,但主要集中在低纬度浅海地区上Kellwasser层附近。因此,F-F生物危机并不是单一因素造成的。频繁、短暂的火山活动引起大陆风化作用增强,一方面导致了气候快速的暖—冷交替,另一方面促进了陆地向海洋中输入营养物质造成浅海的富营养化和缺氧。各个环境因素相互制约/影响对低纬度浅海地区生命造成极大的环境压力,最终导致了F-F生物危机。

利用碳酸盐岩的Fe/Mn比值恢复海洋的氧化还原状态

碳酸盐岩的Fe/Mn元素比值,作为一项新的地球化学指标,可以用于恢复海洋的氧化还原状态.在氧化条件下,Fe^(3+)和Mn^(4+)均不可溶,因此氧化海水中的溶解Fe和Mn的含量均很低. Fe^(3+)和Mn^(4+)在还原条件下可以被细菌还原为可溶的Fe^(2+)和Mn^(2+),而氧化还原电位的计算表明,Mn^(4+)的还原要早于Fe^(3+)的还原,因此细菌的Mn还原过程发生在沉积物的更浅层.可溶的Fe^(2+)和Mn^(2+)向上扩散到海水中,替代碳酸盐岩晶格里的Ca^(2+),因此碳酸盐岩晶格中的Fe^(2+)和Mn^(2+)的含量受控于来自沉积物孔隙水的扩散,而后者又与水岩界面的氧化还原状态相关.因此可以预测,随着海水变得逐渐缺氧,碳酸盐岩中的Fe/Mn比值会逐渐增高.为了验证这一假说,我们分析了中元古代高于庄组白云岩的Fe/Mn比值.研究发现,几乎所有的样品的Fe/Mn比值介于20～30之间,显著高于泥盆纪末期深水碳酸盐岩和浅水台地碳酸盐岩的Fe/Mn比值.高于庄组碳酸盐岩高的Fe/Mn比值一方面可能指示了中元古代低的大气氧气浓度和海洋的广泛缺氧,也可能反映了白云岩形成于缺氧的沉积物空隙水里.

“富氧海洋”的今生前世

现代海洋整体呈富氧状态,该状态是复杂的海洋生态系统赖以存在与发展的重要前提。作为地球生命的摇篮,海洋是如何从早期完全缺氧状态演变至当前富氧状态的呢?

成冰纪南华盆地海水氧化还原性质的钨稳定同位素限定

成冰纪是大气和海洋氧化还原状态的关键转折期.重建成冰纪海洋氧化还原历史对解析早期动物演化、氧化还原敏感元素地球化学循环等诸多问题均具有重要意义.本研究针对具有重要全球对比意义和较好研究基础的南华盆地,尝试利用新近开发的钨稳定同位素体系,限定成冰纪间冰期陆架边缘海氧化还原环境.结果表明,南华盆地成冰纪间冰期黑色页岩层位的δ^(186)/^(184)W值明显高于陆源碎屑,指示具有较高δ^(186)/^(184)W值组分的加入.根据现代氧化海洋自生沉积钨稳定同位素组成,本研究认为,较高δ^(186)/^(184)W值端元来自海洋自生沉积组分.由于硫化海水中钨主要以硫代钨酸根形式存在,而硫代钨酸根具有较高的溶解度,硫化底层海水形成的沉积物中难以保存自生钨沉积组分.因此,钨稳定同位素组成表明,南华盆地成冰纪间冰期底层海水至少存在间歇性非硫化状态.结合已发表的铁组分和其他海水环境地球化学指标,本研究认为,南华盆地与当今波罗的海类似,间歇性通风导致底层硫化海水局部氧化,从而形成自生钨沉积.本研究展示了钨稳定同位素限定古海水氧化还原状态的巨大潜力.

早期地球海洋水化学分带的理论预测

寒武纪早期及以前的地球海洋(>520 Ma;以下简称为"早期地球海洋")具有广泛缺氧分层和有限氧化剂供应等特点,其化学特征可与现代海洋陆架区沉积物孔隙水类比.依据相似的地球化学原理和对于早期地球海洋化学形成机制的理解,本文提出早期地球海洋在陆架-斜坡浅水-中等水深区域在理想化条件下可能存在多个由不同氧化还原过程控制的动态化学分带,从近岸浅水到远洋深水依次发育:氧化带、NO3?-NO2?富集带、Mn2+-Fe2+富集带、硫化带、CH4富集带和深水Fe2+区.它们是大气自由氧对表层海水的氧化、化学跃变层之下反硝化作用、近岸区域锰铁氧化物还原作用、硫酸盐还原作用、产甲烷作用和深水热液Fe2+输入动态平衡后的结果.该化学分带模型细化了目前已有的古海洋水化学状态分类,对现有的古海洋"硫化楔"模型进行了扩展和补充,并较好解释了早期地球海洋不寻常的Mo-S-C同位素地球化学记录.该化学分带模型对未来早期地球海洋化学演化及元素生物地球化学循环研究具有指导意义.

沉积岩汞同位素的古环境指示意义

环境与生命的协同演化是地球科学的核心问题之一,而古环境的精确重建对于认识生命演化规律、机制以及预测地球宜居性的未来发展方向具有至关重要的意义.近年来,沉积岩中的汞及其同位素组成在重建地球古环境演化方面展现出巨大的潜力,获得了广泛的关注和应用,已发展成一个新的研究方向.其主要原因是汞及其同位素组成在记录古代火山活动和海洋氧化还原状态方面具有不可替代的优势,能为研究上述过程与重大环境和生命演化事件的关系提供新的证据.本文系统分析了古代沉积岩的汞同位素数据及其意义,总结了大型火山活动和海洋氧化还原状态改变引起汞同位素变化的特征与机制,深入探讨了火山类型及释放汞的方式、大气和海洋汞循环过程、沉积环境、岩性、成岩作用、汞赋存形态等因素对沉积岩汞同位素组成的影响,并对该领域当前存在的问题和发展前景作出了评述和展望.总体而言,这一研究领域仍处于起步阶段,对古环境演化事件中汞同位素组成的变化规律和分馏机理还缺乏系统和定量的认识,亟须深入研究.未来需要揭示古环境汞循环过程中的同位素分馏机理,进一步明确汞同位素指示古环境演化的原理和影响因素,拓展其在环境和生命协同演化领域的应用.