扬子地块南缘中—晚寒武世浅海多次短暂增氧及其诱因:来自碳酸盐岩铈异常及碳-锶同位素证据

中—晚寒武世(509~485 Ma)是地球历史上的一个动荡时期,期间发生了多次碳同位素漂移和生物灭绝事件,表明地球表层环境可能发生了剧烈变动。本文以湖南省永顺县王村剖面的清虚洞组、敖溪组和花桥组的碳酸盐岩地层为研究对象,通过碳、锶同位素地层学对比和稀土Ce异常的分析,揭示出扬子地块南缘在中晚寒武世发生了四次短暂的浅海短暂增氧(CeN/CeN<0.8),分别位于乌溜期(约509~504.5 Ma)、早鼓山期(约505 Ma)、古丈期(约500.5~497 Ma)和早排碧期(约497~496 Ma),其中排碧期早期和乌溜期内发生的增氧可能指示了全球表层海水的广泛增氧,而鼓山期早期和古丈期内发生的增氧可能仅局限于扬子地块南部边缘海。根据最新的生物地层学研究成果,浅海短暂增氧发生的时间与华南地区三叶虫和总体的生物多样性高峰基本对应,指示浅海氧气含量的上升可能促进了生物多样性的发展。海水δ13C和87Sr/86Sr值的变化趋势指示大陆风化增强向海洋输入大量营养物质,导致表层海洋的初级生产力升高,可能是浅海氧化程度相对升高的重要驱动因素。

铈异常及海水中铈的热力学

海相碳酸盐岩的铈异常可作为古海洋水氧化还原条件的一种指示剂。安哥拉海盐和巴西海盆(南大西洋)底部洋水在白垩纪时是还原环境,大约在54～58MaBP时,南大西洋变为类似于现在海水的氧化还原环境。本文提出了一个新的比较完善的铈氧化还原热力学公式,解释了长期悬而未决的海水和河水中铈地球化学异常的问题,如大西洋表层海水为何具有铈正异常等。查明于54～58MaBP非洲板块和南美板块彻底分离,统一的南、北大西洋开始形成。论证了阿尔卑斯运动和喜马拉雅运动是同步的。

冕宁前寒武纪沉积岩的铕、铈异常特征及成因解释

冕宁尤黑木地区的前寒武纪沉积岩可分为碎屑沉积岩和化学沉积岩两类。前者具明显的负铕异常和不太明显的负铈异常；后者包括重晶石岩和碳酸盐岩，重晶石岩有较明显的负铕异常和负铈异常，碳酸盐岩具明显的负铈异常和不太明显的负铕异常。自碎屑沉积岩经重晶石岩至碳酸盐岩，稀土总量及负铕异常依次降低，负铈异常则明显增大，反映出铕、铈异常的负相关关系。

铈异常（Ce^0）和轻稀土分异（La／Nd）的双对数图解的旋转变换

本文在分析现行的铈异常定义及其表示方法优缺点的基础上，提出用铈值（Ｃｅ０）来表示单个岩石（或水体）中铈的异常特征，用Ｌａ／Ｎｄ比值来表示其轻稀土分异特征。根据Ｃｅ０和Ｌａ／Ｎｄ比值分别等于Ｃｅ／Ｎｄ和Ｌａ／Ｃｅ的商和积，提出Ｃｅ０－Ｌａ／Ｎｄ和Ｃｅ／Ｎｄ－Ｌａ／Ｃｅ两种双对数图之间，存在一种简单直观和定量的４５°角旋转变换关系，为解释岩石（或水体）中铈异常、轻稀土分异的成因和演化定量规律提供了一种严谨而又方便的途径。

磷块岩中磷灰石铈异常与地球大气氧演化

新元古代以来,地球大气氧演化经历了2个阶段,但对2个演化阶段的过程争论较大。海相沉积磷块岩中磷灰石稀土元素配分模式表明其可以反映海水稀土组成,其中氧化还原敏感元素铈的异常受海水含量控制,因此可以利用不同地质时代磷块岩中磷灰石铈异常的变化推测大气氧浓度演化。通过收集自陡山沱期到第四纪(570Ma-1Ma)总共9个地质年代13个不同地点220个磷块岩样品的已公布数据,以及贵州织金磷矿中磷灰石钻孔的18个样品稀土元素分析结果。为保证样品反映原始海水的铈异常特征,排除了因中稀土富集而影响铈异常的样品。结果表明,震旦纪陡山沱期到寒武纪样品δCe平均值从0.74减小到0.36,奥陶纪又升高到0.87,表明寒武纪大气氧浓度可能要高于前寒武纪及之后的奥陶纪;泥盆纪样品δCe平均值为0.36,石炭纪与二叠纪样品的δCe达最低值,分别为0.16和0.21,说明从泥盆纪开始的整个晚古生代全球大气氧含量可能达到甚至超过现代水平;从三叠纪开始到第四纪,样品δCe总体保持较低值,平均值为0.24~0.54,表明大气氧含量基本保持现代水平。寒武纪与泥盆纪大气氧含量升高与寒武纪生命大爆发和泥盆纪木本植物的出现吻合,也与海洋碳酸盐岩铈异常及生物地球化学模型研究结果一致。综合分析认为,磷块岩中磷灰石与碳酸盐岩一样可通过铈异常指示大气氧演化;地球大气氧的演化既不是单向也不是简单的两阶段过程,而是复杂的不断波动的过程。

铈异常——一个寻迹古海洋氧化还原条件变化的化学示踪剂

稀土元素是一个具有特殊地球化学性能的元素家族,它们在地质作用过程中往往相互共生,并特征地反映了各原始来源物质的本性,为此,人们常常利用稀土元素组成模式来探寻各种不同地质体的物质来源。然而由于在这个元素族中存在着两个特殊成员:变价元素铈和铕,在沉积作用过程中,稀土组成的变化又或多或少地打上了沉积环境的烙印,因而有可能利用这两个元素的某些地球化学参数来探讨古沉积环境。

变泥质岩的深熔作用与具铈(Ce)负异常熔体的成因

对美国加州南Sierra Nevada岩基中一个典型的中生代变质表壳岩及其混合岩带进行了详细的野外观察和元素地球化学研究。研究发现:在持久(约为150Ma)的花岗岩侵位作用下,早白垩世变泥质岩发生达角闪岩相的中高级变质作用和部分熔融,导致Isabella混合岩的形成;浅色体具有和变泥质岩及混合岩近平行的REE分布模式,但浅色体的LREE含量相对较低;和变泥质岩相似,混合岩中的浅色体具有显著的Ce负异常。野外观测、岩相观察及元素地球化学特征表明,浅色体显著的Ce负异常是继承了原岩的Ce负异常特征,而不是由于副矿物(磷灰石、独居石或锆石)的差异溶解或结晶分异作用造成的。早白垩世变泥质岩(浅色体的原岩)主要由泥质及沙质海相沉积物组成,局部夹基性火山灰和火山碎屑,形成于与大陆岛弧密切相关的浅海环境。原岩的Ce负异常反映了较还原的浅海沉积环境。具有Ce负异常浅色体的产出表明,如果俯冲带上的沉积岩在俯冲过程中发生部分熔融作用并且所产生的熔体参与大洋型岛弧岩浆作用,最终可以导致具有Ce异常的基性岩浆生成。

川西南阿什及尔期地层中的Ce异常及其古海洋学意义

川西南阿什及尔期地层中的全岩REE分配模式显示 ,含有浮游笔石和小型无铰纲腕足类的黑色页岩具有较低的Ce异常值 (0 .6 2～ 0 .74) ,而含有底栖三叶虫、有铰纲腕足类和藻类的非黑色页岩则具有较高的Ce异常值 (0 .92～ 1.30 )。Ce与其他元素的相关分析进一步揭示 ,Ce与Fe的相关性最好 (r =0 .85 ) ,与P的相关性次之 (r =0 .6 1) ,与Al的相关性较差 (r =0 .2 9) ,而与Mn和Ca几乎不相关 (r =0 .14,r =- 0 .0 2 )。实际观察可能表明 ,研究区底层水体在氧化和碱性条件下 ,Ce氧化为Ce4 + 并进入Fe的氢氧化物和磷酸盐的晶格中 ,或者被吸附到它们的表面 ,造成Ce在氧化水体中呈现负异常而在同期氧化沉积物中呈现正异常或负异常不明显 ;相反 ,在还原和酸性条件下 ,Ce在水体中以 +3价状态富集 ,引起Ce在同期缺氧沉积物中呈现明显负异常。作为古海水氧化还原指示的全岩Ce异常 ,通常限定于解释远洋细粒沉积物的沉积环境。我们的研究结果说明 ,移去化石骨骼 (通常是磷酸盐化石骨骼 )的浅海细粒沉积物同样可以用于全岩REE分析 。

河南省嵩箕地区南部铝土矿中铈正异常成因分析

河南省嵩箕地区铝土矿含矿岩系中的稀土元素特征是古风化壳稀土元素富集与分布特征的反映,但其有两个特征区别于现代风化壳,一是含矿岩系中铝土矿层中δCe达到1.77,其他岩石为1.07~1.16,无负异常存在;二是含矿岩系中∑REE为398.43×10^(-6)~440.32×10^(-6),没有明显的富集层。通过不同风化壳原岩在风化过程中稀土元素地球化学行为特征的对比,认为古风化壳原岩中黄铁矿的含量决定了风化壳中pH值变化,含黄铁矿较高的铝硅酸盐岩形成的风化壳上部呈较强酸性环境,易使Ce^(4+)的络合物水解形成氢氧化物。铈氢氧化物下迁和沉淀富集造成风化壳上部稀土元素中的铈亏损,含矿岩系中没有铈负异常反映出风化壳在成矿前遭受了部分剥蚀。含矿岩系中V/Cr平均值为1.55,Co/Ni平均值0.31,显示沉积过程中海水呈氧化环境,海水中悬浮颗粒中的稀土元素可产生进一步分异,这对含矿岩系中铈正异常的形成也起一定作用。含矿岩系中稀土元素在成矿后未发生明显变化。

晚奥陶世五峰期扬子海盆海平面变化旋回与古水体深度

通过晚奥陶世五峰期扬子海盆的古地理格局、岩性及生物群的纵向变化、Ce异常变化的旋回性和生物群对海水深度的指示作用的讨论 ,认为扬子海盆晚奥陶世五峰期经历了 5个旋回的海平面变化 ,海水最浅为 5 0～ 80m(观音桥层 ) ,海水最深约 5 0

四川广元上寺剖面二叠系碳酸盐岩稀土元素组成及意义

为了确定广元上寺二叠系剖面稀土元素的组成及其作为古海洋沉积环境氧化还原指示标识的适宜性,对四川广元上寺二叠系剖面上114个碳酸盐岩样品做了ICP-MS分析发现稀土元素在非泥质碳酸盐中整体上呈现亏损,Ce异常和(La/Yb)-PAAS指示的结果差异较大,没有清晰指示二叠系的缺氧事件,稀土元素作为碳酸盐岩沉积环境氧化还原指标时须慎重。但在缺乏有机质和铁锰氧化物作用的情况下,稀土元素仍表现出对沉积环境的良好的敏感性,在几个重要的时期异常表现一致性较好,可以作为非泥炭质碳酸盐岩沉积环境研究的重要参考指标。

上扬子区早古生代全岩Ce异常与海平面长缓变化

65个全岩稀土样品采自湖北省宜昌地区下寒武统至下志留统的经典剖面 .样品测试由单通道扫描等离子光谱仪 (ICP AES)完成 .REE含量依北美页岩组合(NASC)标准化 ,并按log[3Cen/ ( 2Lan+Ndn) ]计算Ce异常值 .以全岩Ce异常作为海平面变化的定量指标 ,识别出 5个明显的海平面升降旋回 ,发现多幕次黑色岩系与海侵事件严格对应 .鉴于同期黑色岩系的全球性分布和华南特定的古地理格局 ,提出华南早古生代多幕次黑色岩系的最小含氧层扩展成因模式 .

海相碳酸盐岩稀土元素在古环境研究中的应用

海相碳酸盐岩稀土元素(REE)配分模式和含量比值在古海洋环境研究中发挥着重要的作用。尽管海相碳酸盐岩REE主要来源于海水,但是也可能受到陆源碎屑输入和后期成岩改造的影响,因此需要对获得的REE可靠性进行全面评估。与此同时,选取合适的分析方法对获得可靠的碳酸盐相REE含量至关重要。对碳酸盐岩REE的地球化学性质、化学分析与数据处理方法、可行性验证及古环境应用方面进行总结与展望。在未来工作中,应着重于建立更加完善的分析方法,结合宏观地质背景、微观岩相学特征、其他地球化学指标以及同期沉积页岩的REE信息,开展海相碳酸盐岩REE在古海洋环境的全球表现形式研究。