黑色页岩与大洋缺氧事件的Re-Os同位素示踪与定年研究

地质历史中发育多次大规模的大洋缺氧事件并伴随有巨量的黑色页岩沉积, 对这些大洋缺氧事件发生时限及成因机制的研究已成为当前国际古海洋学研究的一个前沿领域。开展对大洋缺氧事件的研究,有助于了解古海洋演化、地球系统变化和地球其他圈层对生物圈的影响,以及金属成矿、油气形成及生烃环境。因此近年来人们从古海洋、古气候、古地理、古生物、大地构造和地质地球化学等学科,积极开展对大洋缺氧事件的研究。对大洋缺氧事件进行准确定年则是研究工作开展的首要任务之一;而如果用于定年的同位素体系能同时提供相关的环境变迁信息,则更加有利于我们对缺氧事件成因机制的认识。Re Os同位素作为近年来发展起来的一种新的同位素技术方法,恰好适用于对富有机质沉积岩和黑色页岩的定年,可以获得精确的地层沉积年龄,同时利用这些海洋沉积物的Os同位素比值还可获得古海水的Os同位素组成及随时间的演化规律。在中国华南地区新元古代—早古生代发育有多幕次的大洋缺氧事件和黑色页岩的巨厚沉积和广泛分布,利用Re Os同位素研究,不但可以精确厘定这些事件发生的时限,而且可以有效示踪当时的古海洋环境。     

白垩纪大洋红层:从缺氧到富氧

在地球历史的某些特定时期,由于碳循环发生重大变动,导致大量有机碳在海洋沉积物中以缺氧的黑色页岩形式保存下来,这一代表海洋和气候系统发生变化的重大事件已被地球科学界称为大洋缺氧事件(Oceanic Anoxic Events,OAEs).自从1976年首次提缺氧事件的概念后,现已被地学界所广泛接受,对于大洋缺氧事件发生期间的地球系统演化已经进行了深入的研究.     

白垩纪世界与大洋红层

白垩纪代表着地质历史中的一种极端的温室气候,已被国际地球科学界视为研究地球系统科学的典型范例。文中在评述白垩纪沉积作用、古气候、古海洋研究中取得的重要进展基础上,重点介绍推动白垩纪研究核心问题之一的黑色页岩和大洋缺氧事件以及由中国学者提出的白垩纪大洋红层和富氧作用。大洋缺氧事件与大洋红层的研究因其与碳氧循环、古气候和古海洋变化的紧密关系,已经成为国际白垩纪研究中的热点问题,并在今后一段时期内继续引领着白垩纪古海洋、古气候变化研究的不断深入。     

地球圈层之间相互作用对白垩纪大洋缺氧与富氧过程的制约

白垩纪诸多地质事件中,以黑色页岩为特征的大洋缺氧事件和以红层为特征的大洋富氧环境尤其引人关注。本文探讨了白垩纪大洋从缺氧到富氧转化的过程与机制,认为上述沉积事件是地球圈层之间相互作用的结果。白垩纪岩石圈剧烈的岩浆活动,是缺氧、富氧事件发生的源动力,水圈、大气圈、生物圈的共同作用是沉积事件发生的结果。具体过程为:白垩纪大规模的火山喷发,改变了海陆面积的对比,并引起地球内部大量热能释放和大气中CO_2气体浓度的升高,最终导致大气温度的升高。海水温度的升高和CO_2浓度的增加导致海洋环境中溶解O_2的降低,缺氧事件随之而产生。同时,海底岩浆喷发在海底产生大量的富含铁元素的基性和超基性岩石,通过海底风化和热液活动,铁元素从岩石圈进入水圈。海水中的铁元素是海洋浮游植物宝贵的营养盐类,其含量的增加可激发浮游植物的大规模繁盛,而这一生命过程可以吸收海水中大量的CO_2,并且产生等量的O_2。随着海水中O_2浓度的不断升高,以富含Fe3+的红色沉积物为特征的海洋富氧环境出现。藏南和深海钻探、大洋钻探典型剖面的数据证实大洋缺氧和富氧发生的韵律性,即缺氧事件之后往往伴随富氧环境的出现。研究认为,白垩纪大洋缺氧和富氧事件是同一原因导致的不同结果,地球圈层相互作用是其根本制约因素。由岩浆活动引起的缺氧事件和同样由其造成的富氧环境,其机制存在明显的差异,前者以物理、化学过程为主,后者除此之外还演绎了更为复杂的生物-海洋地球化学过程。     

松辽盆地朝73-87井青山口组缺氧事件层的有机地球化学特征

松辽盆地白垩纪青山口组下部广泛分布一套富含有机碳的黑色泥岩、页岩和油页岩沉积,是全盆地划分泉头组与青山口组的一级标志.朝73-87井青山口组黑色页岩、油页岩的地球化学特征研究表明：它具有干酪根碳同位素正偏和重排甾烷含量低,存在28,30一双降藿烷、伽马蜡烷生物标志化合物等有机地球化学特征,表征为白垩纪温室效应时间窗内古湖泊缺氧事件的产物.结合生物地层研究成果,认为青山口期缺氧事件层大体可与白垩纪古海洋Cenomanian-Turonian界线事件层进行对比,进而提出松辽盆地青山口组的时代归属晚白垩世晚cenomanian-Turonian期的新观点.     

白垩纪大洋缺氧事件

白垩纪黑色页岩相地层出现在世界主要大洋及地表露头中,一般表现在三人时期:巴雷姆晚期—阿普特期—阿尔布期;赛诺曼晚期—二仑早期及康尼亚克期—三冬期。这些时期海相地层的岩性、动物群及地球化学特征均有变化,并以赛诺曼晚期—二仑早期变化最为明显,表明当时世界海洋处于氧极度损耗的条件。这种条件被称为大洋缺氧事件(OAE)。赛诺曼期—三仑期大洋缺氧事件的发生与当时的海侵高峰期是一致的。海平面的上升可使上升流加强,使表层生物生产率增高,进而导致海洋水体溶解氧的消耗及有机碳的保存。     

西藏南部中白垩世黑色页岩的碳氧同位素组成及大洋缺氧事件的讨论

本文对西藏南部中白垩世黑色页岩中的氧同位素组成特征和两次大洋缺氧事件的形成、发展过程作了较为详细的分析讨论。西藏南部中白垩世期内,在仲玛期及其稍后的沉积时期存在两次大洋缺氧事件,定两次缺氧事件在时间上可与国际上的Ｃｅｎ－Ｔｕｒ和Ｃｏｎ－Ｓａｎｔ时期的全球大洋缺氧事件相对应;该区这两闪大洋缺氧事件的形成、发展,是与当时全球特定的的生态环境和全球性的地壳构造运动、大规模的海侵、火山喷发等重大地质灾变事     

西藏南部Cenomanian-Turonian缺氧事件:有机地球化学研究

基于藏南中白垩统Ｃｅｎｏｍａｎｉａｎ－Ｔｕｒｏｎｉａｎ缺氧事件沉积的有机地球化学分析,对黑色页岩的有机质输入及其沉积环境进行了系统研究,并探讨了特征生物标志化合物与缺氧事件之间的关系。研究表明,缺氧层内高含量有机碳的黑色页岩与灰绿色页岩、泥灰岩构成二级旋回地层;有机质的母质输入以海洋生物的菌藻类为主。生物标志物与缺氧事件对应研究表明,Ｐｒ／Ｐｈ在剖面上的相对含量是判别氧化还原的良好指标,胡萝卜烷含     

大火成岩省与大规模黑色页岩沉积的成因联系及其意义

大火成岩省对全球性大气-海洋环境的巨变及生物灭绝有非常重要的影响。已有研究结果表明,显生宙（即寒武纪以来）大火成岩省与全球大洋缺氧与生物灭绝有明显的成因联系,显生宙国际地质年代表中多个金钉子均与以大火成岩省、黑色页岩及生物灭绝为代表的全球性地质事件相对应。但由于对前寒武纪,特别是"地球中年期"（18~8亿年,"枯燥的10亿年"）大气氧浓度、海洋的氧化-还原状态及生物门类及演化认识的局限性,关于前寒武纪大火成岩省与环境的影响及其与黑色页岩沉积的成因联系一直很不清楚。通过对全球哥伦比亚（奴那）超大陆中约13.8亿年全球性大火成岩省及黑色页岩沉积时空分布的研究,发现这些大火成岩省及黑色页岩的分布有明显的规律。约13.8亿年大火成岩省广泛分布在北美、格陵兰、西伯利亚、波罗地、卡拉哈里、刚果、西非、亚马逊、南极及西澳大利亚等大陆上;而同期的黑色页岩在华北及北澳大利亚克拉通广泛分布,在西伯利亚、巴西及印度等克拉通也有分布。根据这些黑色页岩在超大陆重建图中的空间分布,提出了哥伦比亚（奴那）超大陆中这些广泛分布的约13.8亿年黑色页岩可能沉积于连通的大型海相盆地,而不是以往所认为的局部封闭的小盆地。通过约13.8亿年大火成岩省与黑色页岩内火山灰（斑脱岩）年龄的对比,进一步提出约13.8亿年存在一次与全球性大火成岩省有关的大洋缺氧事件,以此期大火成岩省与黑色页岩为代表的全球性地质事件为中元古代盖层系与延展系提供了精确的界限年龄为1383 Ma。初步的研究结果还显示,"地球中年期"可能还有多期的大火成岩省与黑色页岩沉积有时空联系,有望为晚前寒武纪地质年代表划分提供新的事件约束。      

塔里木盆地北部下寒武统底部黑色页岩形成的次氧化条件

富有机质黑色页岩的形成长期以来被认为是缺氧沉积环境的证据,并被作为全球缺氧事件的标志。塔里木盆地下寒武统底部黑色页岩的岩石学特征说明其沉积在受陆源有一定影响的陆棚环境中。矿物学研究表明,硫均以硫酸盐状态存在,没有见到黄铁矿,说明其形成在硫酸盐还原带以上。黑色页岩中结核状氟磷灰石的存在以及剖面底部结核状磷块岩的出现,表明了一种与现代热带太平洋东海岸和阿拉伯海相类似的广泛发育上升洋流的大陆边缘沉积环境。黑色页岩的地球化学特征中,Re和Mo的高度富集、高的Re/Mo比以及含有一定量的Mn,Cd和U的相对富集以及低的Cd/U比等,这些特点均支持了黑色页岩沉积于次氧化条件的认识。     

贵州早寒武世的缺氧事件沉积

贵州早寒武世的黑色岩系属中国南方该时期缺氧事件沉积的一部分,为一套沉积速率低的海侵体系域沉积.主要为黑色页岩,发育水平纹理,主要含浮游生物,其中产钼、钒等矿床.其具有独特的元素地球化学特征SiO2、TiO2、Al2O3的含量相对较高;富集Mo、V、Ba、Ag、Au、U等元素,而Co、Sr、Ta等元素却亏损;稀土总量不高,为130×10-5～226×10-6,稀土配分曲线形态近于水平或略向右倾,具弱的负Ce异常和正Eu异常.地层特征、元素地球化学特征及特征元素比值所反映的是早寒武世黑色岩系形成于缺氧的还原环境,而缺氧沉积中有热水沉积的加入.     

塔里木盆地柯坪地区奥陶系高丰度海相烃源岩成因探讨

柯坪地区中-上奥陶统萨尔干组与上奥陶统印干组海相烃源岩是塔里木盆地重要的烃源岩组成部分,对其特征及其成因机制的研究具有重要的科学意义和经济价值。在通过岩石热解分析对比研究萨尔干组与印干组海相烃源岩现今地球化学特征的基础上,通过微量和稀土元素从地球生物学的角度对其特征差异性成因机制进行了探讨。结果表明,萨尔干组和印干组黑色页岩现今均处于成熟-高成熟阶段,萨尔干组的有机质丰度和古生产力水平都比印干组高,而古氧相和埋藏效率均较差。与印干组相比,Caradoc早期大洋缺氧事件使得柯坪地区同时期沉积的萨尔干组页岩古生产力水平得到了显著提高,在埋藏效率低、氧化还原条件差的情况下仍为高有机质丰度烃源岩。     

塔里木盆地肖尔布拉克剖面下寒武统底部硅质岩微量元素和稀土元素地球化学及其沉积背景

对塔里木盆地北部肖尔布拉克寒武系露头剖面中 8.8m厚的黑色页岩夹硅质岩组合中的硅质岩的系统采样分析表明,该硅质岩具有深源成因特征。其低的Th/U和Rb/Sr比也证明了其沉积时所具有的深部物源和热水注入迹象。硅质岩的稀土元素经北美页岩标准化后的Ce/Ce 从 0.4 2到 0.79,平均 0.5 7。Ce的负异常明显。这些稀土元素的参数特征与加利福尼亚弗朗希斯科杂岩 (FranciscanComplex)中沉积在大洋海底硅质岩的稀土元素特征十分相似。北美页岩标准化后的Eu/Eu 值从 8.0 5下降到 1.0 3。其相对较高的Eu/Eu 值很有可能反映了热水的注入。Eu/Eu 值从剖面底部到顶部的系统降低反映了剖面底部的热水作用最强烈,向上热水作用逐渐减弱。上述一系列的地球化学标志指示该硅质岩应沉积在离洋中脊不远的、具有深源物质/热水注入的远洋盆地背景中。结合区域地质和伴生黑色页岩地球化学的综合分析认为,该套硅质岩的形成与上升洋流的影响有关。上升洋流将形成于大洋盆地背景中的物质带到大陆边缘陆棚环境中发生沉积,造成了沉积在陆棚环境中的硅质岩,在地球化学组成上保留了其大洋盆地背景的特征     

贵州寒武系底部碳同位素负异常的地层学和生物学意义

贵州境内早寒武世早期几乎都是黑色页岩沉积。最近在贵州福泉英坪寒武系底部却发现了一套泥岩夹薄层灰岩,它为研究早寒武世早期海洋地球化学特征提供了条件。贵州福泉英坪前寒武系—寒武系界线附近的碳同位素强烈的负异常特征可与全球同期碳同位素进行对比,它对应于中国云南会泽小歪头山段底部、蒙古Tsagaan Oloom组顶部、西伯利亚Salarrny Gol组顶部、美国西南、伊朗、安曼、波兰、纽芬兰、英国、加拿大等地新元古代—寒武纪界线附近的强烈碳同位素负异常,它可作为划分前寒武系—寒武系界线重要依据。该剖面上碳同位素强烈负异常之下有8m厚的黑色页岩和硅质岩,在黑色页岩中发现有大量高肌虫和虫管化石,说明缺氧的黑色页岩沉积期间海洋中有大量的生物生活,但到了灰绿色泥岩和灰岩互层的碳同位素强烈负异常层段,则几乎没有生物化石。可以说缺氧事件对前寒武系—寒武系界线附近生物绝灭事件似乎没有很大的影响,而碳同位素强烈的负异常事件与前寒武系—寒武系界线附近生物大绝灭关系更为密切。     

俯冲黑色页岩的钼同位素示踪取得新进展

<正>黑色页岩是对Mo元素具有极强地球化学敏感性的大洋沉积物类型之一。由于其通常具有异常高的Mo含量和98Mo/95Mo值,因此采用Mo同位素分析方法示踪黑色页岩被俯冲之后的演化过程是非常有效的。小安的列斯群岛的弧岩浆具有大陆来源的微量元素和放射成因同位素特征。但是其陆源地球化学特征究竟代表俯冲到大西洋板块并加     

缺氧事件及其地质意义

缺氧事件是一个区域性甚至洲际性的地质事件。其沉积物以细粒、薄层和富含有机碳的黑色页岩为主。缺氧事件可以发生在从陆表海、陆棚海、大陆斜坡到大洋盆地的各种环境里。其形成与大地构造、海进海退、海底地形、生物作用、洋流上翻作用以及气候等因素有关。本文着重于欧美和中国的资料分析了黑色页岩的时空分布情况,几乎地史各纪都广泛发育有黑色页岩层。它不仅在地层划分对比中具有一定参考价值,而且为寻找能源矿藏(如石油、放射性元素等)提供了良好的信息。     

白垩纪黑色页岩与海水含氧量变化——以西藏南部为例

黑色页岩具有特殊的沉积学、古生物学和有机地球化学特征，主要表现在生物组合和丰度的变化、有机碳含量的增高与碳稳定同位素的偏移等方面。具有丰富有机质来源的高生产力表层水是黑色页岩中富有机碳沉积物形成与埋藏的先期条件。白垩纪中期黑色页岩在全球广泛分布，是Cenomanian/Turonian期界线事件的最重要标志。在西藏南部的C／T界线处，浮游有孔虫种一级的绝灭速率达34％，底栖有孔虫的绝灭速度达50％；有机碳含量偏高；δ^13C出现2.74‰的正向偏移；生物扰动几乎消失，微小钻孔黄铁矿化；有孔史房室充填有黄铁矿微球丛；诸多其他地球化学指标亦存在不同程度的异常，这些特征说明当时海洋不同深度水层处于不同强度的贫氧至缺氧状态，同时沉积的黑色页岩是缺氧环境中有机碳大量保存的结果。该现象发生的原因是白垩纪中期的海平面上升和气候变化的影响。西藏特提斯海古海洋条件的变化明显受全球和区域性海平面上升的影响，由此形成的白垩纪中期黑色页岩具有全球一致的特征。     

白垩纪中期异常地质事件与全球变化

白垩纪中期(125~90 Ma)是地质历史中一个极端温室时期,集中出现一系列异常事件。异常事件是地球系统内各圈层相互耦合的产物,事件相互之间不是孤立的,单个事件引起的全球变化对其他事件起着明显的正/负反馈机制作用。文中基于对白垩纪中期异常事件的深入解剖和分析,包括大规模海底火山事件、大洋缺氧事件、生物异常更替与绝灭、白垩纪超静磁带、大洋红层出现等,在探讨白垩纪中期各个事件特征基础上,重点阐述异常事件所引起的全球变化及其对海洋、气候的影响;提出异常事件之间的相互关联与反馈机制。研究发现,大规模海底火山作用是引起白垩纪中期异常海洋和气候的最根本原因,直接促进大洋缺氧事件、生物绝灭与更替、沉积记录的转变等事件的发生。     

ODP1049C-12X岩芯Aptian-Albian元素地球化学组成及其环境指示意义

ODP171B次航线1049C号钻孔位于大西洋西北部Blake海台,经纬坐标为30°8.5370'N,76°06.7271'W(Norris等,1998).12X岩芯地层时代为早白垩世Aptian-Albian期,根据岩性特征,整个剖面大致由3种沉积物组成(Norris等,1998):红色粘土(代表白垩纪大洋红层,主要分布于剖面的顶部和底部),黑色页岩层(代表了Aptian-Albian大洋缺氧事件,分布于剖面中部),灰白色白垩(主要分布于黑色页岩和大洋红层之间).本次研究对来自该剖面18件样品作了元素测试.其中主量元素分析采用X荧光法,由中国科学院地球化学研究所完成.微量元素采用ICP-MS分析,由中国科学院地质与地球物理研究所完成.由于海相沉积物/岩是陆源组分和海相组分的复杂集合体,而海相组分与海水环境息息相关,数据处理上,采用了Al标准化值(element/Al)和元素富集系数EF元素(EF元素=(element/Al)样品/(element/Al)标准)来去除陆源碎屑输入的影响,以反映元素的富集与亏损(Turgeon和Bmmsack,2006;Brum-sack,2006),标准采用Wedepohl(1971)平均页岩.     

中上扬子地区二叠纪缺氧环境

中上扬子地区二叠纪缺氧环境较为发育,缺氧沉积的岩石类型主要有黑色泥页岩、黑色薄层硅岩, 深灰色-灰黑色中-薄层泥晶石灰岩和含泥石灰岩。前 3种岩石类型常形成暗色泥页岩-薄层硅岩-泥晶石灰 岩组合,而含泥石灰岩则主要为眼球状石灰岩的 “ 眼皮”部分。分别对这两种组合的岩石特征、古生物特征及 地球化学特征进行了研究,并分析了各自的沉积环境以及缺氧环境的成因。分析认为暗色泥页岩-薄层硅岩- 泥晶石灰岩组合为盆地、盆地边缘或斜坡环境的产物,其缺氧环境主要为大规模的海侵形成;眼球状石灰岩的 “ 眼皮”部分应为碳酸盐岩台地的产物,其缺氧环境应为上升流作用形成。