寒武纪第4期古海洋氧化还原条件与生物协同演化研究进展

寒武纪生物与古海洋环境演化的成因联系是追溯生命起源、发展及地球环境变迁和两者协同演化的前沿科学问题之一。寒武纪第4期是其中重要的时间节点,华南板块是寒武纪相关问题研究的重要窗口,而古海洋氧化还原条件是分析论证古生物种属及数量巨变地质成因的关键切入点。据此,在大量文献调研基础上,对华南板块寒武纪第4期的沉积古地理背景、古海洋环境条件、生物发育情况、突发性地质事件等进行系统的梳理与总结,认为陆源水体注入、风暴作用等区域性地质作用以及突发性火山活动、海侵等全球性地质事件对古海洋氧化还原条件影响显著,而生物消亡与地质突变事件所引发的海洋缺氧密切相关;但氧化还原条件不同波动阶段的生物丰度差异和不同古生物丰度点位的氧化还原条件差异尚不明确,古海洋氧化还原条件与可诱发其产生波动的地质事件精确时限对应关系仍存在争议,古海洋氧化还原条件波动以何种速度、幅度突破古生态系统耐受阈值仍然未知,难以探索三者之间更深层次的内在联系,可作为后续研究工作重点以进一步揭示寒武纪突发性地质事件、古海洋氧化还原条件和生物演化间的成因联系。     

古海洋生产力指标研究进展

寻求反映古海洋生产力变化的指标是古海洋学研究的重要内容。生物沉积物、营养元素、微量元素和同位素、古生物资料等与古海洋生产力具有一定的关系,常用于古海洋生产力的重建工作:(1)生物沉积物主要包括有机碳、生物碳酸盐和生物硅质沉积等,其埋藏速率在很大程度上受到古海洋生产力的控制,常常用作古海洋生产力的替代性指标;(2)在地质时间尺度上,古海洋生产力主要受到大洋中营养元素可利用程度的控制,因此营养元素的相关记录可以提供古海洋生产力状况的重要信息;(3)海洋中某些微量元素的地球化学行为或者与有机质的改造有关,或者受到氧化还原条件变化的控制,或者受到某种浮游生物的生长的影响,从而能够直接或者间接地指示古海洋生产力的变化;(4)海相碳酸盐和有机质的碳同位素记录,海相有机物的氮同位素比值也用以再造古生产率等古海洋学参数;(5)可以利用对微体化石丰度值及其组合反映古生产力的变化。     

沉积地层中草莓状黄铁矿分析方法及其在古海洋学上的应用

草莓状黄铁矿是黄铁矿的特殊形态,其定义为由相近大小、相似形态的黄铁矿微晶颗粒组成的球形、亚球形聚合体。草莓状黄铁矿粒径分析已广泛应用于各个地质历史时期的古海洋环境恢复研究中,但其形成机理、判别标准与实验方法仍存在分歧。因此对沉积地层中草莓状黄铁矿的形成机理、在古海洋环境恢复中的指示意义及判别标准、实验与数据分析方法等进行总结阐述,有助于理解草莓状黄铁矿的粒径大小与形态对氧化还原条件的指示意义。草莓状黄铁矿在不同氧化还原环境下的形成机理存在差异,其粒径大小、数量以及分布范围可综合反映沉积时水体的氧化还原条件;而草莓状黄铁矿微晶几何形态及整体形貌特征也与古海洋氧化还原环境密切相关。此外,虽然有学者指出该方法可能存在一些问题,但只要在分析过程中结合沉积特征、古生态特征、地球化学指标等多方面证据对环境进行综合判别,甄别特殊条件下沉积的草莓状黄铁矿,则可有效避免这些问题。最后,针对后期氧化作用对草莓状黄铁矿粒径分布的影响进行了评价,结果显示经过后期氧化作用的草莓状黄铁矿粒径变化很小,不会对其在恢复古海洋氧化还原环境的应用上产生影响。     

古海洋氧化还原条件的遗迹化石定量表征特征:以华南二叠纪末生物大灭绝事件为例*

地质历史时期的重大生物—环境事件往往伴随着古海洋海水氧化还原条件的改变,而遗迹化石作为原位保存的生物成因沉积构造,对于解读古海洋氧化还原条件具有显著的优势。通过对前人常用的遗迹学参数进行分析总结,发现遗迹化石多样性、生物扰动强度、潜穴直径、特征遗迹化石组合这4项定量参数可以表征古海洋氧化还原条件的变化。文中以华南二叠系乐平统遗迹化石及生物扰动构造作为研究对象,系统分析了二叠纪末生物大灭绝事件前后遗迹化石参数表征的古海洋氧化还原条件变化特征:自吴家坪期晚期华南古海洋开始出现缺氧,然而该缺氧状态在长兴期不具有持续性,而是呈现出周期性缺氧/贫氧→富氧/有氧的波动特征;在二叠纪末生物大灭绝之前,煤山剖面高精度的定量遗迹学参数指示长兴组24e层顶部存在缺氧事件,并与大灭绝事件有着良好的对应关系。这一实例具体展示了遗迹学参数在古海洋水体氧化还原条件重建中应用前景广阔。     

海相沉积氧化还原环境的地球化学识别指标

全球海洋在10-5.4亿年间演变成氧化环境,此后历经多次全球性的缺氧事件后演变到现在的氧化环境.海水和沉积物中多种无素的循环、分异和富集明显受氧化还原条件的影响.Mn、Mo、Cr、V和U等变价元素的溶解度随氧化还原条件的改变产生极大变化,导致沉积物中的元素含量分异:Ni、Co、Cu和Zn等在还原条件下形成硫化物沉淀,导致沉积物中对应元素的富集.这些元素的地球化学行为是古海洋氧化还原条件的灵敏指示剂,作为恢复古海洋氧化还原条件环境变化的地球化学指标.黄铁矿化程度(DOP)、生物樗化合物和Ce异常等也是沉积物氧化还原条件的常用判别指标.泥岩石研究中通常采用DOP、U/Th、自生U、V/Cr、Ni/Co和生物标志化合物等指标,碳酸盐岩则主要采用Ce异常指标.当前各种指标的定性分析都取得比较一致的结果,但是用一种或几种定量的地球化学指标来恢复整个古海洋的氧化还原环境目前还有很大的问题.     

沉积型锰矿床的形成及其与古海洋环境的协同演化

海相沉积型锰矿的成矿过程受古海洋沉积环境影响，而古海洋环境又与超大陆聚合与裂解、极端地质事件、生命演化等密切相关，因此，海相富锰地层是岩石圈、水圈、大气圈和生物圈等多圈层耦合关系与物质循环相关信息的重要载体。深层海水缺氧模型、最小氧化带模型和幕式充氧模型都显示海水中氧化还原梯度的变化是导致锰矿形成的最主要原因。全球范围内海相沉积型锰矿主要形成于古元古代、新元古代和显生宙3个地质历史时期。其中，元古宙时期，地球上发育了完善的氧化还原分层的古海洋结构；古元古代早期和新元古代，超大陆裂解引起的海平面升降变化导致古海洋氧化还原结构产生动荡，并促使大规模沉积型锰成矿作用发生；地球沉寂期（1800~800 Ma）涵盖了整个中元古代，这一时期仅在华北地台发育了少量沉积型锰矿床，反映该时期古海洋中锰的迁移受到了抑制；显生宙地球再次进入活跃期，经历了数次海洋缺氧事件，冰室-温室气候交替促使海水的化学性质剧烈变化，并在局部氧化还原分层的沉积盆地中富集形成沉积型锰矿床。总之，古海洋氧化还原环境的变化是沉积型锰矿形成的必要条件，同时，区域性沉积盆地的结构、海平面的升降、火山作用导致的物缘供给等多种因素都会影响沉积型锰矿的形成。与沉积型铁矿相比，沉积型锰矿对局部海水化学性质的变化更加敏感，综合研究铁锰矿床的共生与分异过程，将有助于更加有效的识别不同尺度的沉积过程与古海洋环境变化。     

草莓状黄铁矿的形成机制探讨及其对古氧化-还原环境的反演

【研究目的】草莓状黄铁矿广泛存在于现代沉积物和沉积岩中,其成因机制总体上分为有机成因和无机成因两种,尽管两种机制均有理论与实验的支撑,但尚未建立一种具有普遍意义的形成机制。【研究方法】本文对目前草莓状黄铁矿的形成机理、氧化还原环境的应用及后期环境变化的影响进行了系统的综合研究。【研究结果】不同氧化-还原环境下形成的草莓状黄铁矿在粒径、形态以及硫同位素之间均存在较大的差异,可做为反演古氧化-还原环境的指标。草莓状黄铁矿的微晶尽管与粒径具有一定的正相关性,但是两者在形态演化序列、生长模式、聚集因素等方面与古氧化-还原环境的关系尚不清楚。仅凭草莓状黄铁矿粒径与铬还原法测定的硫同位素反演古氧化-还原环境存在一定的局限性,需要其他指标综合判定,尚需进一步开展草莓状黄铁矿原位硫同位素值与粒径对古氧化-还原环境反演的研究。后期氧化可使草莓状黄铁矿表面化学成分发生变化,但粒径分布依然具有古氧化-还原环境的指示意义。【结论】草莓状黄铁矿的实验模拟、理论体系和多学科交叉的研究中仍存在一些问题,尚需进一步研究。     

古海洋氧化还原地球化学指标研究新进展

古海洋氧化还原条件的恢复一直是地学界的研究热点。许多指标可以用来指示古海洋沉积岩(物)的氧化还原条件。其中地球化学和矿物学方法历来是研究古海洋氧化还原条件的主要手段,前人工作主要集中在单个种类指标(沉积学、矿物学、地球化学等)的单方面研究,缺乏系统研究。但沉积物中的氧化还原指标受很多因素的影响,用单个指标来指示水体的氧化还原条件存在不确定性。主要通过主量元素(总有机碳TOC、有机碳和磷的摩尔比Corg∶P),氧化还原敏感的微量元素(U、V、Mo),黄铁矿类型和草莓状黄铁矿粒径分布以及同位素(黄铁矿硫同位素δ34Spyrite、钼同位素δ98 Mo、铀同位素δ238 U)等指标的综合运用来区分硫化、缺氧、次氧化以及氧化等水体条件。在硫化水体中,氧化还原敏感元素和TOC含量均大量富集,尤其是Mo的富集系数(MoEF)比U的富集系数(UEF)更大(MoEFUEF),有机碳和磷的摩尔比(Corg∶P)也呈现高值;黄铁矿几乎全部呈草莓状,很少出现自形晶,草莓状黄铁矿平均粒径小(常小于5μm)且变化不大,δ34Spyrite值偏负,δ98 Mo值和海水同位素值接近,约为+2.3‰,δ238 U值为+0.2‰,高于海水的同位素值(-0.41‰)。水体环境为氧化的条件下,氧化还原敏感的元素和TOC的量都很缺乏,有机碳和磷的摩尔比(Corg∶P)出现低值,黄铁矿很少,且主要以自形晶的形式出现,平均粒径很大,黄铁矿中的δ34Spyrite值偏正,δ98 Mo值偏负,为-0.7‰,δ238 U值为-0.65‰。在缺氧和次氧化水体环境中,各种指标介于硫化和氧化环境之间,氧化还原敏感元素和TOC含量适中,U相对比Mo富集(UEFMoEF),黄铁矿以草莓状为主,有部分的自形晶出现,黄铁矿平均粒径较大,而且变化范围较大,黄铁矿中的δ34Spyrite值、δ98 Mo值以及δ238 U值均介于氧化和硫化环境之间。最后,还提出在分析古海洋的氧化还原条件时,要综合考虑多种影响因素,清晰认识到每个指标的适用性和局限性,并指出了存在的问题和不足。     

钼的稳定同位素体系及其地质应用

近年来多接收杯电感耦合等离子体质谱仪(MC-ICP-MS)的广泛应用,大大提高了Mo同位素分析方法的精度和效率,使Mo同位素地球化学成为当前地学研究领域中的一个前沿方向.本文综述了Mo稳定同位素的最新研究进展及其地质应用.自然界中的Mo同位素(δ98/95Mo)的一般变化范围是-1.35‰～2.60‰.Mo同位素分馏在充氧环境下取决于Mn氧化物的吸附或共沉淀,贫氧一缺氧环境下受控于水溶液中的[H2S].沉积物中的Mo同位素既能指示古沉积环境的氧化还原条件,也能够指示与之相关的古海洋地理环境,因此,Mo同位素是了解局域至区域沉积环境的氧化还原条件、硫和碳地球化学循环及古海洋化学演化等的强有力工具.随着其分馏机理的进一步阐明和应用范围的拓展,Mo同位素将在地球与环境科学研究中得到广泛的应用.     

古海洋生产力与氧化还原指标——元素地球化学综述

海洋表层初级生产力大小以及水体氧化还原条件是古海洋和古气候研究的重要内容,而元素地球化学是研究初级生产力以及氧化还原条件最常用的手段。主量元素Fe和Si是限制生物的营养元素,痕量金属元素Cu、Ni和Zn是微营养元素,而营养条件是沉积生产力的限制因素,因此这些元素的含量能反映初级生产力大小。Ba和Mo是随有机质一起沉淀下来的,与水体的有机碳通量有关,也是古生产力大小的指标。对氧化还原敏感的痕量金属元素含量（如Cr、V和U）以及元素比值（如V/（V＋Ni）、V/Cr、Ni/Co、U/Th和V/Sc）常用来重构水体的氧化还原条件。     

贵州盘县晚二叠世潮坪相沉积特征

通过对贵州盘县上二叠统钻井资料的研究分析,基于沉积岩石学、沉积学、古生物地史学及沉积地球化学等相标志识别出潮坪沉积以陆源碎屑沉积为主,可细分为砂坪、混合坪、泥坪、泥炭坪和潮沟等5种微相。分析认为:潮坪沉积发育海退型进积层序,沉积物粒度整体较细,分选性较好,发育潮汐层理;混合坪、泥坪、泥炭坪微相泥岩中V/(V+Ni)、Sr/Ba、U/Th、V/Cr、Ni/Co、Ceanom等地球化学参数指示了各微相沉积水体的缺氧-贫氧-氧化状态、贫氧-氧化状态和还原-贫氧-缺氧-氧化状态,与地质背景吻合性好。     

地层中的硅岩: 研究进展及展望*

硅岩是由自生石英形成的化学沉积岩,通常以层状或非层状(结核状、条带状)独自出现、与其他岩性互层出现及赋存于其他岩性地层中。硅岩不仅记录了大量盆地古地理、古海洋、古气候的地质信息,而且对于岩石大地构造学研究具有重要意义。前人对硅岩的研究取得了丰富的成果,近年来关于硅岩的新观点为硅岩的研究提供了新的思考途径和研究线索。通过调研近年来关于硅岩的岩石学特征、地球化学特征及沉积环境的研究,分析总结了不同地质历史时期、不同沉积环境、不同产状硅岩的形成模式、成因类型以及判别方式,认为硅岩的沉积不是单一因素控制的结果,而是地质构造活动强度、生物类型及活动性、沉积古环境的综合结果。常规地球化学元素结合岩石组构与微区分析、包裹体分析、新同位素(Rb-Sr和Sm-Nd)分析,以及新的地球化学判定标准(Ge/Si)是硅岩研究的必备手段和方法。     

西藏日松乡一带发现早白垩世标准化石及其意义

研究区位于西藏阿里日松乡一带。岩性组合、沉积环境、古生物特征的详细研究为该地区中生代地层的时代归属提供依据。在日松乡日买栋纳一带原1:25万日土县幅侏罗系中发现了大量扁平古圆笠虫和小星准柱珊瑚等早白垩世标准化石,这些化石的发现对研究区地层的时代归属提供了强有力证据。结合地层的初步沉积环境分析可知研究区早白垩世为残余海盆地沉积阶段。     

基于硫元素化学种等指标的页岩氧化还原条件判识

氧化还原条件是控制页岩岩性特征和有机质保存的重要因素之一,可以使用多种地球化学方法对其进行评估。为了探讨相关地球化学指标对海相页岩沉积环境氧化还原条件的适用性,对四川盆地长宁地区N208井筇竹寺组和龙马溪组20个岩心样品进行的总有机碳含量（TOC）、硫元素化学种和主微量元素含量测试结果显示:筇竹寺组和龙马溪组底部层段的有机碳含量总体较高,平均值分别为3.73%和3.50%;向上有机碳含量普遍变低,平均值分别为0.410%和1.70%。筇竹寺组页岩的硫元素化学种以还原态硫为主,揭示其沉积水体还原程度高;相较而言,龙马溪组页岩的还原态硫含量相对较低,表明其沉积水体的还原性比筇竹寺组弱,为相对的弱还原环境。结合微量元素富集系数构建的S-Mo_EF-TOC体系判识结果显示:筇竹寺组页岩整体上属于贫硫酸盐的厌氧环境,其底部为厌氧环境,向上还原程度变低;龙马溪组页岩总体为含硫酸盐的厌氧—贫氧环境,向上还原程度变低,表现为贫氧环境。这些分析结果可以为加深认识筇竹寺组和龙马溪组页岩层系的地球化学特征及页岩气资源潜力评价提供新的参考。     

缺氧沉积环境的地球化学标志

缺氧沉积环境是一种能够提供多种类型矿化定位的特殊沉积环境。缺氧环境判识指标包括岩石、古生物和地球化学三方面。在缺氧环境的研究中,地球化学指标如矿物、微量元素、同位素和有机地球化学指标最为重要。因受地质历史中诸多因素的影响,地球化学指标具有一定的多解性和局限性,故只有多项参数综合应用才可更为准确地进行环境分析。     

陕西勉县后沟-大坪山矿区磷、锰分层成矿地质地球化学特征

后沟-大坪山矿区位于南秦岭磷、锰成矿带的中东段,近年来在下寒武统塔南坡组中发现了3条含磷、锰矿化带,并圈定出多个锰矿体和磷矿体。磷、锰矿体具有多层性,常表现为磷、锰的分层成矿,多呈上锰下磷的空间分布特征。通过分析Ⅱ矿化带内地表和深部样品的常量元素、微量元素和稀土元素的地球化学特征,发现磷、锰矿其物质来源具有一定的相似性,但是磷、锰矿石沉积的氧化-还原条件、沉积区域以及沉积水体条件都存在差别,这可能是引起磷、锰分离单独成矿的主要原因。     

火山岩陆上与水下喷发环境的氧化系数判别方法

火山喷发沉积期的古地理环境是控制火山岩油气储层发育的关键因素之一。目前对陆上喷发沉积火山岩与水下喷发沉积火山岩的判别研究主要集中在岩性组合特征、结构与构造特征、蚀变特征、产状、孔隙及裂缝发育特点等方面,而利用火山岩地球化学特征来反映和记录火山喷发环境的研究尚未引起注意。研究使用Fe₂O₃/FeO和Fe₂O₃/（Fe₂O₃+FeO）作为火山岩氧化系数,充分考虑岩石酸度、风化淋滤作用、溶蚀蚀变作用、构造背景等因素的影响,改进了传统意义上基于火山岩氧化系数的火山喷发环境判别标准。在新疆三塘湖盆地马朗凹陷上石炭统实际应用结果表明,卡拉岗组火山岩喷发沉积环境复杂,以陆上氧化环境为主,频繁水陆交替的复杂环境也存在,哈尔加乌组火山岩喷发沉积环境相对单一,主要沉积保存于水下还原环境;与前人基于本区上石炭统火山岩共生岩石与化石组合、风化壳以及火山岩夹持的部分泥岩微量元素比值特征等有效判别依据得到的喷发环境结果是相符的,且该地球化学方法具有普适性,可应用于不同盆地、不同地质时代火山岩喷发沉积古地理环境的判别研究中。     

北京延庆千家店地区土城子组恐龙足迹点沉积环境

北京延庆千家店地区晚侏罗世土城子组化石稀少,而新发现的恐龙足迹是北京恐龙存活过的重要证据,研究其沉积环境对恢复当时恐龙动物群的生活环境具有十分重要的意义。研究区恐龙足迹主要包括兽脚类、蜥脚类和可能的鸟脚类足迹。运用地层学、岩石学、古生物学和沉积学方法,通过地层剖面、岩石薄片、足迹分布、沉积构造及详细的粒度分布特征,综合得出千家店地区土城子组三段恐龙足迹点的沉积环境,认为当时的沉积环境为含火山碎屑的浅湖沉积,恐龙足迹的赋存层位为湖滨环境。