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。     

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.     

白垩纪大洋红层：特征、分布与成因

“白垩纪大洋红层”（CORB）自20世纪末正式提出后已经迅速成为白垩纪新的研究方向之一。本文在参考国外CORB的学术研究成果基础上,重点对我们在西藏南部和意大利中部两个研究程度较高地区所获得的立典研究成果予以详细介绍,同时对CORB的全球性对比进行总结和归纳,对大洋红层蕴涵的古海洋、古气候信息进行详细评述。我们认为,CORB是沉积物在原地氧化条件下的产物,导致该氧化条件出现的主要因素是底层水高含量的溶解氧,而深层古洋流的发育很可能是导致高溶解氧含量的主要原因。     

沉积物中铁氧化物的定量方法及其 在白垩纪大洋红层中的应用

赤铁矿和针铁矿是自然界中最稳定的两种铁氧化物,广泛存在于地球的各个圈层。很多沉积物的颜色都是由它们引 起的,它们的形成和保存具有重要的环境指示意义。实验室中赤铁矿和针铁矿的表征和鉴定手段很多,但受其含量低、结 晶差、颗粒细小难分离等因素的困扰以及某些测试方法自身的限制,能用于铁氧化物定量分析的方法很少。文中就常用的 基于X射线衍射（XRD） 和漫反射光谱（DRS） 的铁氧化物定量方法进行了系统评价。在定性分析的基础上,采用基于 XRD的K值法获得西藏床得剖面红色页岩中赤铁矿的含量为3.81％~8.11％,采用DRS与多元线性回归相结合的方法获得北 大西洋ODP1049C孔12X岩芯段棕色层中赤铁矿和针铁矿的含量分别为0.13％~0.82％和0.22%~0.81％,橙色层中赤铁矿和 针铁矿的含量分别为0.19%~0.46％和0.29%~0.67％。与其它分析结果的比较表明,这两种定量方法在白垩纪大洋红层中的 应用是可行的。但在实际应用时,首先要通过XRD和DRS相结合来提高定性分析的准确性,然后通过综合分析铁氧化物的 预判含量范围和结晶程度来选择合适的定量方法。     

藏南日喀则地区白垩纪泥岩、页岩有机质丰度及其油气地质意义

对藏南发育完整的、厚度巨大的海相白垩纪地层中的暗色泥、页岩开展了有机质丰度研究。综合分析结果表明：该区泥、页岩中残余有机碳含量在0.05％~1.1％之间,平均值约为0.42％,其中下白垩统约为0.531％,上白垩统约为0.265％,有机碳平均含量变化特征与该区的古地理格局及海平面升降有关。氯仿沥青‘A’含量在0.0009％~0.0072％之间,平均含量约为0.0040％。有机碳与氯仿沥青‘A’最大值与最小值之比分别为22和8。有机碳与氯仿沥青‘A’这种弱负相关性与两者遭受剧烈的地表风化作用、强烈的紫外线照射和高程度有机质热演化后的损失量有关,后者远大于前者。白垩系残余有机碳含量大于0.6％的中等—好生油岩样10件,占样品总数的27％,下白垩统样品9件,占样品总数的24.3％,上白垩统样品1件,占样品总数的2.7％,表明来自北喜马拉雅地区东山组和康马—隆子地区甲不拉组的早白垩世泥、页岩为该区主要的有效生油岩。     

白垩纪大洋红层的致色机制及成因研究

为了查明白垩纪大洋红层的致色矿物及其赋存状态,并探讨白垩纪大洋红层可能的制约因素及成因模式,本文以中国西藏床得剖面红色页岩、意大利Vispi Quarry剖面红色灰岩以及北大西洋ODP1049C孔12X岩芯段Aptian-Albian期高频旋回红色泥灰岩为研究对象,对各剖面(或岩芯)中的红色和非红色样品分别进行了X射线衍射和漫反射光谱测试,同时对配制的含赤铁矿的标样进行了同样的测试。测试结果表明,无论是红色页岩、红色灰岩,还是红色泥灰岩,赤铁矿都是主要的致色矿物,其中西藏床得剖面红色页岩由结晶较好的碎屑状赤铁矿和结晶较差的细分散状的赤铁矿共同致色。在意大利Vispi Quarry剖面红色泥岩中,结晶程度相近的赤铁矿是唯一的致色铁氧化物,而在ODP1049C孔红色泥灰岩中,结晶差的赤铁矿和针铁矿的出现是泥灰岩呈红色的矿物学根源。赤铁矿的形成主要受铁的来源、沉积时的氧化还原条件以及成岩作用的影响,这些因素也成为制约红层形成的关键因素。本课题组在多年研究的基础上,结合前人研究成果进一步从矿物学的角度深化了大洋红层的成因模式。     

“白垩纪大洋红层——海洋/气候响应”研究进展综述

“白垩纪大洋红层”是中国学者提出并开拓的白垩纪研究新方向。在其所领导的两个国际地质对比计划项目(IGCP463/494)的推动下,“白垩纪大洋红层”所蕴含的古海洋与古气候意义,正引起越来越多的学者的重视。特别是近几年召开的学术会议对“白垩纪大洋红层”研究起到了很好的推动作用: (1)在2002 年度IGCP463 项目启动会议上,对“白垩纪大洋红层”的研究现状进行了初步的交流,制订了项目研究的总体目标和未来五年工作计划,并考察了亚平宁—阿尔卑斯—喀尔巴阡沿线的大洋红层;(2)2003 年度的IGCP463 工作会议和IGCP494 启动会议,不仅积累了大洋红层研究的资料,而且将白垩纪大洋红层研究推进到白垩纪中期;(3)2004 年度两个项目的工作会议,以及通过在第32 届国际地质大会特别讨论会的工作,进一步推进了大洋红层的研究,并将“白垩纪大洋红层”研究介绍给广大的国际地球科学界;(4)在欧洲地球科学联盟2005 年会上,“白垩纪大洋红层”研究体现出了多学科共同参与的可喜现象。回首近几年来的研究历程可以发现,“白垩纪大洋红层”研究已实现了如下转变:(1)从区域性研究到全球对比综合研究的变化;(2)从由中国科学家单独研究变为多个国家的科学家申请到项目和经费共同研究;(3)从举办IGCP项目学术年会快速向国际大会或     

西藏南部晚白垩世-古新世大洋红层的分布与时代

特提斯—喜马拉雅北沉积亚带沉积有一套大洋红色岩层,由东往西在羊卓雍错、江孜、萨迦、萨嘎、札达一带断续出露,并与宗卓组上部地层相关。这套海相红层,根据岩性特征和浮游有孔虫可以直接进行区域对比。其时代在江孜地区为Santonian晚期—Campanian中期,包括Dicarinella asymetrica, Globotruncanitaelevata,Globotruncana ventricosa 和Globotruncanita calcarata 浮游有孔虫带;在萨迦地区限于Campanian期,鉴定有Globotruncanita elevata, Globotruncana ventricosa 和G. linneiana等具时代意义的浮游有孔虫;在萨嘎—吉隆地区为Maastrichtian期,识别出Gansserina gansseri 和Abthomphalus mayaroensis 浮游有孔虫带;在札达地区为古新世早期,以Glibigerina eugubina G. fringa化石带为代表。海相红层在西藏南部由东往西其时代逐渐变新,主要沉积时代分布在Santonian晚期—古新世早期。其总体时间跨度较大,大约长达20Ma。而事件在各个地点的延续时间有限,基本在3~8 Ma之内。根据对海相红层和沉积基质中浮游有孔虫的研究,该沉积带宗卓组的顶界时代已超出白垩纪,进入了古新世。     

古海洋活性铁循环研究进展及对白垩纪缺氧-富氧沉积转变的启示

铁作为地壳中丰度最高的元素之一,广泛参与到一系列地球化学循环中。现代海洋中的铁主要来源于河流、冰川和风的铁氧化物颗粒和溶解铁的输入。陆源输入的铁氧化物在有机质埋藏、降解的早期成岩作用过程中,发生一系列转化过程而埋藏下来,该过程被称作活性铁循环。氧化 强氧化条件利于沉积物中氧化铁的持续产生或者至少保持不被溶解的状态,从而形成棕色-红色沉积物;还原条件利于沉积物中铁氧化物的溶解,形成菱铁矿、黄铁矿(铁硫化物) 等形式的埋藏,并可能造成溶解铁在海洋内的迁移。Raiswell、Canfield、Poulton等通过对现代典型海洋环境活性铁循环研究,提出了一系列用于判别古海洋氧化 还原条件的活性铁指标体系,并成功地将太古宙以来的古海洋划分成为含铁的大洋、硫化的大洋和氧化的大洋等3个演化阶段。由于活性铁的不同形态对磷具有不同的生物地球化学效应,将造成“氧化条件下磷的优先埋藏、缺氧条件下优先释放的现象”。磷是海洋生产力的限制性元素,铁和磷循环的上述耦合关系将造成“缺氧的大洋生产力越高,富氧的大洋生产力越低”现象的出现。目前已在白垩纪古海洋缺氧 富氧沉积中初步证实了上述反馈关系的存在,但是对活性铁埋藏形式对该特殊沉积的贡献还需要进一步的工作。     

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     

黑色页岩铁同位素标准物质的研制

本文选择宜昌三峡地区九龙湾剖面采集的黑色页岩作为黑色页岩Fe同位素备选标准物质,命名为CAGS-BS.使用单因素方差分析法对CAGS-BS进行均匀性检验;使用t检验对其在24个月中四次分析的数据进行长期稳定性的检验,结果显示均匀性和稳定性良好,满足标准物质的要求.黑色页岩Fe同位素标准物质采用多家实验室协作定值的方法确定特征量值.协作定值的单位包括:中国地质科学院地质研究所,中国科学技术大学,中国地质大学(北京),天津大学和中国科学院广州地球化学研究所.剔除了可疑值之后的数据符合正态分布,可以采用算术平均法进行标准物质的定值.标准物质不确定度由协作测定的不确定度分量(uchar)、批内瓶间差异引起的不均匀性不确定度分量(ubb')和实验室保存引起的长期不稳定性不确定度分量(ults)共同确定,总不确定度为扩展不确定度,包含因子(k)等于2.得到CAGS-BS的特征值及不确定度为:δ56FeIRMM-014/‰=0.10±0.04.该标准物质可用于黑色页岩样品的化学流程评价和验证、质谱仪的校正及整个过程的分析质量控制.     

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。     

现代大洋红色粘土与白垩纪大洋红层元素地球化学对比

现代大洋红色粘土形成于沉积速率和生产力都极低、相对氧化的深海环境(CCD界面之下),在元素地球化学上有以下特征;①主量元素中Fe主要为陆源输入,低度富集,但Fe3 /∑Fe值很高,主要以Fe3 为主;Mn主要以MnO2自生沉积,高度富集;Ca强烈亏损;②微量元素Co、Cr、Cu、Ni、V、Zn在红色粘土中基本为低度富集,个别富集程度异常高者,可能受到热液的影响;③红色粘土中Ce出现强烈的正异常,这是沉积速率极低的相对氧化条件下,Fe-Mn氧化物\氢氧化物吸附沉积所致;④红色粘土中有机碳含量极低,而且反映生产力状况的Si、P、Ba均表现为亏损一低富集,反映了极低的生产力.极低的沉积速率和生产力很可能在红色粘土的形成过程中起主导作用.白垩纪大洋红层元素地球化学特征与现代大洋红色粘土有很大的相似性,Fe主要以Fe3 为主,Mn富集;Co、Cr、Cu、V、Zn亏损一低度富集;有机碳含量极低,Si、P、Ba亏损一低度富集,但细节上两者又存在一些不同:大洋红层中Ca出现高富集,反映其沉积在CCD界面之上或附近;大洋红层中Mn主要为MnCO3,这是CCD界面附近或之上,MnO2随埋藏加深被还原所形成;Ce在红层中出现强烈负异常,说明底层水中Ce亏损,暗示了Ce亏损的氧化洋流.由于白垩纪大洋红层的沉积速率普遍高于现代大洋红色粘土,其形成主要受氧化的底层洋流控制.这种富氧洋流很可能是C/T缺氧事件后大气CO2降低、氧含量增加、全球变冷,使得海水溶解氧浓度相应增加所形成.     

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。      

藏南江孜地区白垩系海相红层中红色页岩的颜色成因

白垩系大洋红层(Cretaceous Oceanic Red Beds,CORBs)在我国西藏江孜地区广泛发育,以床得组最为典型.本文以床得组红色页岩为研究对象,通过电子探针背散射电子像观察和成分定量分析、主量元素分析、X射线衍射分析,结合CBD(Citrate Bicarbonate Dithionite)提取铁氧化物前后漫反射光谱分析,认为床得组红色页岩中的铁氧化物只有赤铁矿,没有其它铁氧化物,赤铁矿是唯一的致色铁氧化物.电子探针背散射电子图像显示,赤铁矿分为结晶好和结晶差的两种形态.CBD提取前后反射光谱红度的变化,指示结晶差的赤铁矿的致色作用要远大于结晶好的赤铁矿,主要是细分散状、结晶差的赤铁矿造成了床得组红色页岩的红色.赤铁矿是同沉积一成岩早期阶段的产物,赤铁矿形成所需的铁来源于陆源输入.     

峡东地区埃迪卡拉系黑色页岩的微量元素和Fe同位素特征及其古环境意义

通过分析宜昌峡东地区九龙湾剖面埃迪卡拉系陡山沱组黑色页岩的微量元素和Fe同位素组成,对埃迪卡拉纪海洋的氧化还原状态进行了制约。黑色页岩氧化还原敏感元素的富集系数以及U/Th、V/(V+Ni)、V/Cr值等在陡山沱期存在着明显的演化趋势。这些趋势显示陡山沱组二段下部水体处于氧化的状态,陡山沱组二段上部水体处于还原状态,陡山沱组四段黑色页岩发育在氧化环境中。同时,陡山沱组二段下部黑色页岩富集重的Fe同位素,表明黑色页岩来自于海水的铁主要是以Fe3+的氧化物或氢氧化物形式沉淀的,进一步说明这个时期的水体处于氧化状态。综合黑色页岩微量元素和Fe同位素信息,显示在埃迪卡拉纪陡山沱早期海水经历了先氧化后还原的过程,陡山沱晚期海水变得氧化了。这种特征与埃迪卡拉纪陡山沱期生物群的出现和演化相对应,说明海洋的氧化为埃迪卡拉纪生物的出现和演化提供了前提条件。     

黑色页岩的资源功能和环境效应

利用ICP—MS等分析技术对典型黑色页岩的微量元素及P、S等组分进行了分析,探讨了黑色页岩的化学特征、风化机制和微量元素富集特征,阐明了黑色页岩的资源功能和环境效应。结果表明,黑色页岩不但富含多种矿产资源,产有大型、超大型多金属矿床,而且可用作复合化肥以改良土壤。同时,黑色页岩因风化分解释放CO2、产生酸性矿排水、释出重金属元素等而可能对环境产生严重影响,引起环境问题。开发利用黑色页岩不但要充分认识其资源功能特征,拓宽其应用途径,而且要特别注意其可能引发的环境问题。     

古海洋活性磷埋藏记录及其在氧气地球化学循环研究中的运用

在综合现代大洋活性磷循环特征的基础上,提出大洋中活性磷主要来源于有CO2 参与的地表岩石的化学风化,输入通量在很大程度上受到气候与构造等因素的控制;进入大洋之后的活性磷经光合作用而进入有机物,并通过一系列的转化环节而最终埋藏下来;从而可以根据古海洋活性磷埋藏记录,推断地质历史中不同时间尺度的全球变化情况。对比160 Ma以来的古海洋总磷和100 Ma活性磷埋藏记录可以发现:(1)总磷和活性磷的埋藏速率与长期的海平面变化明显关联,在温室气候条件下,两者基本呈正相关关系;在冰室气候条件下则为反相关关系;(2)总磷和活性磷埋藏速率的变化,能够在一定程度上指示古海洋营养条件的变化;(3)白垩纪中期大洋缺氧事件对应活性磷的埋藏峰值,表明大洋活性磷循环与大洋缺氧事件之间存在着非常密切的关系。此外还例举了古海洋活性磷埋藏记录在氧气地球化学循环研究中的运用,指出活性磷循环对大气氧含量的稳定起到重要的作用。文章最后对古海洋活性磷埋藏记录研究中存在的一些问题进行了讨论。     

上扬子地区震旦系-早古生界黑色页岩的沉积和埋藏环境

上扬子地区震旦(伊迪卡拉)系-早古生界黑色页岩是我国南方震旦纪-早古生代“下组合”海相地层中的“三大优质烃源岩”,并普遍认为系缺氧、滞流环境下的沉积.本文从“下组合”黑色页岩的沉积构造以及生物生态的角度,探讨其沉积环境和埋藏条件,认为其中不仅产出有丰富的浮游和游泳类型的生物,也产出有底栖类型的生物,表明黑色页岩沉积环境中的上层水体为充氧的(oxic)环境,而下层水体中含有一定量的氧,为贫氧(suboxic)或稀氧(dysoxic)环境.上层水体的充氧环境有利于丰富生物的生长和繁殖,以提供丰富的沉积有机质;而下层水体的贫氧或稀氧阻碍着沉积有机质的分解,有利于有机质的保存.黑色页岩中的生物化石及其碎片均具有定向性排列等沉积构造,表明其沉积环境的下层水体中存在一定能量或周期性和间歇性的水动力条件,从而有助于水体中氧的扩散,维持底栖生物对氧的基本需求.黑色页岩沉积时为富含沉积水的泥质沉积物,随着富水泥质沉积物厚度的迅速加大,沉积水与水体中的氧交换减弱,沉积物内逐渐形成滞流还原的环境;而被埋藏的丰富生物遗体和排泄物等有机物质在腐烂和分解过程中促进了周围环境的还原性,导致有机物质得以保存而形成黑色的页岩.     

康滇古陆西侧龙马溪组黑色页岩地球化学特征及其地质意义

为查明康滇古陆西侧龙马溪组黑色岩系的地质成因及沉积环境,指导区域页岩气勘探开发,对宁蒗盆地东南缘李子河地区龙马溪组岩层开展了详细的元素地球化学研究。结果表明,研究区硅质含量较高(SiO₂值为64.78%~96.89%),Al₂O₃与TiO₂呈正相关,SiO₂/A1₂O₃与A1₂O₃呈负相关,这种相关关系表明该区硅质岩系为非纯硅质岩,含有较高比例的陆源泥质沉积物。Al/(Al+Fe+Mn)值(0.53~0.75)、Fe/Ti值(6.38~14.96)、(Fe+Mn)/Ti值(6.40~18.20)、Si/(Si+Al+Fe)值(0.82~0.99)及Al-Fe-Mn三角图解综合显示出生物沉积硅质岩的特点。MnO₂/TiO₂值(0.005~1.20)、δCe值(0.46~0.92)、相关构造判别图解以及稀土元素分布形式特点均说明源区形成于接近大陆边缘的深水-半深水沉积环境。沉积期水体盐度指标m值(4.96~36.88)、CaO/(Fe+CaO)值(0.017~0.83)以及氧化还原指标δCe负异常、δEu正异常、Ce/La值(1.04~2.09)等元素特征指示其沉积于还原条件下低中等盐度海水环境,这种环境下适合有机质的富集和保存。高有机碳(TOC)与高硅质含量显示弱的负相关,说明生物成因硅质岩是造成高TOC的主要原因,而陆源物质硅对有机质进行稀释和破坏反而降低了TOC含量。受上述成因构造及沉积环境的影响,在宁蒗盆地李子河地区龙马溪组形成一套品质较好的富有机质烃源岩储层,具有一定的页岩气地质评价意义。