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。     

缺氧沉积物及其衍生物的Re-Os同位素定年与示踪

Os属铂族元素,其不同于亲石元素的地球化学性质使得Re-Os同位素体系在金属矿床和超基性-基性岩浆岩的定年与地球化学示踪研究中得到了广泛应用。Re、Os元素具有亲铁和一定程度的亲铜性质,能在还原环境中与硫化物和/或有机物结合而发生相对富集,因此可应用Re-Os同位素体系对缺氧环境中形成的富有机质沉积物及其衍生物进行定年与示踪研究。本文综述了近年来Re-Os地球化学在这一领域的研究新进展,包括黑色页岩中Re-Os富集机制的探讨,沉积岩的等时线法定年,风化作用、烃类成熟度和变质作用等对黑色页岩等富有机质沉积岩Re-Os同位素体系的影响,沉积环境的Os同位素示踪以及黑色页岩Os模式年龄的意义等,并对这些研究成果在石油、沥青等有机矿产的成因研究及其勘查工作中的应用前景进行了评述。     

浙江长兴“金钉子”灰岩Re Os富集机制研究

通过对浙江长兴煤山D剖面二叠—三叠"金钉子"灰岩样品Re-Os同位素、主微量元素和有机碳测定,对不同层位灰岩的沉积环境进行了判别。通过分析灰岩主微量元素、有机碳与Re、Os含量的相关性,探索性地研究了灰岩中Re、Os富集机制。研究发现,灰岩中Re、Os的富集主要受氧化还原作用影响,Re只有在还原环境下,才会被灰岩中的有机物富集,此时灰岩中Re含量较高,适用于Re-Os同位素定年,而Re在氧化环境下很难被灰岩中有机质富集。Os在还原环境下同样被有机质富集,但氧化环境下,部分Os也可以被灰岩地层中含铁、铜等自生矿物吸附富集,含铁、铜等自生矿物Os同位素比值可以代表沉积时海水Os同位素特征。Re、Os在灰岩中的富集机制研究对于将Re-Os同位素应用于灰岩地层精确定年及古环境示踪具有重要意义。Re、Os在不同氧化还原条件下的富集差异导致了还原环境沉积的灰岩中187 Re/188 Os要大于氧化环境灰岩中187 Re/188 Os,灰岩中187 Re/188 Os变化对研究古海洋沉积氧化还原环境可能具有一定指示意义。     

滇中昆阳磷矿成矿时代及沉积环境Re-Os同位素示踪研究

川滇黔地区下寒武地层中广泛分布一系列磷矿床,其中滇中昆阳磷矿是我国下寒武统梅树村期黑色页岩中规模最大的海相沉积型磷矿床,其成矿时代以及沉积环境对于矿床成因研究以及区域找矿具有重要意义。Re-Os同位素不仅能够对富有机质沉积岩地层进行直接定年,而且还能为物质来源及沉积环境示踪提供一种有效的技术手段。本文对昆阳磷矿中谊村段磷块岩和石岩头段黑色页岩开展热表面电离质谱法Re-Os同位素示踪及定年探索性研究,获得了石岩头段黑色页岩Re-Os等时线年龄为521.9±5.4Ma,直接限定了昆阳磷矿黑色页岩沉积时代。磷块岩187Os/188Os初始比值为0.6576~0.7671,黑色页岩187Os/188Os初始比值为0.887,另外磷块岩187Re/188Os值为2.582~240.5,而上覆黑色页岩187Re/188Os值为96.24~341.8,而且磷块岩、黑色页岩微量元素δEu和δCe值在垂向剖面上显示由低变高的变化特征,这些证据表明昆阳磷矿形成正处于大陆快速剥蚀时期,指示大量陆源碎屑汇入海洋参与成岩-成矿过程。综合前人研究,本文认为,在寒武纪,大气氧含量快速升高,加剧陆壳风化,大量高放射性陆源Os的输入造成该时期内187Os/188Os初始比值逐渐升高。另外由于全球海平面上升,导致滇中早寒武世梅树村组沉积期古海洋环境由浅水氧化向深水还原逐渐过渡,而昆阳磷矿形成于该阶段海进旋回沉积早期。     

Re-Os同位素体系在金属矿床中的应用

Re-Os同位素体系已成为金属矿床定年和示踪的重要手段之一。文章在简述Re-Os同位素体系基本原理基础上,综述了国内外的最新研究成果,认为Re-Os同位素测试对象不再局限于辉钼矿和铜镍硫化物矿石,黄铁矿、毒砂、磁黄铁矿、镍黄铁矿、闪锌矿等也常作为测试对象用于金矿床、铅锌矿床、沉积喷流型钴(金)等矿床的定年。地壳岩石与原始地幔相比,具有较高的187 Os/188 Os比值、γOs值以及Re/Os比值,因此,硫化物或矿石的Re-Os同位素组成和普通Os—Re/Os比值图解可以揭示斑岩矿床、金矿、铅锌矿以及铜镍硫化物矿的成矿物质来源。辉钼矿则可以通过Re含量来示踪成矿物质来源。Re-Os同位素也可与其他同位素结合(如187 Os/188 Os-87Sr/86Sr)共同判明不同端元组分对成矿的贡献。     

铼-锇同位素体系介绍及其在矿床学研究中的应用

Re Os同位素体系是目前唯一能够直接对矿石矿物 (硫化物和氧化物 )进行测年的同位素方法 ,利用 1 87Os/ 1 88Os比值还可以示踪成岩物质与流体的来源及其随后的演化历史 ,因此在矿床学研究及矿床勘探中正扮演着越来越重要的角色。本文对 Re Os同位素测年方法及其在矿床学研究中的应用作了简要介绍。     

Re-Os同位素测年法在油气成藏年代学的研究进展

铼—锇(Re-Os)同位素应用于油气成藏年代学是近10年来的一个前沿领域,在国际上已取得了重要成果,目前国内对此方法的应用还较缺乏。利用Re-Os同位素测年法开展页岩或沥青等富有机质沉积岩的研究,可以精确厘定油气运移和充注时间,也可以有效示踪烃源岩。在阅读国内外大量文献的基础上,概述了Re-Os同位素定年原理,分析了海水—沉积物中Re和Os元素的富集过程,总结了Re-Os同位素测年的测试对象、样品准备和分析测试方法。指出初始187Os/188Os比值不仅可以限定油气生成和油气充注的年龄,还可以有效评价源—油关系;放射成因的187Os/188Os比值与烃源岩年龄呈正相关。认为烃类成熟度、生物降解作用和水洗作用不足以造成Re-Os等时线图中出现离散点,而初始187Os/188Os比值变化、沉积后Re和Os的流动性和硫酸盐热化学还原作用是引起Re-Os等时线图中出现离散点的3个主要原因。Re-Os年龄的重现性和准确性与样品颗粒的大小及取样量密切相关。相对于其他同位素测年法,Re-Os同位素测年法的最大优势在于对直接参与油气成藏的地质体进行研究,可以得到油气成藏期的直接证据。最后探讨了现阶段ReOs同位素体系研究中尚存在的问题,就未来研究热点和发展方向做出展望,以期能有效推动Re-Os同位素定年相关的理论和技术的深入发展。     

Re-Os同位素在晚新元古代至早寒武世测年及古环境演绎中的应用进展

晚新元古代至早寒武世是地球演化历史上极其重要的时期,该时期地层年龄框架的厘定以及古海水、古大气、古气候等方面的研究一直是国际地学界的关注热点。Re-Os同位素测年法是近十几年来兴起的地层测年法,其对于晚新元古代至早寒武世重要时间节点上沉积的富有机质黑色页岩具有测年及示踪古环境的双重优势。本文以晚新元古代至早寒武世地层为例,阐述了Re-Os同位素测年法在年代地层学研究中的应用,通过与大量的、精确的锆石U-Pb年龄对比,论证了Re-Os同位素测定沉积地层年龄的可靠性。对于震旦系陡山沱组地层建阶及留茶坡组地层的年代学研究,黑色页岩Re-Os同位素测年法可发挥重要的作用。结合前人所做的Sr同位素变化曲线以及收集的晚新元古代—早寒武世Os同位素初始值的测试数据,阐述了Os同位素在该时段古环境演绎及Ni-Mo-V多金属层来源追溯上发挥的作用。黑色页岩难以进行~(87)Sr/~(86)Sr的分析,而Os同位素初始值能较好地弥补这一缺陷,二者的相互结合将为晚新元古代至早寒武世古环境演化的研究作出贡献。本文指出,随着Re-Os同位素分析技术的发展以及更多实验流程的建立,该项技术在未来年代地层学,尤其对一些古老地层的年代厘定具有广阔的应用前景。     

油气成藏定年的Re-Os同位素方法应用研究

Re和Os易于被有机物捕获而富集,并长期稳定地保存在烃源岩、原油和沥青中而保持良好的封闭体系.可以对烃源岩、原油和沥青进行Re-Os同位素直接定年,获得与油气成藏相关的精确的绝对年龄信息.Re-Os同位素实验分析包括样品的溶解、Re和Os的化学分离与纯化、Re和Os同位素的质谱测定.原油中沥青质组分的Re,Os同位素组成能够近似代表全油的Re,Os同位素组成,对原油进行Re-Os同位素分析实质就是对原油中的沥青质组分中的Re-Os同位素体系进行分析,其年龄记录的是油气生成的年龄,原油和烃源岩的187Os/188 Os比值的对比可以进行油源示踪.沥青Re-Os同位素等时线年龄揭示的是油气大量生成运移的时间,年龄数据分散的主要原因是具有不同187 Os/188 Os初始比值的烃源岩对Re-Os体系的贡献.川西龙门山北段矿山梁下寒武统沥青Re-Os同位素组成和等时线年龄指示了油气生成和运移的时间发生在～164 Ma,并来源于两种烃源岩.Re-Os同位素体系的封闭性、等时线年龄的精度和油气地质意义、烃源岩多期熟化作用和混源作用的影响等方面还值得进一步深入研究.Re-Os同位素方法将在油气成藏年代学领域,特别是在碳酸盐岩地区的油气成藏定年方面具有广泛的应用前景.     

Re-Os同位素体系在陨石研究中的应用

铁陨石中的Re ,Os含量反映其结晶分异历史。通过铁陨石定年修正187Re的衰变常数为 :λ(187Re) =1 6 6 6× 10 -11a-1。ReOs同位素测年法可以直接用于对铁陨石的定年 ,结果表明天然铁陨石大体同时形成 ,但ReOs定年技术已有可能揭示不同化学群铁陨石形成年代的序列 ,但研究尚需深入。这些方法也可以用来探讨铁陨石和石铁陨石的形成源区、冷却历史和后期变化。虽然在石陨石中Re ,Os同位素的浓度很低 ,但也有了探索性研究成果。随着技术的不断发展 ,ReOs同位素体系在天体化学中的作用将愈加明显和重要。     

The Trace Element Distribution Patterns of Ediacaran-Early Cambrian Black Shales and the Origin of Selenium in the Guangning Area, Western Guangdong Province, South China

The Ediacaran and early Cambrian black shales are widespread across the South China Craton (Yangtze and Cathaysia blocks). However, the trace element distribution patterns of the Ediacaran and early Cambrian black shales in the Cathaysia Block are still unclear. In this study, thirty-four black shale samples in the Lechangxia Group (Ediacaran) and thirteen black shale samples in the lower Bacun Group (early Cambrian) from Guangning area, western Guangdong Province, South China, were analyzed for major and trace elements concentrations. Compared to the upper continental crust, the Ediacaran black shales exhibit strongly enriched Se, Ga, and As with enrichment factor values (EF) higher than 10, significantly enriched Bi and Rb (10>EF>5), weakly enriched Mo, Ba, Cs, V, In, Be, Tl, and Th (5>EF>2), normal U, Cr, Cd, Sc, Pb, Cu, and Li (2>EF>0.5), and depleted Ni, Zn, Sr, and Co. Early Cambrian black shales display strongly enriched Se, Ga, and As, significantly enriched Ba, Bi, and Rb, weakly enriched Mo, Cs, Cd, V, U, Be, In, and Tl, normal Sc, Th, Cr, Li, Cu, Ni, and Pb and depleted Co, Zn, and Sr. Moreover, Se is the most enriched trace element in the Ediacaran and early Cambrian black shales: concentrations vary from 0.25 to 30.09 ppm and 0.54 to 5.01 ppm, and averaging 4.84 and 1.72 ppm, with average EF values of 96.87 and 34.32, for the Ediacaran and early Cambrian shales respectively. The average concentration of Se in the Ediacaran black shales is 2.8 times higher than that of early Cambrian black shales. Se contents in the Ediacaran and early Cambrian black shales exhibit significant variation (P = 0.03). Provenance analysis showed that Se contents of both the Ediacaran and early Cambrian black shales were without detrital provenance and volcanoclastic sources, but of hydrothermal origin. The deep sources of Se and the presence of pyrite may explain the higher Se contents in the Ediacaran black shales. Similar with the Se-rich characteristics of the contemporaneous black shales in the south Qingling Mountain and Yangtze block, the Ediacaran and early Cambrian black shales in Guangning area, Cathaysia, are also enriched in Se, which may provide a clue for looking for the selenium-rich resources in western Guangdong Province.     

湘中地区下寒武统烃源岩沉积环境及其特征

本文通过对湘中地区早寒武世岩相古地理的研究,认为早寒武世期间,湘中地区为发育在陆架之上的缺氧滞留盆地沉积环境,沉积了一套以黑色炭质板状页岩及含硅质炭质泥岩等为主的黑色沉积。该套黑色沉积沿着湘中地区以及扬子东南缘呈带状稳定分布,反映出当时湘中地区是一＂富烃沉积区＂,具有生烃潜力;该套寒武纪海相地层是油气勘探的重要层位。     

贵州遵义松林寒武系底部热液喷口及与喷口相关生物群特征

贵州遵义寒武系底部黑色页岩中含Mo、Ni、U等重金属的富集层，它们一直被认为与热水沉积作用有关。本文通过对贵州遵义松林小竹一带的寒武系底部地层的系统的岩石、矿物、地球化学研究，认为遵义松林小竹一带寒武系底部黑色页岩中富含Mo、Ni、U等重金属层属于热液（水）喷流沉积，主要依据有：①含大量的黄铁矿、针镍矿、硫钼矿及较多的锑硫镍矿、黄铜矿、闪锌矿、重晶石、石英、石膏等矿物；②具有大量的同生砾屑，砾屑成分为黑色碳质体和碎屑状黄铁矿、针镍矿、硫钼矿等矿石，它们堆积成层状结构，碎屑呈被撕裂状、棱角状、熔蚀港湾状等结构，球状、脸盆状、枕头状等构造，它们类似海底喷流沉积；③硅同位素、锶同位素、Re／Os值、Th／Sc值、Th／U值都表明有深部物质加入；④黑色岩系中夹碳酸盐岩透镜体，碳同位素具有强烈负异常特征，表明有热液作用；⑤超强富集元素Mo、As、Se、Re和T1都属于典型的气相迁移元素，而钼是典型的高温气相迁移元素，暗示了可能存在火山射气作用；而强富集的Ni、U、Au、Ag、PGE元素组合是超基性岩浆活动的产物，表明有热液活动。研究发现在热液（水）喷流沉积形成的富集Mo、Ni、U等重金属硫化物层之上，产出丰度大、分异度低、含大型海绵类、双壳类、菌藻类和少量大型蠕虫化石的生物群，它的特征与现代太平洋海底热喷口附近的生物群类似，因此认为遵义小竹一带寒武系底部生物群属于与海底热喷口相关生物群，这一新发现对研究寒武纪生态和生物爆发具有重要意义。     

上扬子区下古生界层序地层格架的初步研究

上扬子区下古生界在贵州及其邻区发育较为完整。在震旦纪与寒武纪之交的台地淹没事件之后,寒武系形成一个从深水盆地相黑色页岩系到大套台地碳酸盐的沉积序列,其中下寒武统包含5个三级层序而可以进一步归为一个二级层序,中上寒武统构成一个二级层序而且可以进一步划分为7个三级层序。奥陶纪艾家山世末期的都匀运动、奥陶纪末期的与冈瓦纳大陆冰期相响应的全球海平面下降事件以及志留纪末期广西运动的共同作用,造成扬子地台大幅度的古地理变迁以及残留不全的奥陶系和志留系。详尽追踪和对比的结果可以将奥陶系划分为8个三级层序且可以进一步归为一个二级层序,在残留不全的的志留系中可以划分出7个三级层序并可以进一步归为一个二级层序。层序地层格架的建立,可以大致解读许多有趣的地质现象,如寒武纪碳酸盐台地的生长过程,奥陶纪与志留纪之交的“浅海静水”型黑色页岩系的发育特点,志留纪由北而南的海侵所造成的复杂的志留系展布特征等等;同时也意味着许多有待于进一步研究的问题,早寒武世数次快速海侵事件与生物事件的关系,奥陶系顶部特殊的“观音桥灰岩”的成因,奥陶系红花园组海绵生物礁的基本沉积模式等等。     

德兴朱砂红矿床含辉钼矿岩石样品Re_Os定年及地质意义

辉钼矿中Re、Os含量高且几乎不含普通Os,通常被认为是开展金属矿床定年的理想对象。然而,在一些矿床中辉钼矿常以浸染状产出,矿物颗粒微小,挑纯难度较大,本文尝试使用含辉钼矿的岩石样品进行测年实验。选择研究程度较高、年龄数据较多的德兴斑岩铜矿田朱砂红矿床的4件含辉钼矿岩石样品进行了Re_Os同位素定年,结果获得等时线年龄为172.6±2.6 Ma,与前人已获得的年龄数据基本一致,说明该年龄数据可靠,样品中的硅酸盐矿物对定年结果没有影响。德兴斑岩铜矿田中3个矿床的辉钼矿Re_Os年龄与花岗闪长斑岩的锆石U_Pb年龄相一致,表明其矿化与斑岩侵入体直接相关。而前人获得的Rb_Sr年龄及K_Ar年龄与近年得到的Re_Os、U_Pb年龄数据存在差别的原因可能是后期热液蚀变及热事件破坏或重置了Rb_Sr和K_Ar同位素体系。     

湘西震旦—寒武纪交替时期古海洋环境的恢复

前寒武纪至寒武纪的交替时期是地质史和生命史的重要转折。中国南方地区广泛发育了上震旦统、下寒武统的黑色岩系。文中运用沉积学和沉积地球化学的理论和方法对湘西黑色岩系的岩石类型、矿物组成、元素地球化学特征、干酪根的结构以及碳同位素的组成等方面进行了研究 ,讨论了黑色岩系的形成条件 ,恢复了震旦纪 /寒武纪地史转折期的古环境。研究认为 ,湘西地区在晚震旦世和早寒武世地史转折期的生物爆发和高有机质的产率是形成缺氧环境的重要因素之一。     

黔东震旦-寒武系转换期碎屑锆石年龄及其地质意义

通过对注溪地层剖面岩性、含矿性及接触关系进行详细考察,及对其黑色岩系中长石岩屑砂岩进行碎屑锆石LA-ICP-MS U-Pb测年,获得84组有效年龄,其中864~742 Ma年龄最集中,表明新元古代黔东地区存在大规模的岩浆活动.江南造山带为黔东早寒武世黑色岩系的主要沉积物源区,而钒等成矿元素源于基性-超基性侵入岩体.雪峰运动导致这些含矿岩体剥顶,大量金属元素注入海洋.海侵海底缺氧,富含这些成矿元素藻类死亡,钒等金属元素随同有机质进入沉积物中,在利于其沉淀富集的留茶坡和九门冲组地层成矿.536 Ma为留茶坡组最后接受沉积时限和九门冲组最大沉积年龄,震旦与寒武系界线位于留茶坡组中上部硅质岩中,清水江组地层岩性的变形、变质和角度不整合于上覆、下伏地层的现象为雪峰运动地质效应.      

扬子地台寒武系泥页岩甲烷吸附特征

对采自扬子地区寒武系黄柏岭组、幕府山组和牛蹄塘组的泥页岩进行了甲烷吸附性能及影响因素研究。所分析页岩的TOC含量在1.08%～4.16%之间;粘土矿物含量在36.7%～62.3%之间。页岩样品甲烷吸附量测定结果显示,寒武系页岩甲烷最大理论吸附量与页岩TOC含量之间总体上呈正相关性,表明有机质丰度是控制页岩甲烷吸附能力的重要因素。而粘土矿物总含量与页岩甲烷最大理论吸附量之间缺乏相关性,仅蒙脱石含量与页岩甲烷最大理论吸附量呈正相关性,显示个别粘土矿物具有较强的甲烷吸附及影响页岩吸附性能的作用。寒武系不同地区页岩吸附性能存在显著差异,遵义牛蹄塘组页岩甲烷最大理论吸附量在2.76～5.30mL/g之间;南京幕府山组页岩甲烷最大理论吸附量在1.36～4.35mL/g之间;池州黄柏岭组泥页岩甲烷最大理论吸附量在1.63～2.72mL/g之间。此外,寒武系不同地区页岩有机碳含量与甲烷吸附量之间关系变化很大,显示页岩吸附量不仅受有机质丰度类型的影响,而且受有机质成熟度、区域地质演化以及粘土矿物吸附等多种因素制约。