华北地台中元古代微生物岩：微组构、有机矿化过程及其古海洋环境研究

论文摘要

中元古代处于地球历史上两次重大成氧事件之间。期间,海水硫化分层,硫酸盐还原细菌繁盛,微生物岩广泛发育。微生物岩是微生物与环境相互作用的产物,是探索早期生命与环境相互作用的重要窗口。本文选取华北地台中元古代微生物岩和微生物席成因构造（MISS）作为主要研究对象,通过对各类微生物岩的宏观特征及其沉积环境的研究发现,丘状凝块石主要分布于深潮下带,层状凝块石产出于潮下带中上部,而低丘状和微指状叠层石（MDS）局限在潮下带上部至潮间带下部,席纹层石则广泛分布于潮间带；微生物席破坏构造集中在潮上带,黑色纹层石发育于潮下泻湖环境,表明可容纳空间和水动力条件等环境因素对微生物岩的类型、形态和分布具有明显的控制作用。深潮下至潮上带微生物岩中的氧化还原敏感元素和碳酸盐海底沉淀丰度的规律性变化,表明中元古代陆表海环境的确具有缺氧-分层的特征及较浅的氧化还原界面,进一步地,凝块石和黑色纹层石主要形成于缺氧至贫氧水体,而其他微生物岩则主要形成于氧化水体。对碎屑岩中MISS的环境分布的研究指出,微生物席的发育与其结构均明显受控于由地势差异决定的水动力、基底暴露、水分补给和沉积条件等环境因素,潮上带以微生物席脱水形成的砂裂构造为主,潮间带上部以破坏-改造型构造为主,而潮间带下部-潮下带主要为再沉积微生物席碎片。对微生物岩的显微至超微组构研究发现其可能具有相似的有机矿化过程：（1）置换有机质形成纳米颗粒,（2）纳米颗粒和有机质聚集形成多面体晶体,（3）多面体晶体再与有机质进一步聚集形成微球粒或纤维体等,（4）微球粒和纤维体等经有序组装后,与由微生物影响形成的无机沉淀一起形成各种微生物岩。从过程（1）至（3）的有机矿化和有序聚合可能代表了微生物岩矿化的普遍过程,并可作为重要标识用以判定碳酸盐岩的微生物成因；而过程（4）可能主要受具体的沉积环境和微生物化学过程控制。研究还发现微生物岩的形成可能包括两种基本矿化方式：（1）纳米颗粒置换有机质的直接矿化,（2）有机质降解导致微环境改变从而诱发无机沉淀的间接矿化。对微生物岩（黑色纹层石）所记录的微生物与环境间相互作用过程的研究表明,其由浅色微晶颗粒层和暗色纤维状文石假晶层所构成的亚毫米级纹层对反复堆叠而成；显微组构和碳氧同位素特征则指示出这种纹层交互可能记录了季节性变化导致的生物量与碳酸钙饱和度的变化。而本文对纹层厚度、环境敏感元素和生物量指示元素的时间序列分析发现,它们可能很好地记录了太阳黑子的活动周期,且能表明中元古代的太阳辐射变化与现代的太阳辐射变化相似,均在约11年的尺度上对环境和生物产生了重要影响。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 1 引言
• 1.1 选题背景
• 1.1.1 中元古代大气背景
• 1.1.2 中元古代海洋化学条件
• 1.1.3 中元古代微生物与海洋环境的主要相互作用过程
• 1.2 研究现状、存在问题和研究目标
• 1.2.1 海水氧化还原界面深度
• 1.2.2 凝块石
• 1.2.3 微指状叠层石
• 1.2.4 纹层石——太阳黑子活动对地球环境和生物影响的地质记录
• 1.2.5 微生物成因沉积构造
• 1.3 研究的材料和方法
• 1.4 完成工作量
• 1.5 取得的主要创新认识
• 2 地质背景
• 2.1 研究区构造背景
• 2.2 地层发育特征和地质年代约束
• 2.2.1 华北地台中北部（燕辽盆地）
• 2.2.2 华北地台南部
• 3 华北陆表海氧化还原状态研究——以雾迷山组为例
• 3.1 海水氧化还原状态的标识
• 3.1.1 文石海底沉淀
• 3.1.2 氧化还原敏感元素
• 3.2 雾迷山组不同水深沉积单元特征
• 3.3 海底沉淀产出特征
• 3.3.1 单元-a中的文石海底沉淀
• 3.3.2 单元-b与潮下带下部中的文石海底沉淀
• 3.3.3 单元-c中文石海底沉淀产出状态
• 3.4 副层序各单元的氧化还原敏感元素特征
• 3.5 讨论
• 3.5.1 文石海底沉淀反映的副层序各单元氧化还原状态
• 3.5.2 氧化还原敏感元素反映的副层序各单元氧化还原状态
• 3.6 本章小结
• 4 华北地台中元古代凝块石：宏观至超微特征、成因机制及环境控制
• 4.1 凝块石空间分布
• 4.2 凝块石的形态特征和内部组构
• 4.3 凝块石的显微和超微组构
• 4.4 讨论
• 4.4.1 雾迷山组凝块石的成因
• 4.4.2 凝块形成的矿化过程
• 4.4.3 纤维状文石的生长速率
• 4.4.5 纤维状文石的物质来源
• 4.4.6 环境对凝块石的控制作用
• 4.5 本章小结
• 5 华北地台中元古代微指状叠层石：显微和超微组构特征、成因机制
• 5.1 微指状叠层石产出层位
• 5.2 微指状叠层石的宏观和微观特征
• 5.2.1 宏观结构
• 5.2.2 微观组构
• 5.3 微指状叠层石的超微组构
• 5.4 讨论
• 5.4.1 微指状叠层石内可能的有机质残留物
• 5.4.2 纤维组构的成因
• 5.4.3 微指状叠层石矿化机制
• 5.4.4 微指状叠层石内纹层的可能成因
• 5.5 本章小结
• 6 黑色纹层石：太阳黑子活动影响地球生物和环境的重要沉积记录
• 6.1 纹层石产出背景
• 6.2 纹层石特征
• 6.3 时间序列分析
• 6.4 讨论
• 6.4.1 可能的年度纹层
• 6.4.2 周期解释
• 6.4.3 纹层石对太阳辐射度变化的可能响应机制
• 6.5 本章小结
• 7 陆源碎屑沉积体系内微生物与环境相互作用的沉积记录
• 7.1 微生物成因构造产出环境
• 7.2 各沉积相带中MISS形态及组合特征
• 7.2.1 潮下带-潮间带下部（临滨-前滨下带）
• 7.2.2 潮间带上部（前滨上带）
• 7.2.3 潮上带下部（后滨下带）
• 7.2.4 潮上带上部（后滨上带）
• 7.3 讨论
• 7.3.1 MISS形成的主要环境控制因素
• 7.3.2 MISS空间分布特征
• 7.4 本章小结
• 8 结论
• 致谢
• 参考文献
• 个人简历