皖南新元古界蓝田组碳酸盐岩沉积地球化学

论文摘要

新元古代晚期气候剧烈变化,冰川事件广泛发育。冰期沉积物之上往往被碳酸盐岩直接覆盖,并且这些碳酸盐岩具有特殊的沉积结构、元素和同位素地球化学组成,因此它们已成为近年来国际地球科学研究的前沿和热点之一。中国华南地区发育完整的新元古代震旦系（Ediacaran system）地层,是研究“雪球地球事件”之后古环境变化、古气候变迁、沉积水体组成和生物演化等科学问题最理想的天然实验室。安徽南部震旦系雷公坞组对应于Marinoan冰期沉积,与华南其它地区的南沱组冰碛岩可以对比。蓝田组碳酸盐岩直接不整合地覆盖在雷公坞组冰碛岩之上,其生物标志、化学地层和年代学证据表明它与华南其它地区陡山沱组可进行对比。蓝田组发育上下两段碳酸盐岩地层,其中下段碳酸盐岩属于Marinoan冰期之后的帽碳酸盐岩,可与华南陡山沱组下部碳酸盐岩进行对比;而上段碳酸盐岩直接覆盖在黑色页岩之上,可与陡山沱组上部碳酸盐岩进行对比。由于蓝田组碳酸盐岩与华南其它地区同时期地层既具有相似性又存在一定的差别,因此对其形成环境的研究可为“雪球地球事件”之后的古沉积环境和古气候变迁提供重要线索。本学位论文采用多种地球化学分析手段,包括主量元素和微量元素分析以及C、O和Sr同位素分析,对皖南石盂和皮园村两个地点的震旦系蓝田组上下两段碳酸盐岩进行了系统的剖面采集及其对应的地球化学研究。由于这些碳酸盐岩中还发育细小的方解石脉体,因此对脉体的元素和同位素组成采用显微取样方法进行了研究。所获得的结果为理解蓝田组碳酸盐岩的沉积环境及其与“雪球地球事件”之间的关系提供了地球化学制约。蓝田组碳酸盐岩并不是由纯碳酸盐矿物组成,其中还含有少量非碳酸盐岩物质,如陆源硅质碎屑、FeMn氧化物、硫化物等。由于这些组分的物理化学性质不同,在化学沉积和成岩蚀变以及分析过程中,不同组分间会相互影响,因此本文应用不同强度的酸对碳酸盐岩进行了分步溶解。结果表明,0.5M醋酸溶解的物质（溶液Ⅰ）主要是方解石,其微量元素和锶同位素组成没有受到非碳酸盐岩物质及蚀变作用的影响,能够代表碳酸盐沉积时的地球化学特征。上下两段碳酸盐岩的溶液Ⅰ都表现为高锶含量、高87Sr/86Sr比值、LREE弱亏损、弱La正异常、弱Gd和Ce以及Er负异常、低Y/Ho比,而下段碳酸盐岩还有明显Eu正异常。这些特征说明,蓝田组上下两段碳酸盐岩具有相似的沉积环境,但是与海相碳酸盐岩的地球化学特征存在明显差别,因此是从淡水为主的环境中沉淀的,其中Ce负异常说明沉积水体呈氧化状态。大部分样品中3.4M醋酸溶解物质（溶液Ⅱ）的微量元素组成明显不同于溶液Ⅰ已经不同程度地受到硅酸盐矿物的污染,不能用来指示沉积环境。残渣中元素组成说明,上段和下段碳酸盐岩的硅酸盐物质来源于不同的陆源区。蓝田组上下两段碳酸盐岩中纯碳酸盐部分由不同矿物组成。为了更好识别这些矿物是否保存原始地球化学特征,本文应用温差法对碳酸盐岩碳氧同位素进行分析。通过共生白云石和方解石的热力学分馏和水岩交换模型,计算得到皮园村剖面上段碳酸盐岩的初始δ18O值高于-11.9‰（PDB）,初始δ13C值为-10.5--9.5‰;石盂剖面上段碳酸盐岩的初始δ18O值为-25.6--18.6‰（PDB）,δ13C值为-11.7--7.9‰;石盂剖面下段碳酸盐岩的初始δ18O值为-12.8--10.9‰（PDB）,初始δ13C值为-5.3--3.5‰。石盂剖面上段碳酸盐岩中低δ18O值与现代极地沉积碳酸盐岩的δ18O相近,要求沉积水体的δ18O值低达-30--18‰（SMOW）。这说明,该段碳酸盐岩可能在大陆边缘盆地中沉淀的,沉积水体中有大量低δ18O值淡水的加入。δ18O值相对较高的皮园村剖面上段碳酸盐岩和石盂剖面下段碳酸盐岩可能是在δ18O值与海水相近的水体中沉淀的。由于上段碳酸盐岩中低的δ13C值与低δ18O值共生,因此低δ13C值可能与陆源有机质的分解有关,而下段碳酸盐岩中δ13C值可能与甲烷渗漏有关。皮园村剖面上段碳酸盐岩中围岩的稀土配分型式以及Sr同位素组成表明,有大量陆源物质加入沉积水体中。其相对较高的δ18O值说明,沉积水体氧同位素组成可能与新元古代海水相近,因此其沉积时可能有δ18O值与当时海水相近的海洋冰川融水加入;并且水体携带有陆源物质,结果使得沉积盆地中水体δ18O值与海水相近,但是微量元素组成却受控于陆源物质。石盂剖面上段碳酸盐岩具有与皮园村剖面相似的稀土配分特征和Sr同位素组成,但是具有相对较低的δ18O值,显示有大量低δ18O值大陆冰川融水携带了陆源物质加入沉积水体中。由于上段碳酸盐岩是在Ediacaran生物群出现之前、Gaskiers冰期结束之后沉淀的,因此海洋冰川和大陆冰川可能都属于Gaksiers冰期产物。两个剖面在主微量元素和同位素组成之间的差异说明,碳酸盐岩是从不同氧同位素组成的沉积水体中快速沉淀的,因此当时海水与冰川融水之间没有达到氧同位素均一化。由此可以推测,当时皖南地区属于大陆边缘盆地,皮园村沉积盆地位于大洋一侧,沉积水体与大洋之间有充分交换;而石盂沉积盆地位于大陆一侧,与大洋之间缺乏连通。石盂剖面下段碳酸盐岩中围岩的稀土配分型式和Sr同位素组成表明有大量陆源物质的加入,其δ18O值说明沉积水体氧同位素组成与新元古代海水相近。由于蓝田组下段碳酸盐岩是在全球性Marinoan冰期结束之后形成,其沉积时可能有δ18O值与当时海水相近的海洋冰川融水加入。蓝田组上下两段碳酸盐岩中围岩和脉体的岩相学特征、元素组成和碳氧同位素特征显示,每一部分方解石脉的δ13C值与各自微晶围岩的δ13C值相近,指示成岩流体的碳主要来自于早期沉积的微晶围岩。从蓝田组上下两段碳酸盐岩中方解石脉的碳氧同位素和元素组成来看,成岩流体大部分都属于外部流体,但皮园村剖面上段碳酸盐岩中的一期成岩流体属于内部流体。三段碳酸盐岩中的一类方解石脉的δ18O值比较低（-28.6--18.1‰）,指示这类成岩流体来源于大陆冰川融水,但它们在各段岩石中具有不同的稀土配分型式,这说明了这些成岩流体受到不同陆源物质的影响。这类低δ18O值的成岩流体在皮园村和石盂地区广泛分布。皮园村剖面的蓝田组上段碳酸盐岩中另一类方解石脉的δ18O值比上一类的高,为-17.2--11.3‰,与围岩的相近,这指示了这类成岩流体属于内部流体,与沉积流体的组成相近。但脉体与围岩具有不同的稀土配分型式,说明了它们是受不同陆源区的物质控制的。皖南地区新元古代Marinoan冰期后沉积碳酸盐岩地层与华南及世界上其它地区地层可以对比,因此本文研究结果有助于理解Ediacaran时期大陆边缘沉积盆地的古环境、古气候、生物产率和水体组成等相关科学问题。尤其是对碳酸盐岩中细脉和围岩进行微区碳氧同位素和微量元素研究,为我们认识成岩/蚀变流体的地球化学特征及其源区性质打开了一扇新的窗户。由于这些碳酸盐岩的同位素和元素组成变化与生物地球化学循环改变密切相关,是沉积水体环境变化的指示剂,因此本文在解译这些变化的基础上提出了可能的成因模型,以期对于认识世界上其它地区同时代沉积环境及其生命辐射效应的都有重要意义。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 导论
• 1.1 研究背景
• 1.1.1 新元古代冰期沉积
• 1.1.2 华南地区新元古界地层
• 1.1.3 冰期后碳酸盐岩
• 1.2 存在问题与争议
• 1.3 研究意义及内容
• 1.4 工作量小结
• 第二章 新元古代冰期时限及其后沉积碳酸盐岩
• 2.1 新元古代冰期时限
• 2.1.1 Kaigas冰期
• 2.1.2 Sturtian冰期
• 2.1.3 Marinoan冰期
• 2.1.4 Gaskiers冰期
• 2.2 帽碳酸盐岩沉积结构和构造特征
• 2.2.1 颗粒和层理
• 2.2.2 叠层状晶洞构造
• 2.2.3 帐篷状结构
• 2.2.4 席状裂隙
• 2.2.5 胶结角砾
• 2.2.6 重晶石扇和结壳
• 2.2.7 文石扇
• 2.3 帽碳酸盐岩成因假说
• 2.3.1 雪球地球假说
• 2.3.2 上升流模式
• 2.3.3 淡水分层假说
• 2.3.4 甲烷渗漏假说
• 2.4 小结
• 第三章 区域地质概况
• 3.1 区域地质背景
• 3.2 皖南地区新元古界地层
• 3.2.1 前新元古界
• 3.2.2 新元古界
• 第四章 研究样品
• 4.1 皮园村剖面上段碳酸盐岩
• 4.2 石盂剖面上段碳酸盐岩
• 4.3 石盂剖面下段碳酸盐岩
• 第五章 分析方法
• 5.1 全岩锶同位素和主微量元素分析
• 5.2 不同组分锶同位素分析
• 5.3 不同组分主微量元素含量分析
• 5.4 常规法碳酸盐碳氧同位素分析
• 5.5 微钻碳酸盐岩取样
• 5.6 微量碳酸盐碳氧同位素分析
• 5.6.1 系统组成
• 5.6.2 实验流程
• 5.6.3 条件试验
• 5.6.4 样品分析
• 5.7 主微量元素原位分析
• 5.7.1 电子探针
• 5.7.2 激光剥蚀
• 第六章 微量元素和锶同位素地球化学
• 6.1 引言
• 6.2 主量元素
• 6.2.1 皮园村剖面上段碳酸盐岩
• 6.2.2 石盂剖面上段碳酸盐岩
• 6.2.3 石盂剖面下段碳酸盐岩
• 6.3 微量元素
• 6.3.1 皮园村剖面上段碳酸盐岩
• 6.3.2 石盂剖面上段碳酸盐岩
• 6.3.3 石盂剖面下段碳酸盐岩
• 6.4 非碳酸盐岩组分对碳酸盐组分中微量元素的影响
• 6.4.1 不同元素之间的相关性
• 6.4.2 不同组分微量元素的差异
• 6.5 蚀变作用影响
• 6.6 锶同位素组成
• 6.7 微量元素特征
• 6.7.1 上段碳酸盐岩
• 6.7.2 下段碳酸盐岩
• 6.7.3 残渣组分特征
• 6.8 沉积环境的指示意义
• 6.9 小结
• 第七章 碳酸盐岩碳氧同位素地球化学
• 7.1 引言
• 7.2 碳氧同位素特征
• 7.3 碳酸盐岩中原始地球化学记录的保存
• 7.3.1 下段碳酸盐岩
• 7.3.2 上段碳酸盐岩
• 7.4 氧碳同位素组成的意义
• 7.4.1 氧同位素
• 7.4.2 碳同位素
• 7.5 对沉积环境的指示意义
• 7.6 小结
• 第八章 脉体和围岩的微区地球化学
• 8.1 引言
• 8.2 碳酸盐岩围岩和脉体特征
• 8.2.1 主量元素
• 8.2.2 微量元素
• 8.2.3 碳氧同位素
• 8.3 混染和蚀变作用对碳酸盐岩的影响
• 8.3.1 元素特征
• 8.3.2 碳氧同位素
• 8.4 地球化学特征
• 8.4.1 石盂剖面上段碳酸盐岩
• 8.4.2 石盂剖面下段碳酸盐岩
• 8.4.3 皮园村剖面上段碳酸盐岩
• 8.5 地球化学意义
• 8.5.1 围岩
• 8.5.2 脉体
• 8.6 小结
• 第九章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 博士研究生期间发表论文目录