【摘要】：寒武紀早期(~541-509 Ma)發(fā)生了以澄江動物群為代表的“寒武紀生命大爆發(fā)”,同時大氣海洋環(huán)境與元素生物地球化學循環(huán)也發(fā)生了一系列重要變化,重建該時期海洋水化學狀態(tài)是理解這一重大生命演化事件及其與環(huán)境之間相互關(guān)系的關(guān)鍵之一。我國寒武紀早期南華盆地是位于西北方向的揚子陸塊和東南方向的華夏陸塊之間的陸地邊緣海盆地,且其在東北和西南兩個方向上與廣海相連。長期以來,由于揚子陸塊區(qū)地層化石記錄豐富多樣、沉積記錄相對連續(xù)、出露廣泛和保存完好,而且不同沉積相帶記錄齊全,成為了南華盆地寒武紀早期海洋水化學狀態(tài)的研究焦點,并取得了許多重要認識和進展。然而,南華盆地東南緣華夏陸塊沉積區(qū)由于化石記錄稀少,變質(zhì)作用和火山巖發(fā)育廣泛,受到關(guān)注較少,導致研究程度較低,阻礙了我們對于華南寒武紀早期盆地范圍內(nèi)的古海洋化學時空演化及其與這一時期重大生命演化事件之間關(guān)系的深入理解。南華盆地東南緣三江地區(qū)在寒武紀早期為接近華夏陸塊的深水沉積區(qū),主要出露埃迪卡拉系老堡組上部硅質(zhì)巖以及下寒武統(tǒng)清溪組黑色頁巖,地層完整連續(xù),變質(zhì)程度弱,因此為華夏陸塊沉積區(qū)海洋水化學研究提供了難得的機遇。本研究在前人區(qū)域研究的基礎(chǔ)上對石門和泗里口剖面開展了地層學、年代學、沉積學和地球化學等綜合分析,在對該地區(qū)地層年齡、地層對比、源區(qū)母巖組成、化學風化程度與相應(yīng)氣候條件解析的同時,重點探討了研究剖面古海洋水化學狀態(tài),并與揚子陸塊中部深水盆地相水化學狀態(tài)和物源等進行對比研究,得到以下認識:1.桂北三江地區(qū)石門剖面老堡組頂部新發(fā)現(xiàn)的火山灰SIMS鋯石U-Pb定年結(jié)果表明13個合格分析點~(206)Pb/~(238)U平均加權(quán)年齡為540.5±4.6 Ma,指示桂北三江地區(qū)老堡組的頂界年齡為~540 Ma,寒武紀-前寒武紀界線位于老堡組硅質(zhì)巖頂部。南華盆地老堡組/留茶坡組硅質(zhì)巖受到臺地邊緣臺-盆轉(zhuǎn)換帶同生斷層發(fā)育和硅質(zhì)巖不同成因的控制,其開始及結(jié)束時間在盆地范圍內(nèi)均不一致。老堡組頂部SIMS鋯石U-Pb年齡、清溪組底部黑色頁巖高有機質(zhì)含量、磷質(zhì)結(jié)核及伴隨的V、U、Mo等微量元素富集指示三江地區(qū)清溪組下部黑色頁巖沉積時限為寒武紀幸運期至第二期。2.寒武紀早期海洋雖然已經(jīng)建立了以表層海水氧化、中等水深缺氧硫化和深海缺氧鐵化為主要特征的分層氧化還原結(jié)構(gòu)模型,但是該時期海洋氧化還原狀態(tài)和空間結(jié)構(gòu)仍存在高度的復雜性。三江地區(qū)泗里口剖面代表寒武紀早期(~541-509Ma)南華盆地深水相沉積,三江地區(qū)在寒武紀早期接受了華夏陸塊方向大量碎屑輸入,廣泛沉積清溪組黑色頁巖。我們綜合分析了泗里口剖面鐵組分、氧化還原敏感微量元素以及C-N-S同位素。綜合地球化學數(shù)據(jù)指示三江地區(qū)底水氧化還原狀態(tài)經(jīng)歷了硫化(下部黑色頁巖段BS1:0-37.4 m)、缺氧鐵化(上覆兩套黑色頁巖段BS2:91-154 m;BS3:204-260 m)、氧化(最上部黑色頁巖段BS4:296-372.9m)的連續(xù)轉(zhuǎn)變,并伴隨著O_2/H_2S氧化還原界面從水柱逐漸下移至沉積物中(即水柱的逐漸氧化)。BS2和BS3黑色頁巖段的缺氧鐵化環(huán)境依據(jù)Mo-U指示的“鐵-錳搬運機”效應(yīng)和有機氮同位素正漂移指示的水柱反硝化作用或氨的厭氧氧化作用進一步被區(qū)分為鐵錳還原環(huán)境(BS2段)和硝酸鹽還原環(huán)境(BS3段)。氧化還原狀態(tài)的連續(xù)轉(zhuǎn)變支持寒武紀早期古海洋存在與水深相關(guān)的氧化還原梯度,包括(自表層水到深水、從近岸到遠岸)氧化帶、硝酸鹽還原帶、鐵-錳還原帶、硫酸鹽還原帶和缺氧鐵化帶,與最近提出的早期海洋氧化還原狀態(tài)復雜多帶模型一致。我們的研究第一次從實例的角度為寒武紀早期古海洋中鐵錳還原帶和硝酸鹽還原帶的存在提供了系統(tǒng)性證據(jù)。本文認為泗里口剖面氧化還原狀態(tài)不斷轉(zhuǎn)變是表層氧化海水擴張或/和海平面長期下降的結(jié)果。3.石門剖面下寒武統(tǒng)清溪組鐵組分、微量元素和C-S-N同位素綜合數(shù)據(jù)表明:石門剖面清溪組下段為缺氧鐵化和硫化的狀態(tài),上段以缺氧鐵化-次氧化狀態(tài)為主,與泗里口剖面所反映的寒武紀早期水體氧化程度逐漸增加一致。清溪組較低的δ~(15)N_(bulk)組成(-2.3‰至+2.3‰)不同于同時期淺水相約+5‰的氮同位素組成,這種氮同位素的梯度可能是受南華盆地盆地相廣泛缺氧引起的固氮作用增強的影響。清溪組黃鐵礦δ~(34)S_(py)波動可能受到陸源硫酸鹽輸入和海水有機質(zhì)可獲取性的共同影響。4.三江地區(qū)石門、泗里口剖面清溪組氧化還原環(huán)境重建指示南華盆地東南緣靠近華夏陸塊的深水區(qū)在寒武紀早期(幸運期-第二期)水體發(fā)育持續(xù)硫化,而揚子陸塊中部深水相(貴州東北部和湖南北部地區(qū))未發(fā)育硫化,對比結(jié)果表明南華盆地深水相氧化還原環(huán)境存在空間差異性。石門和泗里口剖面清溪組硫化環(huán)境反映了南華盆地華夏陸塊區(qū)可能同樣存在“硫化楔”型海洋化學結(jié)構(gòu),且硫化帶擴張至揚子陸塊東南緣。相比前人恢復的寒武紀早期揚子陸塊中部深水區(qū)源區(qū)較弱的化學風化程度和寒冷干燥為主的氣候,石門和泗里口剖面清溪組鉀校準后化學蝕變指數(shù)(CIA_(corr))均顯示穩(wěn)定的高值(76-84),指示寒武紀早期研究區(qū)華夏陸塊源區(qū)具有中等至較強程度的學風化作用,源區(qū)古氣候條件以溫暖濕潤為主。源區(qū)較強的化學風化作用帶來的大量營養(yǎng)鹽和硫酸鹽,導致南華盆地東南緣初級生產(chǎn)力爆發(fā)和硫酸鹽還原作用繁盛,最終導致硫化擴張至深水盆地區(qū)。主微量元素特征顯示三江地區(qū)清溪組頁巖母巖以花崗巖為主、花崗閃長巖次之,不同于揚子陸塊中部上斜坡(貴州東北部)沉積巖母巖(花崗閃長巖)。三江地區(qū)深水盆地相與揚子陸塊中部上斜坡(貴州東北部)風化源區(qū)原巖、化學風化程度及氣候條件的顯著差異對南華盆地水化學狀態(tài)的空間差異性影響重大,本文研究結(jié)果表明陸源風化輸入可能在古海洋氧化還原狀態(tài)時空演化上扮演了重要角色。
【學位授予單位】：中國地質(zhì)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：P734


本文編號：2725687