本文關(guān)鍵詞：安徽巢湖地區(qū)早三疊世古海洋環(huán)境地球化學(xué)示蹤指標(biāo)的綜合研究

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【摘要】：晚二疊紀(jì)末生物大滅絕是地質(zhì)歷史上規(guī)模最大的一次生物集群滅絕事件,其后伴隨的是中生代初期早三疊世海洋、陸地生態(tài)系統(tǒng)的緩慢復(fù)蘇與重建,直到中三疊世才恢復(fù)正常。本論文以早三疊世印度階與奧倫尼克階全球界線層型候選剖面巢湖剖面為研究對象,在精細(xì)牙形石生物地層學(xué)研究基礎(chǔ)上,利用當(dāng)前最新的測試技術(shù)和分析方法,對單個牙形石分子進(jìn)行微區(qū)原位微量元素和同位素測試,進(jìn)一步查明當(dāng)時的古海洋環(huán)境狀態(tài)和化學(xué)組成,為大滅絕事件及隨后的生態(tài)系統(tǒng)重建過程提供新的地球化學(xué)證據(jù),并期望為研究區(qū)相關(guān)剖面參選“金釘子”提供更多的基礎(chǔ)研究材料與佐證。主要研究內(nèi)容包括牙形石微區(qū)微量元素、鍶同位素、氧同位素,及相應(yīng)層位的全巖微量元素和鉬同位素,它們分別對早三疊世巢湖地區(qū)古海水微量元素組成、鍶同位素組成,以及表層海水溫度、海洋氧化還原狀態(tài)等古海洋環(huán)境具有指示意義,同時本文還對古生代古海洋地球化學(xué)示蹤指標(biāo)的地質(zhì)意義及適用性展開了深入探討。具體內(nèi)容如下：一、根據(jù)前人已發(fā)表的文獻(xiàn)資料,本文首先對現(xiàn)代海水及沉積物孔隙水中的稀土元素(REEs)特征歸納總結(jié),在此認(rèn)識的基礎(chǔ)上,然后對巢湖平頂山西剖面早三疊世牙形石及其圍巖的稀土元素特征綜合研究�，F(xiàn)代海洋中溶解態(tài)REEs常與碳酸根離子絡(luò)合形成Ln(CO3)+或者Ln(CO3)2-,絡(luò)合強(qiáng)度從La到Lu呈遞增趨勢；它們能被多種物質(zhì)吸附,如顆粒狀有機(jī)物(POC)、陸源碎屑顆粒物、鐵錳氫氧化物、生物成因磷酸鹽／碳酸鹽等,這些物質(zhì)在海洋物理化學(xué)條件發(fā)生變化時或生成或分解,伴隨REEs的吸附或釋放,引起海水及沉積物孔隙水中的稀土元素含量發(fā)生變化,并影響海洋自生沉積物的REEs組成。海水中溶解的輕稀土(LREEs)被POC吸附之后最終達(dá)到洋底沉積物-水界面(SWI)沉積,當(dāng)埋藏深度增加,外界由富氧狀態(tài)(oxic zone)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樨氀鯛顟B(tài)(suboxic zone)時,POC和部分氧化物(如CeOD發(fā)生還原分解,釋放大量LREEs,導(dǎo)致孔隙水中的負(fù)Ce異常減小或消失,稀土元素配分曲線變?yōu)椤捌教剐汀?這是oxic-suboxic條件下,孔隙水REEs的典型特征。隨著水體缺氧狀況加劇,硝酸鹽被完全分解后,錳和鐵的氧化物依次被還原,孔隙水稀土配分模式變?yōu)橹邢⊥?MREEs)富集的“帽型”或“鐘型”。最后在極度還原條件下甲烷生成階段,孔隙水會出現(xiàn)重稀土(HREEs)富集。Ce是氧化還原敏感元素,孔隙水Ce/Ce*受上覆海水的氧化還原條件影響顯著,只有那些沒有受到陸源碎屑混染的海洋自生沉積物的Ce異常,才有可能反映其形成時水體的氧化還原狀態(tài)。Eu也是氧化還原敏感元素,但Eu(III)被還原為Eu(II)并不是發(fā)生在表生沉積環(huán)境,Eu異常用來示蹤陸源、風(fēng)源或火山熱液輸入。對巢湖平項(xiàng)山西剖面早三疊世牙形石及其圍巖的稀土元素研究,發(fā)現(xiàn)牙形石∑REE、Ce/Ce*、Eu/Eu*和∑REE/Th在lOB附近達(dá)到最大值,而La/Sm和La/Yb比值在Spathian早期達(dá)到最大,Sm/Yb比值達(dá)到最小,表明Spathian早期的中稀土富集特征有所減弱。圍巖稀土元素則表現(xiàn)出不同的特征：整個剖面∑REE、Ce/Ce*沒有明顯變化,直到Spathian早期迅速減小；圍巖Eu/Eu*與牙形石變化趨勢整體一致,而Spathian早期也迅速減�。槐M管在Spathian早期類似于牙形石出現(xiàn)了MREEs富集減弱的現(xiàn)象,La/Sm、La/Yb和Sm/Yb特征較復(fù)雜;圍巖的∑REE/Th比值基本沒有太大變化。所有牙形石均出現(xiàn)MREEs富集特征,與前人研究結(jié)果一致。針對這一現(xiàn)象,筆者認(rèn)為主要有兩種解釋：(1)早三疊世的海洋環(huán)境完全不同于現(xiàn)代海洋,當(dāng)時普遍缺氧、流動性差、海洋初級生產(chǎn)力較弱,生物擾動作用微弱,這些異�，F(xiàn)象有可能導(dǎo)致其REEs組成不具有現(xiàn)代海洋的HREEs富集特征,而是形成了MREEs富集,這個信息被牙形石很好地記錄保存。(2)牙形石保存的不是沉積物上覆海水和SWI附近淺層孔隙水的REEs特征,而是深部孔隙水的信號,牙形石和其他自生礦物的REEs組成遭受成巖作用改造形成MREEs富集。根據(jù)對現(xiàn)代海洋REEs特征的認(rèn)識,這可能是與沉積物中的鐵錳氧化物有關(guān),它們大量吸附LREEs和HREEs,導(dǎo)致孔隙水中MREEs殘留。成巖作用會導(dǎo)致牙形石、自生礦物等無法準(zhǔn)確記錄古海水REEs組成,本文嘗試?yán)靡幌盗械鼗笜?biāo)對成巖作用在牙形石和全巖稀土元素富集過程中的影響加以評判。(1)檢驗(yàn)樣品的總稀土含量與元素Th或者Al的相關(guān)關(guān)系,因?yàn)楹髢烧咄砹岁懺摧斎�。本文所研究牙形石∑REE和Th含量都比全巖高,而且∑REE和Th具有強(qiáng)正相關(guān)關(guān)系,說明它們的REEs組成受陸源碎屑影響顯著。(2)考察樣品的Y/Ho比值,因?yàn)樵豗和Ho在海水和陸源碎屑物中受不同物理化學(xué)機(jī)制的控制,Y/Ho比值具有明顯不同的分布范圍,海水約為60,陸源碎屑物約為25-30。本文牙形右及全巖的Y/Ho比值分別是90.44.7和32.5±2.1,靠近陸源碎屑區(qū)域,表明陸源碎屑對其稀土元素組成的影響較大。(3)利用∑REE/Th識別出牙形石中存在一個不同于海水或陸源碎屑的端元組分,其Y/Ho和∑REE/Th分別為～35和1000,有別于陸源碎屑的Y/Ho和∑REE/Th(分別為～28和～15),筆者稱之為早期成巖作用中的非陸源碎屑端元組分。兩個端元具有不同的地球化學(xué)特征,對牙形石REEs組成都有顯著影響。(4)利用Ce/Ce*與Pr/Pr*的相關(guān)圖檢驗(yàn),發(fā)現(xiàn)牙形石的Ce/Ce*與Pr/Pr*均小于1且呈正相關(guān)(r2=+0.8)；全巖的Ce/Ce*與Pr/Pr*約為1,具有負(fù)相關(guān)關(guān)系(r2=-0.71),并接近大陸上地殼區(qū)域。牙形石及圍巖中的Eu/Eu*與Gd/Gd*均大于1,呈負(fù)相關(guān),相關(guān)系數(shù)分別為r2=-0.35和-0.65。筆者認(rèn)為這些特征是由MREEs富集導(dǎo)致的,牙形石及圍巖的Ce和Eu異常都沒有反映水體或者大陸上地殼的信息,而是受成巖作用影響的結(jié)果。二、牙形石氧同位素是恢復(fù)表層古海水溫度的有效指標(biāo),本文所得牙形石微區(qū)原位氧同位素組成與前人研究結(jié)果對比,發(fā)現(xiàn)牙形石δ18O值及計(jì)算所得古溫度的絕對數(shù)值存在系統(tǒng)偏差,但古溫度變化趨勢大致相當(dāng)：(1)晚二疊世Changhsingian至早三疊世Griesbachian溫度一致升高,升溫幅度超過15℃；(2)Dienerian時期沒有降溫趨勢,即沒有前人所標(biāo)明的Cooling Event I,而是維持在42℃左右；(3)Smithian時期溫度持續(xù)升高,在接近SSB處達(dá)到最高,約45℃,即Smithian末期溫度極高事件(Late Smithian thermal maximum);(4)隨后開始降低到38℃左右(Cooling Event Ⅱ),持續(xù)了Spathian大部分時期。微區(qū)原位測試結(jié)果與前人溶液法測試結(jié)果相近,表明牙形石微區(qū)原位氧同位素測試方法的可行性,鑒于其所需樣品量少,前期準(zhǔn)備工作相對簡單,因此具有明顯優(yōu)勢。對所測牙形石分子微區(qū)原位氧同位素組成分析發(fā)現(xiàn),不同牙冠部位(hyaline/albid tissue)氧同位素組成沒有明顯差別。三、本文所測PTB附近的牙形石來自煤山剖面,其87Sr/86Sr與前人的碳酸鹽巖鍶同位素組成一致,而早三疊世巢湖剖面的牙形石鍶同位素組成要高于同期的碳酸鹽巖,分析表明后者是受陸源碎屑影響所致。巢湖和煤山兩個剖面的東南緣為碎屑沉積區(qū),海水87Sr/86Sr不可避免地受大陸風(fēng)化作用影響,隨著風(fēng)化作用和陸源輸入在早三疊世增強(qiáng),巢湖剖面早三疊世的牙形石87Sr/86Sr比煤山剖面晚二疊世的牙形石87Sr/86Sr更加偏離海水鍶同位素組成。煤山剖面的牙形石可能記錄了古海水87Sr/86Sr,對其微區(qū)原位87Sr/86Sr特征探索發(fā)現(xiàn),同一層位不同屬種以及同一牙形石分子不同部位的87Sr/86Sr沒有明顯差別。這可能是因?yàn)镾r離子與Ca離子半徑接近,二者受置換作用控制,致使牙形石Sr含量較高,各個部位沒有顯著差異,87Sr/86Sr不存在較大的差異。四、海洋缺氧被公認(rèn)為是導(dǎo)致晚二疊世末生物大絕滅和早三疊世生物遲緩復(fù)蘇的重要原因之一,本文選擇巢湖地區(qū)下三疊統(tǒng)黑色頁巖或泥質(zhì)巖,通過測試其Mo同位素比值,并結(jié)合相應(yīng)的微量元素組成,擬對該區(qū)古海洋氧化還原環(huán)境重建提供直觀、可靠的新依據(jù)。通過測試樣品δ98/95Mo組成和U、Mo含量發(fā)現(xiàn)如下特征：(1)PTB之前和之后的δ98/95Mo平均值分別為0.91‰、1.28‰,即晚二疊世末期到三疊世最早期δ98/95Mo逐漸上升,同時伴有6¨C顯著負(fù)偏,Mo含量峰值,表明巢湖地區(qū)在P/T過渡時期海洋缺氧狀態(tài)逐步加劇；(2)平頂山西剖面I/O界線、S/S界線附近和Spathian晚期(馬家山南剖面上部),Mo富集和黃鐵礦出現(xiàn)的同時具有相對較低的δ98／95Mo組成,筆者認(rèn)為該剖面在Mo自生富集過程中,受陸源碎屑物和錳氫氧化物以及波動的氧化還原環(huán)境等綜合因素影響,導(dǎo)致原始海水Mo同位素在沉積物中發(fā)生分餾,同位素比值偏低。本文研究表明黑色頁巖Mo同位素在古海洋氧化還原環(huán)境研究中具有巨大的潛在價值,但不能簡單地認(rèn)為δ98/95Mo值是反映古海水氧化還原狀態(tài)的直接指標(biāo),而需要與傳統(tǒng)地化指標(biāo)和野外觀察聯(lián)系起來,對數(shù)據(jù)的真實(shí)意義進(jìn)行判斷。本文利用激光剝蝕和二次離子探針分析測試技術(shù),分別對巢湖地區(qū)早三疊世牙形石微區(qū)原位稀土元素、鍶同位素和氧同位素展開研究,發(fā)現(xiàn)其REEs受陸源碎屑和成巖作用影響顯著,87Sr/86Sr比同期碳酸鹽巖偏高,但δ18O組成及恢復(fù)重建的表層海水古溫度變化趨勢與前人研究結(jié)果相近,表明不同地球化學(xué)指標(biāo)對成巖作用具有各自的適用范圍和地質(zhì)意義,同時也進(jìn)一步證實(shí)了牙形石微區(qū)原位測試分析的可行性。根據(jù)本文的數(shù)據(jù)評價研究,筆者認(rèn)為利用地球化學(xué)指標(biāo)重建古海洋環(huán)境時,必須在樣品篩選、前處理和數(shù)據(jù)解譯等各個方面謹(jǐn)慎對待,不能忽視成巖作用、陸源碎屑及其他地質(zhì)過程對其可能產(chǎn)生的影響。作為牙形石微區(qū)原位測試的探索性研究,本文為今后的工作積累了大量經(jīng)驗(yàn),望能以此為契機(jī),開展牙形石或其他化石殼體微區(qū)原位測試的廣泛、深入研究。
【學(xué)位授予單位】：中國地質(zhì)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：P534.51

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本文編號：1246417