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【前沿报道】PNAS: 成岩作用记录了新元古代海水无机碳库信息
2019-12-20 | 作者: | 【 】【打印】【关闭

  碳作为地球上储量最丰富的元素之一广泛分布于大气、海洋、生物体和地壳中。地质历史时期海水的碳同位素组成受控于有机碳库与无机碳库的平衡,并可以被沉积的碳酸盐岩所记录。因此,海相碳酸盐岩的碳同位素被广泛应用于地球环境与生物演化研究,特别是重大地质转折期的环境变化等。 

  地球历史上最大规模的碳同位素漂移事件(CIEs: carbon isotope excursions,图1)发生在新元古代(~870-550 Ma),碳酸盐岩地层记录了这些事件,其碳同位素组成介于-12‰+9‰之间,远离现代海水无机碳库(δ13C=0.8±1.7)及新生代底栖有孔虫碳同位素值(δ13C=0.9±1.7)。由于该时期的CIEs不仅在全球范围内可大规模重现,并且一些地区从浅海陆棚到深水盆地都可作远距离对比,前人通常认为这代表当时海水溶解无机碳库(DIC)的剧烈波动。然而,亦有一些学者认为这很可能是成岩作用的产物,自生碳酸盐岩假说是其中的代表(Schrag et al., 2013)。探究CIEs的成因解释对新元古时期大气和海洋环境、氧化还原状态及生物演化具有重要意义。 

1  900-485 Ma期间海相碳酸盐岩δ13C变化图?;疑娇蚍直鸫硐执K?/span>DIC (1)和新生代底栖有孔虫CaCO3 (2)δ13Ccarb值。垂向蓝色方框代表冰期。有机碳埋藏通量(forg)假定碳的输入C(i) = -6‰ (VPDB)Δδ = δ13Ccarb – δ13Corg = 27‰Hoffman and Lamothe, 2019

  在碳酸盐岩台地的前缘斜坡带由于受热对流的驱使,海水持续地流过松散的沉积物然后返回到广海(图2B、图2C),即所谓的海水主控的成岩作用;而没有循环海水作用的区域成岩作用受控于沉积物,即所谓的沉积物主控的成岩作用。上述成岩作用分类近期由普林斯顿大学的学者提出并通过钙镁同位素研究得到很好的印证Higgins et al., 2018。受此启发,来自加拿大维多利亚大学和哈佛大学的前寒武地质学家Paul F. Hoffman教授以及麦吉尔大学的Kelsey G. Lamothe博士以纳米比亚北部的新元古代成冰纪间冰期(659-649 Ma)和埃迪卡拉纪早期(635-590 Ma)的Otavi/Swakop碳酸盐岩台地为对象,通过对比不同沉积环境的碳同位素(δ13C)(图2A),发现台地前缘斜坡带受海水热对流影响的区域未记录任何CIE,其碳同位素值与现代海水值接近。因此,这些受海水主控的成岩作用影响的碳酸盐岩很可能记录了当时广海的DIC信息,相关成果发表于PNAS。

2   (A) 0.59-0.77 Ga期间,纳米比亚Kunene地区Otavi/Swakop群碳酸盐岩台地构造沉积图(垂向放大200倍)。(B) 海平面高位期(例如全新世)理想的孔隙水对流模式图。流体主要受台地内部海水与孔隙水的温度(密度)梯度驱动。海水主控成岩作用主要发生在斜坡地区,而沉积物主控成岩作用主要发生在台地内部。(C) 海平面低位时期(例如末次冰期鼎盛期)成岩作用模式图。上斜坡受海水与大气淡水的协同影响(Hoffman and Lamothe, 2019    

  研究者选取了碳酸盐岩台地不同位置剖面:台地内部相带,台地的前缘斜坡相带,及下斜坡-盆地相带,进行了详细碳同位素对比研究。结果显示,成冰纪台内相白云岩碳同位素剖面出现三次δ13Ccarb负漂移(Cn1, Cn3, Cn5)和两次δ13Ccarb正漂移(Cn2, Cn4);埃迪卡拉纪早期台内相剖面有四次δ13Ccarb波动(En1En4(图3。有意思的是碳酸盐岩δ13Ccarb总体表现为台地内部相与台地的前缘斜坡相解耦,与盆地相剖面有较好的耦合;台地的前缘斜坡相δ13Ccarb值大体与现代海水DIC一致,而台内相与盆地相剖面δ13Ccarb值相对亏损且变化较大。 

  研究认为下斜坡-盆地相碳同位素剖面能够较好地追踪台内相剖面碳同位素δ13Ccarb记录是因为盆地浊积扇的物源主要来自碳酸盐岩台地垮塌。Cn1, Cn2阶段,上斜坡与台地内部碳酸盐岩剖面能较好地吻合是因为早期裂谷到陆棚的过渡还未完成,斜坡相与台地相还未区分;Cn3, Cn4阶段,由于碳酸盐岩斜坡逐渐形成,处于浅埋藏的上斜坡沉积物受海水热对流的影响(图2B),δ13Ccarb值趋于稳定。Cn5后期开始进入马林诺冰期,海平面下降,在不同地方发生差异性冰蚀作用,部分地区没有沉积记录,且上斜坡和台地外部受海水主控的成岩作用和大气淡水成岩作用双重影响(图2C)。En1阶段,马林诺冰期之后,海水温度升高,沉积和成岩速率迅速增加,各剖面间碳同位素差异不大。而后En2, En3阶段,上斜坡又恢复海水主控成岩作用影响,逐渐稳定,且呈现和现代海水DIC库相似的δ13Ccarb组成。因此,本文提出上斜坡碳酸盐岩受广海海水热对流的影响改变了其原有的CIE信号,并记录了与现代海水碳同位素值δ13Ccarb相似的广海的DIC信息。如果情况属实,那么如何解释全球多个碳酸盐岩台地同时发生与广海DIC解耦的CIE呢? 

3  新元古代成冰纪间冰期Nonglacial Cryogenian,659 to 649 Ma和埃迪卡拉纪早期early Ediacaran, 635 to 590Ma)纳米比亚Otavi/Swakop群不同沉积环境的碳同位素剖面对比图。Cn1-Cn5;En1-En4代表δ13Ccarb漂移(Hoffman and Lamothe, 2019

  作者推测当时全球范围内普遍发育的CIE受控于浅海强烈的光合作用或蒸发作用造成的成核作用影响所导致同位素效应,而非混合海洋中的碳库发生了改变。最后,作者提出对全球其它地区发育并保存完好的新元古—寒武系碳酸盐岩台地相与边缘相地层,如澳大利亚南方的Cryogenian Balcanoon组和中国南方埃迪卡拉纪早期的陡山沱组和蓝田组进一步研究(如:碳、镁、钙同位素),或将有效验证本文的核心观点。假设本文的观点正确,那么新元古代碳酸盐岩台地广泛发育CIE的同时,其广海的DIC碳同位素组成与现代海洋相似。 

  最近,Jiang et al.2019)在四川盆地三叠系局限蒸发泻湖相地层发现了类似新元古时期的CIE,并提出其可能是当时特殊沉积环境(水体缺氧,生物扰动作用弱,碳酸盐饱和度高)中的厌氧孔隙水主导、微生物硫酸盐还原促使、自生碳酸盐矿物沉淀的产物。众所周知,新元古时期海水氧含量较低且缺乏宏体生物,因此浅海海底很可能长期“缺氧”甚至“厌氧”,适合微生物硫酸盐还原反应及自生碳酸盐岩作用发生,从而产生大量的CIEs。而碳酸盐岩台地边缘由于存在海水的热对流作用,使得孔隙水与广海海水交换频繁而相对“富氧”,破坏了CIE的成岩条件。    

  主要参考文献 

  Hoffman P F, Lamothe K G. Seawater-buffered diagenesis, destruction of carbon isotope excursions, and the composition of DIC in Neoproterozoic oceans[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2019, 116(38): 18874-18879.链接 

  Higgins J A, Bl?ttler C L, Lundstrom E A, et al. Mineralogy, early marine diagenesis, and the chemistry of shallow-water carbonate sediments[J]. Geochimica et Cosmochimica Acta, 2018, 220: 512-534.链接 

  Jiang L, Planavsky N, Zhao M, et al. Authigenic origin for a massive negative carbon isotope excursion[J]. Geology, 2019, 47(2): 115-118.链接 

  Schrag D P, Higgins J A, Macdonald F A, et al. Authigenic carbonate and the history of the global carbon cycle[J]. Science, 2013, 339(6119): 540-543.链接     

  (撰稿:张力钰,姜磊/油气室)

 
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