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上扬子地区晚奥陶世—早志留世页岩地球化学特征、有机质富集及古环境意义

李艳芳  
【摘要】:奥陶纪—志留纪之交是地质历史上生物、气候和环境演变的一个重要转折期,发生了众多异常地质事件,如晚奥陶世的生物大绝灭事件、大规模的冰川事件、海平面的升降、广泛的火山活动、海洋缺氧事件(OAE)和富有机质页岩的广泛沉积等。中国南方上扬子地区保存了完整的晚奥陶世—早志留世地层,生物化石丰富,是研究奥陶纪—志留纪之交生物、气候和环境演化的重点地区之一。同时,由于上扬子广泛发育多套具有经济价值的富有机质页岩,是目前中国页岩气勘探开发的重点地区。其中,上奥陶统五峰组—下志留统龙马溪组海相页岩是目前我国页岩气开发的目的层系,得到了工业界、学术界的广泛关注。因此,对上扬子地区晚奥陶世—早志留世海相地层有机质富集机理和古沉积环境的研究,不仅能为页岩气“甜点区”的预测提供一定的理论依据,也有利于了解奥陶纪—志留纪之交气候和环境的演变过程。本论文选取上扬子地区4条保存完整且连续的上奥陶统五峰组—下志留统龙马溪组页岩剖面,通过有机碳含量、元素地球化学、同位素地球化学和锆石年代学等测试,系统地分析了五峰组—龙马溪组页岩的沉积环境(陆源输入、氧化还原条件、古生产力和水体滞留程度),建立了五峰组和龙马溪组两套页岩的有机质富集模式。在此基础上,探讨了奥陶纪—志留纪之交碳同位素变化的特征以及与古气候和环境之间的关系,取得了如下主要研究成果:(1)建立了五峰组—龙马溪组页岩高精度地球化学剖面,系统地分析了五峰组—龙马溪组页岩的沉积环境。五峰组—龙马溪组页岩TOC含量在垂向上变化很大,主要受控于沉积环境的变化。在五峰组层段,TOC含量较高,平均为3.2%,但变化范围很大,为0.12%~6.0%。龙马溪组底部TOC含量最高且相对稳定,普遍大于2%,平均为4.4%。而龙马溪组中上部TOC含量变低,平均为1.6%,并基本保持稳定。在五峰组和龙马溪组底部富有机质层段,主量元素SiO2、CaO和微量元素Mo、U、V、Ni、Co、Cr和Ba等明显富集,而Al2O3、Fe2O3和TiO2等含量较低。氧化还原敏感元素(U、V、Mo)、黄铁矿矿化度(DOPT)和Mo-U协变模式指示五峰组时期以缺氧环境为主,偶尔有富氧和硫化环境存在。龙马溪组底部水体还原性比五峰组强,为具有一定h2s含量的缺氧或静海相环境,而龙马溪组中上部则为贫氧-富氧环境。p、过剩钡(baxs)和生物硅(siexcess)含量指示在整个五峰组—龙马溪组沉积期都具有高生产力特征,但有机质的富集主要受氧化还原条件控制。(2)建立了五峰组和龙马溪组两套页岩的有机质富集模式。通过系统地研究五峰组—龙马溪组页岩沉积环境,发现控制五峰组和龙马溪组两套优质页岩有机质富集的因素不同。mo-toc和mo-u协变模式表明龙马溪组时期尽管发育众多古隆起,但扬子海盆仍与大洋沟通较好,属于半滞留海盆。而五峰组时期,由于冈瓦纳大陆冰川的形成导致全球海平面大幅度下降,同时因构造挤压,上升古隆起,阻碍海盆与大洋水体的交换,导致水体滞留程度较强。较强的滞留环境使水体的还原性增强,有利于有机质的保存。进入志留纪,全球范围内海平面的上升造成水体变深、缺氧,使有机质得到较好的保存。随后海平面下降,底部缺氧环境遭受破坏,加上陆缘碎屑物质供给逐步增加,进一步稀释了有机质,造成龙马溪组中上部toc含量较低。(3)在五峰组—龙马溪组页岩中发现了大量的斑脱岩层,并对其进行了u-pb锆石定年分析,这为研究该时期气候和环境的变化提供了新的证据和思路。在本研究所有的露头剖面中,均发现了数十层的斑脱岩夹层,进一步证实了上扬子地区在晚奥陶世—早志留世存在广泛的火山活动。本文对兴文剖面龙马溪组厚度最大的一层斑脱岩层进行了shrimpu-pb锆石测试分析,获得了龙马溪组富有机质页岩沉积结束的年龄为440±3ma,该年龄值与最新修订的地质年代表(gts2012)中鲁丹阶—埃隆阶界线年龄(440.8ma)相一致。因此,本文获得的年龄为全球鲁丹阶—埃隆阶界线提供了精确的同位素年龄数据。另外,龙马溪组斑脱岩的这一年龄值可以与同时期苏格兰的斑脱岩年龄(439.6±1.1ma)和美国阿拉斯加东南部的斑脱岩年龄(441.9±5.2ma)进行对比,因此认为它们可能代表的是鲁丹阶—埃隆阶界线处全球性的火山喷发事件,这为后续探讨该时期气候和环境的变化提供了新的证据和思路。(4)建立了晚奥陶世—早志留世地层的碳同位素曲线,并提出早志留世碳同位素的负偏是识别鲁丹阶缺氧事件(rhuddanianoceanicanoxiaevent)的标志。在奥陶纪—志留纪之交,伴随着古环境的剧烈变化,在全球范围内海相页岩的有机碳同位素有数次大幅度的波动。在广泛识别的赫南特碳同位素正偏(hice)之后,有机碳同位素(?13corg)在下志留统龙马溪组开始下降,发生负漂。且?13corg在hice之后的负偏在全球范围内可以进行对比,表明?13corg变化受全球碳循环的影响。龙马溪组?13corg负偏的层段对应于底部高toc含量的缺氧水体环境。因此,推断早志留世负偏的碳同位素特征是对鲁丹阶海洋缺氧事件的响应。鲁丹阶缺氧事件以?13Corg在龙马溪中上部贫有机质层出现明显正偏而结束,U-Pb锆石定年将此次正偏事件限定在440±3 Ma,在年代上与其它地区揭示的早埃隆阶碳同位素正偏事件可对比。本文获得的具有锆石年代学约束的上扬子地区晚奥陶世—早志留世地层碳同位素曲线,为进行区域和全球地层的对比、地层界限的划分提供了重要的基础资料。(5)提出频繁的火山活动释放的CO2是导致早志留世碳同位素负偏移以及气候和环境变化的主要原因。晚奥陶世—早志留世海相地层的?13Corg特征与海洋环境的变化有很好的对应关系。根据U-Pb年龄限定,早志留世鲁丹阶?13Corg的负偏大约持续了3 Myr,这种长时间尺度内的碳同位素负偏反映了大量额外的轻碳(12C)组份加入了大气-海洋体系,可能来源于火山活动释放出的大量CO2(富含轻碳12C)。晚奥陶世—早志留世广泛存在的斑脱岩夹层为这一推测提供了直接的证据。CO2作为温室气体,其浓度的上升会引起海洋温度的升高和冰川的消融,导致早志留世出现全球范围内的海侵事件。海平面的上升使海洋缺氧,导致富有机质页岩在鲁丹阶广泛沉积。而有机碳的大量埋藏会移除海洋体系中的12C,导致碳同位素趋向于变重。与此同时,有机碳的埋藏也会消耗额外的CO2,促使大气中CO2的浓度降低,引发了鲁丹阶—埃隆阶界线处的降温事件。随着气候的变冷,海平面下降导致海水富氧和陆源物质输入增加,造成页岩中的TOC含量降低。


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