新元古代盖帽碳酸盐岩沉积浅述

新元古代盖帽碳酸盐岩沉积浅述摘要:记录雪球地球事件(635Ma左右)的冰蹟杂砾岩之上,直接覆盖着全球分布广泛的厚约3-5米的形似帽盖的碳酸盐岩,称作“盖帽碳酸盐岩”;近年来,围绕此套特殊碳酸盐岩沉积的研究不断深入,并对雪球地球事件的终结以及后生生物演化期间地球环境的探讨具有重要意义,此外,在众多盖帽碳酸盐岩成因学说中,甲烷渗漏假说得到了稳定同位素等地球化学证据以及特殊的沉积构造的支撑,获得了较广泛的承认,为新元古代晚期研究提供了新思路。

关键词:新元古代;盖帽碳酸盐岩;沉积0 前言全球第一次大冰期即大约635Ma左右的新元古代Marinoan冰期,也即“雪球地球”事件,这次大冰期是地球地质历史时期发育规模最大的一次,冰川范围甚至到了赤道附近的低纬度地区,在地层记录中以一套冰蹟杂砾岩沉积为特征;当寒冷时期结束,相对较为温暖的间冰期来临,碳酸盐岩层覆盖到了冰川沉积物之上,这一层碳酸盐沉积由于外形似帽盖状,因此通常称为“盖帽盐酸盐岩”,从沉积岩石学角度上讲,其主要由微晶方解石和白云石等组成,并且相对较为轻质以及层厚较小(冯东等,2006);此外,在分布上十分广泛,全球范围之内都有出露,如中国华南地区(Jiang et al,2003;Wang et al,2008),非洲纳米比亚地区(Hoffmann K H et al,2004)以及印度德干高原北部等都有发现和研究记录。

近年来,随着前寒武纪研究的不断深入以及拓展,新元古代盖帽碳酸盐岩沉积学特征、岩石学特征、地球化学特征对其成因指示,对“雪球地球”事件的终结机制解释,对后生生物演化以及寒武纪生物大爆发环境讨论等诸多方面的重大意义渐渐被人们所认识和重视。

此外,研究手段已经不再局限于传统的沉积学和岩石学露头尺度研究,新兴的同位素以及生物标志化合物等地球生物学研究手段也介入其中并起到了重要的作用。

在众多的研究区域之中,中国华南中上扬子板块内新元古代陡山沱组以及大塘坡组地层(周琦等,2007)等为代表的研究成果是本文的介绍重点。

1盖帽碳酸盐岩成因的探究讨论碳酸盐成因多种多样,众说纷纭,对于新元古代盖帽碳酸盐岩,围绕其成因的争论也是从未休止,这些学说不能简单地判定谁对谁错,地质问题本身就带有很大程度上的多解性,详实而有说服力的证据是必要的;近年来,受到广泛关注的成因观点总结起来主要有雪球地球假说、上升流模式说、甲烷成因假说以及淡水分层假说等(蒋干清等,2006)。

雪球地球假说:以我国华南为例,作为Rodinia超大陆解体的前奏,华南新元古代裂谷盆地演化(王剑等,2001)使大陆边缘海面积迅速增加,降雨和降雪量增加,伴随的大规模火山喷发形成的大量玄武岩发生强烈的消耗二氧化碳的化学风化作用,使得大气中的二氧化碳含量急剧下降,引发冰室效应,使两极覆盖的冰川向低纬度地区拓展,从而形成雪球地球;然而,值得注意的是,地球表面被厚厚的冰层覆盖,正常的大气降水和侵蚀作用停滞,消耗二氧化碳的硅酸盐化学风化作用渐渐停止,二氧化碳和海洋水体的交换作用也停止,大气中二氧化碳不能被消耗掉,同时裂谷盆地的不断开闭沉降使得构造火山活动活跃,大气二氧化碳不断积累直至浓度超过某一极限使得温室效应超过冰室效应,冰盖融化,地球逐渐进入间冰期,气温升高,大量淡水注入海洋,海平面上升,化学风化作用强度增加,此时大气中的CO2通过硅质碎屑岩和碳酸盐岩风化而转化为海水碳酸盐沉积,但是问题是通过模拟研究发现欲积累至终结冰期以及大量碳酸盐岩沉积所需的二氧化碳量,地球的冰冻完全程度是惊人并且难以实现的,此外,间冰期大气中高二氧化碳会使得海水的酸度增加,不利于碳酸盐的沉淀。

上升流模式说:新元古代海水被普遍认为是处于物理分层状态的,此种梯度以及差异使得冰后期上升流或海泛将富HCO3-的深部海水携带至大陆架及其内部盆地而导致碳酸盐沉积,相应此种假说的质疑主要有:海水物理分层的持续时间(约1000年)相对于冰期持续时间(约几百万年)而言明显悬殊,并且长时间的分层与缺氧状态不能产生足够的碳酸氢根离子补给,此外,冰川融化伴随大量淡水的注入实际上破坏了海水的分层状态。

甲烷渗漏假说:此类假说是目前为止受到最广泛认同的一种,本文会在随后另作详细介绍。

淡水分层假说:主要观点为通过微生物作用,盖帽碳酸盐岩在低盐度的冰雪融水中沉淀,随后淡水与深部的高盐度、缺氧海水混合沉淀了盖帽碳酸盐岩顶部及其上的文石晶簇和重晶石,并且事实上在盖帽碳酸盐岩沉积中,往往伴生重晶石等典型矿物;同样,此种假说也存在质疑,如没有对盖帽碳酸盐岩底部广泛发育的沉积构造与结构予以详细的解释,并且在大多数情况下,盖帽碳酸盐岩底部藻类并不发育,难以形成广布的生物碳酸盐岩,相反,藻纹层和叠层石在盖帽碳酸盐岩上部和上覆地层中更发育。

2甲烷渗漏成因假说甲烷(CH4)是地球主要的一种温室气体,其引发的温室效应是二氧化碳的20倍,地球上的甲烷源很多,如主要有湿地、海底沉积物、农田等,其中海底沉积物中的甲烷对全球海水环境以及气候变化有重要的影响。

冷泉(cold seep)即海底天然气渗漏,是一个广泛分布的自然现象,指分布于大陆边缘海底来自沉积界面之下,以水碳氢化合物(如天然气水合物)等细粒沉积物为主要成分,流体温度与海水相近的流体,并广泛发育于活动和被动大陆边缘斜坡海底,常常发育气体运移的沉积裂隙,泥火山等,并在一定范围内形成独特的冷泉生物群落环境。

近年来,以ODP、IODP为代表的现代冷泉研究成果逐渐向我们揭示了这个神秘的领域,同时对地质历史时期的古冷泉研究也得到深入发展。

以Kennedy等为代表的学者认为盖帽碳酸盐岩与天然气水合物分解甲烷的渗流有关,蕴藏在沉积物界面以下的天然气水合物失去了高压低温等稳定状态条件,发生分解,大量的甲烷气体顺沉积物裂隙向上运移,这个过程中其还要经历甲烷厌氧氧化菌以及硫酸盐还原菌等微生物地球化学作用,最终形成自生碳酸盐沉淀,此类作用形成的碳酸盐岩也被称作冷泉碳酸盐岩,在现代海洋沉积学研究之中已经被得到了发现和证实,如中国南海北部被动大陆边缘的“九龙甲烷礁”(Han et al,2008)。

对于新元古代广泛发育的盖帽碳酸盐岩也有学者将其归入甲烷渗漏成因之中(Jiang et al,2003),当然其是否可以算作或者等同于冷泉碳酸盐岩,也有学者存在质疑,主要基于盖帽碳酸盐岩中沉积构造和结构的大小分布等与现代甲烷渗漏构造的特征不一致,以及没有在盖帽碳酸盐岩中发现任何沥青质等(周琦等,2007);然而,新元古代盖帽碳酸盐岩与古代冷泉渗漏事件相关是得到了广泛的认同的。

谈到渗漏具体机制过程,有很多因素应该纳入考虑,间冰期全球变暖、岩浆活动或其他动力机制引发巨量甲烷水合物分解释放,渗漏运移的部分甲烷可能在海水/沉积物界面处氧化,在缺氧沉积物孔隙和渗漏通道周围沉淀为碳酸钙;还可能有部分甲烷在富氧海水中氧化, 产生CO2,导致碳酸盐岩溶解、增加碳酸钙溶解度,并降低碳酸盐补偿深度,一旦有氧甲烷氧化消耗了过量的氧导致大洋缺氧,则缺氧甲烷氧化成为海水中主要的氧化作用,从而加速碳酸盐的沉淀;此外,当通量足够大时,部分甲烷透过海水表面释放到大气,引起温室效应,氧化产生的CO2通过光合作用和化学风化返回到碳循环系统,造成海相碳酸盐岩和有机质中δ13C 的负偏。

新元古代Marinoan冰后期的盖帽碳酸盐岩可能就是经历这一系列过程形成的(蒋干清等,2006)。

3 盖帽碳酸盐岩沉积学特征基于冷泉渗漏假说,一些特殊的沉积结构构造可以从沉积学的角度帮助我们识别冷泉碳酸盐岩,通过现代冷泉区的观察研究,如泥火山、泥底辟、微生物丘和微生物礁、黑烟筒及袋形洼地等都是渗漏的重要沉积构造,但是由于生物扰动等原因,完整良好的保存极其少见,此外,对于古代冷泉的沉积识别,主要利用碎屑岩中突然出现富含自养宏体动物化石的碳酸盐岩透镜体或碳酸盐岩充填的裂隙和孔洞为标志。

值得一提的是近年来受到重视的“帐篷状构造”,它是碳酸盐岩中的一种特殊沉积组构,因其倒“V”字形形态类似于帐篷(tepee)而得名,新元古代帽碳酸盐岩中广泛发育有倒“V”字形的类似构造,但由于形态和成因上都和传统的帐篷构造有所区别,被称为“帐篷状构造”(tepee like structure),目前来越来越多的学者认为帐篷状构造的形成过程与机制和盖帽碳酸盐岩的成因密切相关,我国华南扬子区南沱冰碛杂砾岩层之上的陡山陀组底部盖帽碳酸盐岩发现有帐篷状构造,发育帐篷状构造的规模不一,在剖面上非连续分布,较大的帐篷状构造厚度能达到70cm,最小的厚度约为20～30cm,帐篷状构造外部由层理发育的薄层状碳酸盐岩构成,向上隆起呈褶皱状形态,其轴部一般都垂直于沉积层面,帐篷状构造沿轴线两边基本对称,核部多为块状或角砾状的原生碳酸盐岩,无明显层理,其上下层理基本无变化保持水平(刘芊等,2007)(见图1)。

此外,对于帐篷状构造支持的甲烷渗漏成因假说,大多还可以通过其他间接证据来说明,如含重晶石层,同层位的其他特殊构造,异常负的碳同位素值等等,关于稳定同位素的证据本文将在随后做详细阐述。

4 同位素地球化学研究传统的沉积学发展到现在,同位素地球化学的手段解决沉积学问题已经日趋成熟,对于盖帽碳酸盐沉积研究也不例外,其研究结果对碳酸盐岩成因讨论以及新元古代雪球地球事件前后的地球环境变化等都具有积极意义。

以我国华南震旦系地层陡山沱组、大塘坡组等研究为例,同位素研究主要围绕碳酸盐岩常用的碳、氧等稳定同位素,此外,也有从碳酸盐中分离出少量硫酸盐进行海水硫同位素分析从而反映生产率与海洋环境间的关系(张同钢等,2003)。

甲烷是自然界δ13C 值最低的物质,平均约为−60‰,在经历了甲烷氧化以及硫酸盐还原等过程形成自生碳酸盐岩也继承了低碳同位素的特点,反应历程大体为:2CH2O+SO42− —>2HCO3−+H2SCH4 +SO42− —> HCO3−+HS−+H2OHCO3−+Ca2+—>CaCO3 +H+中国华南扬子区陡山沱组盖帽白云岩今年来诸多学者进行了碳同位素研究,在代表浅海环境的贵州铜仁地区,此处出露地层盖帽下部薄层碳酸盐岩δ13C表现出高的负异常特点,可达-12.48‰,而到上部相的厚层白云岩,δ13C明显向正异常反向迁移,但还是处于-3.0‰~-1.0‰之间;当时为次深海的台江五河地区δ13C明显偏负,在碳酸盐岩下部相底部为-8.278 ‰～-6.651‰;清镇地区当时为泻湖环境,其中陡山沱组底部碳酸盐岩δ13C值为-3.718 ‰～-0.209‰(姜立君等,2004),这种同位素正负偏移的趋势在很多类似研究区域的盖帽碳酸盐岩之中都有所反映,但是如上负偏的趋势并不能证明是甲烷直接作用而成,应该有更明显的负偏值。