地質地球所闡明華南二疊系棲霞組下部有機質富集機理

    　地質歷史時期廣泛發育富有機碳的沉積物，它們不僅是重要的潛在烴源巖，同時還記錄了地質重要轉折時期的古氣候和古環境等信息。然而，對該類沉積物中有機質的富集機理尚存爭議。爭論的焦點主要集中在于，導致有機質的富集的兩種主要因素即海洋表層初級生產力和氧化還原條件，究竟哪個起主導作用。以往的研究多集中在極度缺氧或高強度的洋流上涌地區，而對于貧氧—氧化條件下有機質富集機理的研究較少。

　　中科院地質與地球物理研究所油氣資源研究室博士生韋恒葉在導師陳代釗研究員的指導下，選擇湖北省西部恩施地區的二疊系棲霞組下部富有機碳泥質灰巖為研究對象，通過沉積旋回、黃鐵礦形態與粒徑、C-S-Fe關系、黃鐵礦硫同位素以及微量元素Ba和Mo的分析，重構了相對海平面變化、水體的氧化還原條件以及海洋初級生產力的高低。研究表明，草莓狀黃鐵直徑均大于6 μm，平均值達7.3 μm （圖1），黃鐵礦形成于水—沉積物界面以下的缺氧帶中，沉積水體并沒有達到缺氧或硫化條件，而是在沉積過程中呈現貧氧與氧化的交替變化。黃鐵礦礦化度（DOP）主要分布在0.45至0.75之間（圖2），指示貧氧的水體環境。黃鐵礦硫同位素比值δ34Spy較重，僅為-6‰至-17‰，指示非缺氧的水體環境。氧化還原參數DOP與TOC的相關性較差（R2=0.38）而與海洋表層初級生產力參數Mo的相關性較好（R2=0.62），說明有機碳的埋藏與初級生產力的關系更為密切。在貧氧的水體條件下，由于水體仍然含有少量的氧，不利于有機質的保存，因此沉積物中高有機碳含量可能主要是由于高的海洋表層初級生產力造成的。在高的初級生產力條件下，大量的有機質沉入海底，在水體中形成有機雨，其中絕大部分被分解，而有機質的分解會消耗大量的氧，從而形成貧氧的水體環境，使部分有機質得以保存。有機質往往富集于復合旋回組的底部，也即不同級次（特別是長周期）疊加的海平面上升期，而海平面的上升會帶來豐富的營養物，從而誘發海洋初級生產力的提高。因此，有機質的富集受長期（三級）的海平面變化控制。

　　該研究成果近期發表在國際知名地學期刊Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology上（Wei et al. Organic accumulation in the lower Chihsia Formation (Middle Permian) of South China: Constraints from pyrite morphology and multiple geochemical proxies. Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology. 2012, 353–355: 73–86）。

　

　　

　　圖1：研究剖面草莓狀黃鐵礦粒徑變化的盒須圖。方盒左端代表全部統計數目中25%的草莓狀黃鐵礦的直徑大小，右端代表75%的草莓狀黃鐵礦的直徑大小，方盒中的豎線代表50%的草莓狀黃鐵礦的直徑大小，即中值大小，橫線（須）的左端為最小值，右端為最大值。（草莓狀黃鐵礦直徑越小，說明其形成的時間越短，就越早脫離缺氧帶；直徑越大，其形成時間越長，越晚脫離缺氧帶。直徑小于4.7 ± 0.5 μm說明黃鐵礦形成于水體中的缺氧帶，大于該數值則一般形成于水體氧化的沉積物中）。

　　

　　圖2：研究剖面多種地球化學參數曲線變化圖。DOP=（黃鐵礦中鐵含量/（黃鐵礦中鐵含量+酸溶鐵的含量）。虛線箭頭指示有機碳TOC變化的旋回性，與地層的復合旋回組相對應，有機碳富集于復合旋回組的底部，也即不同級次海平面疊置上升期。