峡东南“盖帽”碳酸盐岩古甲烷事件的地球生物学过程

【摘要】：新元古代“盖帽”碳酸盐岩被认为可能是迄今发现的最早的冷泉碳酸盐岩。盖帽碳酸盐岩中分布的帐篷状和层状裂隙构造、负偏的碳同位素特征、海相重晶石沉积,被认为是新元古代晚期冰川消融和海进过程中甲烷释放的有力证据,峡东南盖帽碳酸盐岩中低至-48‰(VPDB)的碳同位素表明有甲烷的直接影响。随着对盖帽极低碳同位素研究工作的进一步深入,部分学者认为,盖帽中的极低碳同位素不是盖帽沉积时期形成的,而是在盖帽沉积之后成岩流体改造所致。本论文系统总结分析了峡东南地区盖帽碳酸盐岩中已发表的极低碳同位素产出特征,通过对碳、氧稳定同位素、原生沉积构造、岩相特征和自生矿物各方面的研究,从冷泉地质系统的角度出发,为峡东南盖帽碳酸盐岩极低碳同位素成因提供新的资料和认识,并试图以地球生物学的思想解析盖帽极低碳同位素的因果链。 冷泉碳酸盐矿物是现代海底冷泉口的一个普遍特征,冷泉碳酸盐岩的研究是冷泉研究中的重要组成部分。冷泉碳酸盐岩分两类,一类是化学礁灰岩,其分布常与构造作用控制的断裂有关,海底深部的流体沿着通道或者裂隙流向海底喷溢,并形成巨大的碳酸盐岩建造；一类是与渗漏有关的碳酸盐岩,与渗漏有关的碳酸盐岩呈小型的块结核状、板状、管状、烟囱状和不规则状,以化能自养生物碎屑和多期次碳酸盐矿物胶结物为特征。 本论文以报道极低碳同位素的峡东南盖帽碳酸盐岩为载体,系统总结和测试了该区域内盖帽碳酸盐岩碳、氧稳定同位素,并结合岩相学和沉积学,加深了对盖帽沉积特征的研究工作。研究中发现在盖帽中上部普遍发育微生物席构造,在形态上,盖帽微生物席与叠层石类似,呈丘状和波纹状,个别呈穹状隆起,两侧强烈收缩。微生物席显微特征与也叠层石显微特征类似,主要由微生物席堆叠、或微生物生命活动所引起的有机质矿化和亮晶层交互而形成。暗色纹层富含有机质和黄铁矿或矿化铁矿物,可能代表了石化的微生物席,相比基质中的黄铁矿,纹层内黄铁矿粒径更小,数量更多。部分微生物席发育不完整,呈现断开或变形现象。峡东长阳地区的向家湾剖面上部微生物席构造类似胶结物叠层石,由顺层示顶纤状矿物和基质组成,纤状晶体长轴垂直于纹层呈等厚状生长于微生物席之上,晶体多显混沌,明显被方解石交代。微生物席层位内普遍发育凝块状微晶结构,指示可能与微生物活动有关。 研究区盖帽碳酸盐岩碳、氧稳定同位素测试结果显示,盖帽碳酸盐岩δ13C值几乎全为负值,多数都集中在-1--5‰(VPDB)范围内,而各剖面δ180负偏程度则有所不同。佑溪剖面δ180负偏程度最小,几乎都-10‰(VPDB),向家湾和习家坳剖面其次,近一半样品δ’80-10‰(VPDB),而古城剖面盖帽样品δ18O几乎都-10‰(VPDB)。尽管四个剖面δ180负偏差异较大,但δ13C(除极低值外)大多在-1‰～-5‰(VPDB)范围内,与全球盖帽碳酸盐岩碳同位素背景值相似,这表明相比δ13C而言,δ18O对成岩流体改造更为敏感。因此,单纯依据δ18O-10‰(VPDB)来判断碳酸盐岩δ13C受到淡水成岩作用改造是不科学的,相比之下,应用δ13C和δ180之间的相关性来判断更为准确。研究区向家湾剖面和习家坳剖面均产出极低碳同位素,极低碳同位素主要分布在盖帽中上部,并且产出极低碳同位素层位保存较好的微生物席构造,形态上呈丘状、波状和水平纹层状,类似叠层石构造,表现为灰黄色纹层与灰黑色纹层互层。通过微区碳、氧同位素分析发现,极低碳同位素集中在丘状微生物席核部、暗色微生物席层、层状示顶胶结物和发育微生物席全岩中,负偏层位未发现明显脉体、孔洞和裂隙。 众多研究表明,盖帽碳酸盐岩中极负613C值往往分布在方解石胶结物中,而在盖帽白云岩基质很少有发现。对于胶结物而言,不管是早期等厚方解石胶结物,还是之后块状方解石充填物,其沉积时间都明显晚于白云岩基质部分。而具有极负δ13C值特征的泥质灰岩透镜体,由于其重结晶作用明显,矿物组成单一,原始的沉积结构和构造保留不好,认为其可能是成岩作用产物或经历了明显的成岩改造。本文通过对研究区各剖面盖帽岩相学以及全岩碳、氧稳定同位素的研究,发现向家湾剖面和习家坳剖面中极低碳同位素层位与发育微生物席层位惊人一致。在负偏层位未发现明显脉体、溶蚀等后期成岩改造痕迹。低至-31.89‰(PDB)的全岩碳同位素强烈支持了其碳源来自CH4,典型的微生物席构造和基质中分布的不同粒级黄铁矿可能是微生物甲烷厌氧氧化作用(AOM)产物,断开和变形的纹层指示沉积物固结前发生变形,向家湾盖帽顶部保存顺层示顶生长的纤状矿物,指示当时为碳酸盐过饱和环境。同时,向上生长的纤状胶结物反映了碳酸盐过饱和流体来自下部,灰黄色纹层和暗色纹层具有不同的碳同位素特征指示流体间歇性活动。这些证据指示了本次研究中极低碳同位素是水-岩界面处化能微生物生物地球化学过程的产物。 【关键词】：新元古代 盖帽碳酸盐岩 甲烷 碳同位素 地球生物学过程
【学位授予单位】：中国地质大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：P618.13
【目录】：

• 作者简介5-6
• 摘要6-8
• ABSTRACT8-12
• 第一章 绪言12-16
• §1.1 选题来源12
• §1.2 “盖帽”碳酸盐岩研究现状和存在问题12-14
• 1.2.1 国内外研究现状12-13
• 1.2.2 存在问题13-14
• §1.3 选题目的及研究意义14
• §1.4 研究内容、技术路线及主要完成工作量14-15
• §1.5 主要成果和创新点15-16
• 1.5.1 主要成果15
• 1.5.2 创新点15-16
• 第二章 冷泉碳酸盐岩特征16-22
• §2.1 冷泉和冷泉碳酸盐16-19
• 2.1.1 冷泉及其意义16
• 2.1.2 冷泉碳酸盐沉积学和矿物学特征16-18
• 2.1.3 冷泉生物群落18-19
• §2.2 冷泉地球化学特征和形成机理19-22
• 第三章 区域地质背景22-25
• §3.1 研究区区域地质背景概述22-23
• §3.2 研究区大地构造演化23
• §3.3 研究区区域地层概况23-25
• 第四章 新元古代冰期和盖帽碳酸盐岩25-46
• §4.1 新元古代冰期和研究区南沱冰期沉积学特征25-27
• §4.2 研究区“盖帽”碳酸盐岩沉积学、岩相学特征27-36
• 4.2.1 沉积结构特征27-29
• 4.2.2 沉积构造特征29-36
• §4.3 研究区盖帽碳酸盐岩碳、氧稳定同位素特征36-46
• 4.3.1 碳酸盐岩碳、氧稳定同位素原理36-37
• 4.3.2 研究区盖帽碳酸盐岩碳、氧稳定同位素结果37-42
• 4.3.3 数据可靠性分析42-46
• 第五章 峡东南盖帽碳酸盐岩极低碳同位素特征及其地球生物学过程探讨46-57
• §5.1 峡东南盖帽碳酸盐岩极低碳同位素研究现状46
• §5.2 已报道盖帽碳酸盐岩中极负碳同位素产出特征46-49
• §5.3 本次研究中盖帽碳酸盐岩极负碳同位素产出特征49-51
• §5.4 峡东南盖帽极低碳同位素地球生物学过程探讨51-55
• 5.4.1 微生物席和碳同位素指示意义51-54
• 5.4.2 研究区“盖帽”时期古甲烷渗漏地球生物学过程54-55
• §5.5 盖帽中极低碳同位素记录时间探讨55-57
• 5.5.1 盖帽碳酸盐岩沉积之后?55-56
• 5.5.2 盖帽碳酸盐岩沉积过程中?56-57
• 结语57-58
• 致谢58-59
• 参考文献59-66

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