第12卷第2期2005年4月
地学前缘(中国地质大学,北京;北京大学)
EarthScienceFrontiers(ChinaUniversityofGeosciences,Beijing;PekingUniversity)
Vol.12No.2Apr.2005
黑色页岩与大洋缺氧事件的Re-Os同位素示踪与定年研究
杨競红
1,2,3
, 蒋少涌
1,2
, 凌洪飞
1,2
, 陈永权
1,2
1.南京大学地球科学系成矿作用国家重点实验室,江苏南京2100932.南京大学海洋地球化学研究中心,江苏南京2100933.南京大学海岛海岸带教育部重点实验室,江苏南京210093
YANGJing-hong1,2,3, JIANGShao-yong1,2, LINGHong-fei1,2, CHENYong-quan1,2
1.StateKeyLaboratoryforMineralDepositsResearch,DepartmentofEarthSciences,NanjingUniversity,Nanjing210093,China2.MarineGeochemistryResearchCenter,NanjingUniversity,Nanjing210093,China
3.KeyLaboratoryofCoastandIslandDevelopmentoftheMinistryofEducationofChina,NanjingUniversity,Nanjing210093,China
YANGJing-hong,JIANGShao-yong,LINGHong-fei,etal.Re-Osisotopetracinganddatingofblackshalesandoceanicanoxicevents.EarthScienceFrontiers,2005,12(2):143-150
Abstract:OceanicanoxiceventstookplacemanytimesinEarthpshistory.Theseeventsusuallyproducedlargeamountsofblackshaledeposition.Thestudyontheoriginandpreciseageoftheseoceanicanoxiceventshasbecomeoneofthefrontierresearchareasinpalaeo-oceanography.Thestudyofoceanicanoxiceventscanhelpusbetterunderstandthepalaeo-oceanenvironmentalchanges,theevolutionoftheearthsystemandtheeffectofotherEarthpsspherestothebiosphere,aswellasoregenesis,andhydrocarbonformation.Inrecentyearsthestudyofoceanicanoxiceventshasfocusedonvariousaspectssuchaspalaeo-oceanography,palaeoclimato-logy,palaeogeography,palaeontology,tectonics,geologyandgeochemistry.Amongthesestudies,theprecisedatingoftheoceanicanoxiceventsisoneofthekeytasks.Iftheappliedisotopicsystemscan,atthesametime,provideinformationonpalaeo-oceanicenvironmentalchange,thesewillenhanceourunderstandingofthegenesisoftheoceanicanoxicevents.TheRe-Osisotopesystemisoneofrecentlydevelopednewgeochemicaltechnique,whichcanservethesepurposes.Theorganic-richblackshalesareverysuitableforRe-Osisotopedating,andpreciseagescanbeobtained.Furthermore,usingOsisotopedataofmarinesediments,wecanalsoobtaininformationonpaleo-seawaterOsisotopiccompositionsandtheirevolutionduringgeologicaltimes.InSouthChina,severa-lperiodsofoceanicanoxiceventsoccurredfromtheNeoproterozoictotheCambrian,andhugethicknessofblackshalesdeposited.Therefore,usingRe-Osisotopemethod,wecannotonlyestimatethetimeofsuchevents,butalsoeffectivelytracethepaleo-oceanicenvironment.
Keywords:Re-Osisotope;oceanicanoxicevents;blackshale;palaeo-oceanicenvironment;dating
摘 要:地质历史中发育多次大规模的大洋缺氧事件并伴随有巨量的黑色页岩沉积,对这些大洋缺氧事件发生时限及成因机制的研究已成为当前国际古海洋学研究的一个前沿领域。开展对大洋缺氧事件的研究,有助于了解古海洋演化、地球系统变化和地球其他圈层对生物圈的影响,以及金属成矿、油气形成及生烃环境。因
收稿日期:20041210;修回日期:20041222
基金项目:国家自然科学基金资助项目(40372059;40221301;40172041;40332020)
作者简介:杨競红(1964) ),女,副教授,主要从事海洋地球化学和同位素地球化学研究。电话:025-3596669;E-mail:[email protected]
144
杨競红,蒋少涌,凌洪飞,等/
地学前缘(EarthScienceFrontiers)2005,12(2)
此近年来人们从古海洋、古气候、古地理、古生物、大地构造和地质地球化学等学科,积极开展对大洋缺氧事件的研究。对大洋缺氧事件进行准确定年则是研究工作开展的首要任务之一;而如果用于定年的同位素体系能同时提供相关的环境变迁信息,则更加有利于我们对缺氧事件成因机制的认识。Re-Os同位素作为近年来发展起来的一种新的同位素技术方法,恰好适用于对富有机质沉积岩和黑色页岩的定年,可以获得精确的地层沉积年龄,同时利用这些海洋沉积物的Os同位素比值还可获得古海水的Os同位素组成及随时间的演化规律。在中国华南地区新元古代)早古生代发育有多幕次的大洋缺氧事件和黑色页岩的巨厚沉积和广泛分布,利用Re-Os同位素研究,不但可以精确厘定这些事件发生的时限,而且可以有效示踪当时的古海洋环境。关键词:Re-Os同位素;大洋缺氧事件;黑色页岩;古海洋环境;定年
中图分类号:P53916;P597 文献标识码:A 文章编号:10052321(2005)02014308
最近10年来,由于Re、Os化学分离方法和同位素质谱测量方法的革新,使高精度、高灵敏度Re-Os同位素测量成为现实,从而使Re-Os同位素方法在地球科学各个领域得到广泛应用,并取得了显著的成效。在古海洋的研究中,Re-Os同位素体系以其独特的性质,在岩石定年及示踪上对揭示地球演化历史具有重要意义。近年来,应用Re、Os独特的地球化学性质开展了大量与古海洋有关的研究,如通过分析近现代大洋底富金属碳酸盐软泥、富有机质泥岩和古代黑色页岩来推断古海水Os同位素演化。全球大洋广泛分布的富含有机质的黑色页岩,具有重要的学术价值和潜在的经济价值,缺氧环境研究已成为近20年来的一个研究热点,Re-Os
气候、古地理、生物复苏机制和板块构造关系的认识,并可能为主要气候和板块变化的海洋响应提供
更精确的答案,它对于了解地球系统变化及其他圈层对生物圈的影响以及金属成矿、油气形成与生烃环境的评价也具有十分重要的意义。
在地球的历史演化长河中,新元古代至早古生代这一时段由于有全球性的超大陆裂解、雪球事件和寒武纪生命大爆发等的发生而格外引人注目[7~10]。此时的海洋环境和生物演化中发生了多次全球性的突变事件,通常在海相沉积岩中记录了这些事件所造成的海洋学、生物学、地球化学、气候和古环境等各个方面的变化。对这些事件的研究,一直是国际地学界关注的热点,并成为多个国际地质对比计划的重点研究对象之一。例如,IGCP-199地层中的全球性地质事件开展过系统研究;IGCP-216项目/GlobalBio-events0则对全球的生命事件和世界大洋中有机质的广泛堆积事件展开研究;IGCP-293项目/GeochemicalEventMarkersinthePhanerozoic0则尤其重视显生宙以来事件地球化学标志层的研究。
目前对全球性的多次/大洋缺氧事件0的发生及其演化机理仍旧存在很大争论。大洋缺氧事件发生的结果,造成了富含有机碳和多种金属的黑色页岩的大量沉积。当时,海洋中生物生产力极高、生物大量繁殖和大批死亡,这些生物遗骸在海底沉积,大大消耗了海底水中溶解的有限浓度的O2,造成严重缺氧的还原环境。由于地壳的构造运动,海底扩张速度加剧、洋盆的打开,此时伴随地史上较大的海侵。例如,对白垩纪中期大洋缺氧时期的研究表明,当时海平面可能比现代高出350m,足以淹没现代陆地面积的35%。也有人认为[4],大规模的海侵事件是由于冰川消融引起的海平面上升造成的。大规,[3]
[3~6]
同位素体系也由此在古海洋的研究中起着重要的不
可替代的作用。对大洋缺氧事件(OceanicAnoxic项目/RareEventsinGeology0对记录在海相沉积Events,简称OAE)与黑色页岩的Re-Os同位素研究,不但可以用于示踪其成因,而且有可能精确厘定其形成年龄。本文综述了近年来国内外在这一领域开展的一些探索性研究及其进展情况,以期抛砖引玉,推动我国Re-Os同位素在古海洋学中的广泛应用。
1 大洋缺氧事件
大洋缺氧事件这一概念最早是由Schlanger和Jenkyns于1976年提出来的[1],用于解释深海钻探中发现的白垩纪沉积层中的/黑色页岩0的成因。之后,大量的研究表明,大洋缺氧事件在地质历史之中不同时期均普遍存在[2~4]。所谓大洋缺氧事件,是指在相对短暂的某些特定地史时间内,全球或局部海域海洋水体中贫氧层(主要指中底层水)膨大或强化的一种作用。此时,海洋生物大量死亡或灭绝,有机碳大量埋藏,海水的DC值出现大的正漂移。对,13
杨競红,蒋少涌,凌洪飞,等/
地学前缘(EarthScienceFrontiers)2005,12(2)
145
量埋藏并带走大量的12C,这是由于生物通过光合作用固碳,优先吸收大气CO2中的C,致使大气中CO2由于得不到或很少得到C的补充,从而造成大气CO2的DC值明显升高
[13,14]
13
[11,12]12
12
积的黑色页岩达数米至数十米。陡山沱期也是我国地史上重要的成磷期。在湖北的陡山沱组黑色
页岩中还发育一种特殊类型的大型Ag-V矿床[24,25]。陡山沱组是新元古代全球性的雪球事件即南沱冰期结束后的第一套沉积地层,主要是由白云岩夹黑色页岩组成的一套地层层序。在这套地层中先后发现了代表新元古代末期的生物大辐射事件的瓮安生物群、庙河生物群和蓝田植物群[26]。因此对陡山沱组地层的研究具有重要的经济意义和早期生命演化意义。灯影期沉积了一套黑色硅质岩夹黑色页岩,称留茶坡组。(3)早寒武世的黑色页岩沉积在华南各省均有大量分布。这些黑色页岩沉积层位稳定,厚度几十米至数百米,个别地区近千米。黑色页岩中有机碳含量为1%~13%。这套黑色页岩的产出与寒武纪生命大爆发事件紧密相联[27~29]。同时这套岩系中富含N-iMo-Se-Re-As-Hg-Sb-Au-Ag-PGE和P等数十种金属和非金属成矿元
素[30~36],因而得到了国内外地质学家的广泛关注和研究。(4)中奥陶世的庙坡期黑色页岩也在华南诸省大面积分布,厚度从几米至几十米不等。黑色页岩水平微层理十分发育,黄铁矿多,笔石化石普遍出现,也有放射虫和硅质海绵骨针。黑色页岩中有机碳含量为1%~6%
[37][23]
。一些研究表
明,全球性大洋缺氧事件发生之初,往往伴随剧烈的火山喷发,使地球深部的大量还原性气体进入大气圈,从而破坏了原先建立的大气圈水圈生物圈之间的平衡关系,因此全球火山喷发可能是造成全球缺氧和生物灭绝的主要原因。也有相当多的研究者坚持/外星撞击地球说0[8,15~17]。低纬度地区上升洋流的活动很可能也是形成缺氧事件的一个重要因素。缺氧沉积中有机质的富集,磷的高含量,硅质生物尤其是放射虫化石的大量发育,均表明当时上升洋流的存在。上升洋流一般为贫氧但富含营养物(磷酸盐和硝酸盐类)和硅质的海流,它可促使表层水域中的生物高度繁盛,这些生物遗体沉至水底增加了深水环境中氧的消耗,从而在上升洋流之下形成缺氧环境。
总而言之,地质历史中大洋缺氧事件的形成很可能与多种不同的地质过程有密切关系,如(1)古海洋学过程,包括全球海水化学成分的变化、古洋流的变化和海洋生物生产力的变化等;(2)构造过程,包括海道的开启或闭合、大陆板块的聚合与离散等;(3)气候过程,包括温室效应、冰期间冰期递变等;(4)海平面变化过程,如海平面的剧烈升降等。因此,对大洋缺氧事件的研究方兴未艾,任重而道远。
我国华南新元古代)早古生代发育多幕次的大洋缺氧事件,表现为黑色页岩的巨厚沉积和广泛分布。已有研究表明[18~20],华南新元古代至少发育两次大的大洋缺氧事件,一次为新元古代震旦纪早期
[18~20]
。这次大洋缺氧事件相当于
[4,38,39]
国际上的Caradocian期事件。中奥陶世庙坡期也是华南沉积锰矿重要的形成期之一,产有如桃江响涛锰矿。(5)晚奥陶世的五峰期的缺氧事件,造成了黑色页岩、黑色硅质岩和泥页岩在华南的广泛分布。黑色页岩多呈层状,具mm级纹层或片状页理构造,含有机碳3%~7%,生物以笔石占绝对优势,一些地段可见硅质海绵骨针和放射虫。(6)早志
的大塘坡期,一次为震旦纪晚期的陡山沱和灯影期。留世的龙马溪期缺氧事件,在华南沉积了以龙马溪
高家边组、霞乡组(下扬子区)、连滩早古生代至少存在4次大的大洋缺氧事件,它们分组(上扬子区)、别是早寒武世的筇竹寺期,中奥陶世的庙坡期,晚奥陶世的五峰期和早志留世的龙马溪期。(1)震旦纪早期的大塘坡期黑色页岩,以湖南、贵州和四川三
省交界地区出露得最完整,厚度变化大,在湖南民乐地区超过20m,在四川秀山地区只有数米。我国若干重要的沉积碳酸锰矿床,如民乐、大塘坡、秀山,均产于早震旦世的黑色页岩中。它们可能形成于新元(2)震旦纪晚期的陡山沱和灯影期沉积的黑色页岩遍布华南。陡山沱早期沉积的黑色页岩在秀山地区1,组(粤西)为代表的黑色页岩、硅质岩和粉砂质页岩。黑色页岩水平层理发育,生物以笔石为主。沉积厚度为数米至千余米不等,一般200~500m。这次大洋缺氧事件相当于国际上的Llandovery期事件[4,38,39]。
尽管我国对华南黑色页岩的研究已有较长历史,但主要是从生物成矿作用和沉积学要是从20世纪80年代中后期才逐渐开展起来的。对黑色页岩的系统同位素工作尤为薄弱,[42~44]
古代超大陆背景基础上远离广海的封闭洋盆[21,22]。研究为主[30,31,40,41]。对大洋缺氧事件的研究,则主
146
杨競红,蒋少涌,凌洪飞,等/
地学前缘(EarthScienceFrontiers)2005,12(2)
的黑色页岩成因与古海洋环境,而且对这一时段黑色页岩层位更是缺乏精确的同位素年龄资料。对这些问题的进一步研究和最终解决,有赖于同位素新技术方法的发展和应用,其中Re-Os同位素的应用具有广阔前景。
素定年方法(如Rb-Sr、Sm-Nd、U-Th-Pb、K-Ar、Ar-Ar等),要么根本无法获得沉积岩的精确年龄,要么
所得出的年龄信息地质意义存在较大的争论[46,47]。沉积地层中富有机质的黑色页岩通常是极好的生物地层标志层。这类岩石有较高含量的长半衰期的
238
2 大洋缺氧事件和黑色页岩的Re-Os同位素定年
自然界中Re有两种同位素:Re和Re;Os有7种同位素:184Os,186Os,187Os,188Os,189Os,190Os
187
和192Os。Re通过B衰变形成187Os,导致Os同位
187
186
187
188
185
187
U、U和Re,它们在还原环境下沉淀并保存,
因此有可能通过这些同位素体系来获得沉积岩的精确沉积年代[48~51]。早期的工作曾用富有机质沉积岩的U-Pb同位素体系来确定显生宙地层年表,但由于普通Pb的确定及铀系元素的活动性,使这一同位素定年体系的应用受到限制[50]。
最近10年来,由于Re-Os同位素方法的发展
235187
素组成(如Os/Os,Os/Os)随时间而改变。和应用,人们发现富有机质沉积岩和黑色页岩十分
这一特征赋予了Re-Os同位素体系在地质定年和适合于Re-Os同位素体系定年,并可以获得精确的同位素示踪中的应用基础。
早期的Re-Os同位素研究采用以Os为标准化的N(187Os)/N(186Os)值和等时线方程:N(187Os)/N(186Os)=N(187Os)/Ni(186Os)+
N(187Re)/N(186Os)(eKt-1)
(1)
式(1)中K为Re衰变常数,t为形成年龄。但近年来的研究发现,以186Os为标准化存在许多弊端,如:(1)186Os可由190Pt衰变而来(半衰期为6.1@1011a);(2)Os可以衰变为W(但由于其半衰期很长2@1015a,该项影响可忽略不计);(3)质谱测量时,通常是测量N(187Os)/N(188Os)值,再用一恒定的N(Os)/N(Os)值标准化来求出N(Os)/N(186Os)值。不同的实验室,甚至同一实验室不同时期或不同人采用不同的N(186Os)/N(188Os)值;(4)Os的自然界丰度值(13.2%)大大高于Os(1.59%),因此能得到更精确的质谱测量值;(5)
188
188
186
186
188
187
186
182
187
186
地层沉积年龄。Rivizza和Turekian[51]通过对密西西比纪)泥盆纪界线处的Bakken页岩的研究,获得了一条(354?49)Ma的Re-Os等时线年龄,与该时代地层年龄(360Ma)相吻合。Cohen等[52]也获得了英国三条侏罗纪富有机质泥岩的Re-Os等时线年龄,分别为(207?12),(181?13),(155?4.3)Ma。这些年龄值与用其他方法获得的年龄值相吻合。Singh等[53]在印度喜马拉雅地区下寒武统黑色页岩也获得了(554?16)和(552?22)Ma的Re-Os等时线年龄,与这些样品采自前寒武系)寒武系界线之上几米的位置相吻合。
华南新元古界至早古生界地层的对比及精确定年,是一个多年未很好解决的棘手问题。尽管现有的同位素年龄资料很多,但多相互矛盾,令人信服的只有来自对地层中火山岩夹层中锆石的U-Pb年龄[56,57]。很显然,沉积地层中火山岩层的缺少和极不普遍,给锆石的U-Pb定年带来极大的局限性。然而,由于地层单元中黑色页岩的广泛而稳定的存在,黑色页岩的高精度Re-Os同位素定年为这一工作带来了新的曙光。Mao等
[45]
[54,55]
Os的同质异位素干扰少于
187
188
186
Os。因此近年来均
188
采用N(Os)/N(Os)表示法。以
化Re-Os等时线方程为
Os为标准
对华南下寒武系黑
N(187Os)/N(188Os)=N(187Os)/Ni(188Os)+
N(187Re)/N(188Os)(eKt-1)
(2)
对一组样品的测定,如果这些样品同时形成并具有同样的初始比值,且至今对Re、Os保持封闭,则可从这些样品所构成的等时线的斜率计算出样品的年龄,从等时线的截距获得初始比值[45]。沉积岩的同位素定年对精确厘定地层年表有着,色页岩中的夹层N-iMo矿石进行的Re-Os同位素
分析,获得了一条(541?16)Ma的等时线年龄。Chen等[36]对华南下寒武统底部这套黑色页岩进行了Pb同位素分析,获得了黑色页岩的Pb-Pb等时线年龄为(531?24)Ma。
对黑色页岩成功地进行Re-Os同位素定年的前提条件是这些黑色页岩中的Re和Os是直接从海水中来的,它们往往以吸附态形式存在于有机质
杨競红,蒋少涌,凌洪飞,等/
地学前缘(EarthScienceFrontiers)2005,12(2)
147
缘海的黑色页岩,如果陆源碎屑物中含一定量Re同位素特征;(3)由宇宙尘带来的Os,其N(187Os)/和Os,则可能无法获得高精度年龄。当然,通过改
进实验方法(如采用酸分步淋溶技术),仍有可能只和Os的活动性,黑色页岩沉积后经历的成岩、变质或后期热扰动事件均有可能使Re-Os同位素体系的封闭性得不到保存,从而无法获得可靠的等时线年龄。
N(Os)值接近于地幔值(~0.12)。不同地质历史时期,海水Os同位素组成的变化正是反映了这3时,则由河流带入的高放射性成因Os会使海水Os同位素值增高;而在洋底火山和热液活动剧烈期,由于大量地幔起源的低放射性成因Os的加入会使海水Os同位素组成降低(图1)。
188
将样品中自生组分提取出来分析。此外,由于Re个来源Os比例的变化。当大陆风化作用十分强烈
3 海洋沉积物和黑色页岩的Os同位
素示踪
Re-Os同位素是近年来发展起来的一种新的同位素方法,将其应用于研究黑色页岩和大洋缺氧事件,不但可以精确厘定这些事件发生的时限,而且可以有效示踪当时的古海洋环境。Re-Os同位素的应用,具有/示踪0和/定年0的双重优势。在/示踪0方面,通过现代和古代各类海相化学沉积物的Re-Os同位素组成研究,可以获得古海水的Os同位素组成及随时间的演化规律。
地质历史中海水的化学和同位素组成研究,一直是国际地学界研究的一个前沿领域。目前对古海水的C、O、S和Sr同位素演化曲线已有较多研究资料,而对古海水的Os同位素演化工作才刚刚开始。研究表明,海水中Os主要有三大来源(表1):(1)由河流带入海洋的Os,具有高放射性成因特征,N(Os)/N(Os)值很高(~1.4),反映大陆风化作用的强弱;(2)由洋中脊热液带来的或循环海水萃取地幔岩石带来的Os,具有非放射性成因特征,N(187Os)/N(188Os)值低(~0.12),反映地幔的Os
表1 现代海水及各种不同储库中的Re、Os含量及同位素组成
Table1 Re-Osdataofseawaterandvarious
geochemicalreservoirs
储库海水平均北大西洋海水西南印度洋海水中太平洋海水东太平洋海水宇宙尘海底热液(高温)海底热液(低温)3.7@1078300?70
[email protected]~3898~0.4
w(Re)/
w(Os)/
N(187Re)/
N(187Os)/N(188Os)~1.061.044?0.0241.057?0.0381.044?0.0361.066?0.038~0.1270.129~0.388
0.11
(pg#kg-1)(pg#kg-1)N(188Os)8240?708170?110
10.87?0.34
~10
4270
187
188
图1 侏罗纪和新生代海水的Os同位素演化曲线
[52]
Fig.1 VariationsintheOsisotopecompositionof
JurassicandCenozoicseawater
注意在白垩纪)第三纪和三叠纪)侏罗纪界线处均存在Os同位素比值的极低点,可能反映当时海水中或有大量由于陨石撞击事件带来的非放射成因Os或有大量由于海底热液蚀变洋壳岩石释放的非放射成因Os(参见表1)
深海粘土沉积物中酸可溶部分及海底含金属碳酸盐沉积物记录了海水的Os同位素组成[58~60]。Pegram等[58]建立了新生代以来海水的Os同位素演化曲线,发现过去50Ma以来,海水的N(Os)/N(188Os)值是逐渐升高的,特别是近15Ma以来,升高的速率加快(图1)。与海水的Sr同位素组成升高的趋势相一致。反映了这一时段造山运动及喜马拉雅抬升造成的大陆物质包括富有机质沉积岩的化学风化作用较强。
海洋N(87Sr)/N(86Sr)和N(187Os)/N(188Os)的记录与碳循环模式有关,因为海水中这些同位素比值与输运到海洋的溶解物的通量或同位素组成的改变有关。海水N(87Sr)/N(86Sr)特征常常可用来判定这些溶解物的通量[61,62],其Sr同位素组成随地质时间的变化受硅酸盐岩和碳酸盐岩的风化、沉积碳酸盐的溶解以及洋中脊热液循环的影响,所以Sr同位素组成与无机碳循环有联系。海水N(187Os)/N(188Os)组成为大洋和碳循环的输入提[63]187
杨競红,蒋少涌,凌洪飞,等/
地学前缘(EarthScienceFrontiers)2005,12(2)
147
缘海的黑色页岩,如果陆源碎屑物中含一定量Re同位素特征;(3)由宇宙尘带来的Os,其N(187Os)/和Os,则可能无法获得高精度年龄。当然,通过改
进实验方法(如采用酸分步淋溶技术),仍有可能只和Os的活动性,黑色页岩沉积后经历的成岩、变质或后期热扰动事件均有可能使Re-Os同位素体系的封闭性得不到保存,从而无法获得可靠的等时线年龄。
N(Os)值接近于地幔值(~0.12)。不同地质历史时期,海水Os同位素组成的变化正是反映了这3时,则由河流带入的高放射性成因Os会使海水Os同位素值增高;而在洋底火山和热液活动剧烈期,由于大量地幔起源的低放射性成因Os的加入会使海水Os同位素组成降低(图1)。
188
将样品中自生组分提取出来分析。此外,由于Re个来源Os比例的变化。当大陆风化作用十分强烈
3 海洋沉积物和黑色页岩的Os同位
素示踪
Re-Os同位素是近年来发展起来的一种新的同位素方法,将其应用于研究黑色页岩和大洋缺氧事件,不但可以精确厘定这些事件发生的时限,而且可以有效示踪当时的古海洋环境。Re-Os同位素的应用,具有/示踪0和/定年0的双重优势。在/示踪0方面,通过现代和古代各类海相化学沉积物的Re-Os同位素组成研究,可以获得古海水的Os同位素组成及随时间的演化规律。
地质历史中海水的化学和同位素组成研究,一直是国际地学界研究的一个前沿领域。目前对古海水的C、O、S和Sr同位素演化曲线已有较多研究资料,而对古海水的Os同位素演化工作才刚刚开始。研究表明,海水中Os主要有三大来源(表1):(1)由河流带入海洋的Os,具有高放射性成因特征,N(Os)/N(Os)值很高(~1.4),反映大陆风化作用的强弱;(2)由洋中脊热液带来的或循环海水萃取地幔岩石带来的Os,具有非放射性成因特征,N(187Os)/N(188Os)值低(~0.12),反映地幔的Os
表1 现代海水及各种不同储库中的Re、Os含量及同位素组成
Table1 Re-Osdataofseawaterandvarious
geochemicalreservoirs
储库海水平均北大西洋海水西南印度洋海水中太平洋海水东太平洋海水宇宙尘海底热液(高温)海底热液(低温)3.7@1078300?70
[email protected]~3898~0.4
w(Re)/
w(Os)/
N(187Re)/
N(187Os)/N(188Os)~1.061.044?0.0241.057?0.0381.044?0.0361.066?0.038~0.1270.129~0.388
0.11
(pg#kg-1)(pg#kg-1)N(188Os)8240?708170?110
10.87?0.34
~10
4270
187
188
图1 侏罗纪和新生代海水的Os同位素演化曲线
[52]
Fig.1 VariationsintheOsisotopecompositionof
JurassicandCenozoicseawater
注意在白垩纪)第三纪和三叠纪)侏罗纪界线处均存在Os同位素比值的极低点,可能反映当时海水中或有大量由于陨石撞击事件带来的非放射成因Os或有大量由于海底热液蚀变洋壳岩石释放的非放射成因Os(参见表1)
深海粘土沉积物中酸可溶部分及海底含金属碳酸盐沉积物记录了海水的Os同位素组成[58~60]。Pegram等[58]建立了新生代以来海水的Os同位素演化曲线,发现过去50Ma以来,海水的N(Os)/N(188Os)值是逐渐升高的,特别是近15Ma以来,升高的速率加快(图1)。与海水的Sr同位素组成升高的趋势相一致。反映了这一时段造山运动及喜马拉雅抬升造成的大陆物质包括富有机质沉积岩的化学风化作用较强。
海洋N(87Sr)/N(86Sr)和N(187Os)/N(188Os)的记录与碳循环模式有关,因为海水中这些同位素比值与输运到海洋的溶解物的通量或同位素组成的改变有关。海水N(87Sr)/N(86Sr)特征常常可用来判定这些溶解物的通量[61,62],其Sr同位素组成随地质时间的变化受硅酸盐岩和碳酸盐岩的风化、沉积碳酸盐的溶解以及洋中脊热液循环的影响,所以Sr同位素组成与无机碳循环有联系。海水N(187Os)/N(188Os)组成为大洋和碳循环的输入提[63]187
148
[58]
杨競红,蒋少涌,凌洪飞,等/
地学前缘(EarthScienceFrontiers)2005,12(2)
有机碳循环有关[58,64],还可能受硅酸盐岩风化的影响,但它不受碳酸盐风化的影响。由于Sr与Os同位素示踪体系与C循环有着完全不同的联系方式,因此两者的同位素组成可为探索气候碳循环问题提供一个全新的视角。
Cohen等[52]通过对富有机质泥岩的Re-Os同位素研究,获得了侏罗纪海水的Os同位素组成变化情况(图1)。早侏罗世早期(Hettangian期),海水的N(187Os)/N(188Os)值极低,为0.15,到早侏罗世晚期(Toarcian期),N(Os)/N(Os)值上升至0.8,晚侏罗世(Kimmeridgain期)海水的N(187Os)/N(188Os)值又稍有下降,为0.59。因此,在Het-tangian期,海水中通过海底热液蚀变地幔玄武岩带来的非放射成因Os占绝对优势,此时大陆风化作用极其微弱。这些Re-Os同位素数据同时支持在Pangea大陆裂解前,是热液活动和火山作用的繁盛阶段。
对印度喜马拉雅地区下寒武统黑色页岩的Re-Os同位素分析表明,这些岩石的Os含量很高,是地壳平均Os含量的50倍以上。因此,Singh等[58]认为这些黑色页岩的Os主要来源于海水,因此其初始N(Os)/N(Os)值(1.18)记录了当时海水的Os同位素组成。这一结果表明,寒武纪海水的Os同位素组成比现代大洋水的(0.9)要高。Singh等推测寒武纪早期时大陆风化作用可能比现代还要强烈,因此有更多的放射成因Os被河流带入大洋中。最近Jiang等
[35]
187
188
[53,65]
187
188
[4] LEGGETTJK.BritishLowerPalaeozoicblackshalesand
theirpalaeoceanographicsignificance[J].JGeolSocLondon,1980,137(1):139-156.
[5] ARTHURMA,SAGEMANBB.Marineblackshales:
Depositionalmechanismsandenvironmentsofancientdepos-its[J].AnnuRevEarthPlanetSci,1994,22:499-551.[6] KRIBEKB.Mineralizationinanoxicenvironments[J].Min-eraliumDeposita,1991,2:122-131.
[7] JENKINSGS.Anearlysnowballearth[J]?Science,1998,
282:1643.
[8] HSBKJ.StrangeloveoceanbeforetheCambrianexplosion
[J].Nature,1985,316:809-811.
[9] WEILAB.TheProterozoicsupercontinentRodinia:Palaeo-magnetically-derivedreconstructionsfor1100to800Ma[J].EarthPlanetSciLett,1996,154:13-24.[10] CHRISTIEBN.
ConsideringaNeoproterozoicsnowball
Earth[J].Science,1999,284:1087.
[11] JENKYNSHC.TheearlyToarcianandCenomania-Turon-i
ananoxiceventinEurope:Comparisonsandcontrasts[J].GeologischeRundschau,1985,74:505-518.
[12] FISHERAG,ARTHURMA.Secularvariationsinthepe-lagicrealm[J].SpecPublSocEconPaleontMineral,1977,25:19-50.
[13] JINYG,WANGY,WANGW.Patternofmarinemassex-tinctionnearthePermian-TriassicboundaryinSouthChina[J].Science,2000,289:432-436.
[14] RENNEPR,ZHANGZ,RICHARDSMA.Synchronyand
causalrelationsbetweenPermian-TriassicboundarycrisesandSiberianfloodvolcanism[J].Science,1995,269:1413-1416.[15] SMITHJ,KLAVERG.SanidinespherulesattheCreta-ceous-Tertiaryboundaryindicatealargeimpactevent[J].Nature,1981,292:47-49.
[16] COSTINVA.IridiumanomalyfromtheAcramanimpacte-jecta:Impactscanproducesedimentaryiridiumpeaks[J].Nature,1989,340:542-544.
[17] HSBKJ,SUNS.OceanbeforeCambrianexplosion[J].
ScientiaGeologicaSinica,1986,1:1-10(inChinese).[18] JIANGYuehua,YUEWenzhe,YEZhizheng.Characteris-tics,sedimentaryenvironmentandoriginoftheLowerCam-brianstone-likecoalinSouthernChina[J].ChineseCoalGe-ology,1994,6(4):26-31(inChinese).
[19] LIRenwei,LUJialan,ZHANGShukun,etal.Organiccarbon
isotopecompositionofblackshalesfromSinianandEarlyCambrian[J].ScienceinChina(SeriesD),1999,29(4):351-357(inChinese).
[20] JIANGYuehua,YUEWenzhe,YEZhizheng.Anoxicevent,
blackshale,andrelatedmineralresource:TakingtheLowerPaleozoicinSouthChinaasanexample[J].GeologicalEx-plorationforNon-ferrousMetals,1994,3:272-278(inCh-inese).
LIRW,SZHANGSTsceof对华南下寒武统底部黑
187
色页岩的Re-Os同位素分析表明,其N(Os)/N(188Os)初始比值为0.80。Jiang等综合分析了PGE地球化学特征与Re-Os同位素特征,认为部分成矿金属元素可能由海底热液提供。References:
[1] SCHLANGERSO,JENKYNSHC.Cretaceousoceanican-oxicevents:Causeandconsequence[J].GeolMijnbown,1976,55:179-184.
[2] ARTHURMA,SCHLANGERSO,JENKYNSHC.The
Cenomanian-Turonianoceanicanoxicevent,II)Palaeoceano-graphiccontrolsonorganic-matterproductionandpreserva-tion[A].BROOKSJ,FLEETAJ.MarinePetroleumSourceRocks[M].1987:401-420.
[3] BERRYWBN,WILDEP.Progressiveventilationoftheo-ceans)AnexplanationforthedistributionoftheLowerPa-oic[J].AmerJSci,-
杨競红,蒋少涌,凌洪飞,等/
地学前缘(EarthScienceFrontiers)2005,12(2)
MetalsandMaterialsSociety,1993,1:369-375.
149
ganicmatterinformationoftheMinlemanganeseoredepos-it,China[A].14thInternationalSedimentologicalCon-gress,Recife,Agosto,1994.
[22] LIRenwei,ZHANGShukun,LEIJiajin.Temporalandspe-cialvariationinD34Svaluesofpyritefromsinianstratadiscus-siononrelationshipbetweenYangtzeblockandtheLateProt-erozoicsupercontinent[J].ScientiaGeologicaSinica,1996,3:209-217(inChinese).
[23] YELianjun.ChinesePhosphorite[M].Beijing:Science
Press,1989(inChinese).
[24] LIUYuanjun,JINGuangfu,XIEFapeng.Thecrustaltex-turestyleandevolutioninthemiddlesegmentofQinling-Da-bieOrogen[J].HubeiGeology,1996,10(2):22-37(inCh-inese).
[25] ZHUANGHanping,LUJialan,FUJiamo.Metamorphic
mineralizationevidenceforAg-VdepositinBaiguoyuan,Hu-bei[J].ChineseScienceBulletin,1998,43(12):1328-1331(inChinese).
[26] YUANXunlai,XIAOShuhai,YINLeiming.Organismdur-ingDoushantuoPeriod)LifeBeforeOrganismRadiation[M].Hefei:PublishingHouseofChineseScienceandTech-niqueInstitute,2002(inChinese).
[27] CONWAYMS.TheBurgessshalefaunasandtheCambrian
explosion[J].Science,1989,246:339-346.
[28] STEINERM,MEHLD,REITNERJ,etal.Oldestentirely
preservedspongesandotherfossilsfromtheLowermostCambrianandanewfaciesreconstructionsoftheYangtzePlatform(China)[J].BerlinerGeowissenschaftlicheAbhan-dlungen,ReicheE,1993,9:293-329.
[29] STEINERM,WALLISE,ERDTMANNBD,etal.Sub-marine-hydrothermalexhalativeorelayersinblackshalesfromSouthChinaandassociatedfossils)InsightsintoaLow-erCambrianfaciesandbio-evolution[J].Palaeogeography,Palaeoclimatology,Palaeoecology,2001,169:165-191.
[30] FANDelian,YANGXiuzhen,WANGLianfang.Petrolog-i
calandgeochemicalcharacteristicsofN-iMopolymetallicblackshalesystem[J].Geochemistry,1973,3:143-163(inChinese).
[31] FANDelian.PolyelementsintheLowerCambrianblack
shaleseriesinsouthernChina[J].AUGUSTITHISSS.TheSignificanceofTraceMetalinSolvingPetrogeneticProb-lemsandControversies[M].Athens:TheophrastusPublica-tionsSA,1983:447-474.
[32] LIShengrong,GAOZhenmin.Originofmetalelementsin
blackshalesofEarlyCambrian,HunanandSichuanprov-inces[J].ScienceinChina(SeriesD),2000,30(2):169-174(inChinese).
[33] COVENEYRMJr,GRAUCHRI,MUROWECHICKJB.
Oremineralogyofnicke-lmolybdenumsulfidebedshostedbyblackshalesofSouthChina[A].REDDYRG,WEIZEN-N.hePaulEQuSy)xtivMetallurgyofCopper,NickleandCobalt[C].Minerals,[34] LOTTDA,COVENEYRMJr,MUROWECHICKJB,et
al.Sedimentaryexhalativenickle-molybdenumoresinSouthChina[J].EconGeol,1999,94:1051-1066.
[35] JIANGSY,LINGHF,YANGJH,etal.Re-Osisotopes
andPGEgeochemistryofblackshalesandintercalatedN-iMopolymetallicsulfidebedfromtheLowerCambrianNiutitangFormation,SouthChina[J].ProgressinNaturalScience,2003,13(10):788-794.
[36] CHENYQ,JIANGSY,LINGHF,etal.Pb-Pbisotope
datingofblackshalesfromtheLowerCambrianNiutitangFormation,Guizhouprovince,SouthChina[J].ProgressinNaturalScience,2003,13(10):771-776.
[37] LIRenwei.OrganicCoagulation,HeatEvolution,andRe-searchofOreDepositinYangtzPlatform[M].Beijing:O-ceanPublishingHouse,1993:65-83(inChinese).
[38] LEGGETTJK.EustacyandpelagicregimesintheIapetus
OceanduringtheOrdovicianandSilurian[J].EarthPlanetSciLett,1978,41:163-169.
[39] MCKERROWWS.OrdovicianandSilurianchangesinsea
level[J].JGeolSocLondon,1979,136:137-145.
[40] YELianjun.OrganicEffectonMineralization[M].Be-i
jing:OceanPublishingHouse,1996(inChinese).
[41] YINHongfu.OrganicMineralizationSystem[M].Wuhan:
ChinaUniversityofGeosciencesPress,1999(inChinese).[42] WANGChengshan,YEHongzhuan,TIANHongjun.Geol-ogyrecordandglobaltectonic,resource,rhythmandevents[J].Paleo-Lithofacies,1987,5:13-33(inChinese).[43] ZHANGAiyun,WUDamao,GUOLina.Geochemistryand
EffectonMineralizationofBlackShalesOccurringinOce-anicFacies[M].Beijing:SciencePress,1987:240(inCh-inese).
[44] CHENXu,XIAOChengxie,CHENHongye.Anoxicenv-i
ronmentanddeviationofgraptusfaunainWufengEra[J].ActaPalaeontologicaSinica,1987,26(3):326-344(inCh-inese).
[45] MAOJW,LEHMANNB,DUAD,etal.Re-Osdatingof
polymetallicN-iMo-PGE-AumineralizationinLowerCam-brainblackshalesofSouthChinaanditsgeologicsignificance[J].EconomicGeology,2002,97:1051-1061.
[46] PERRYEA,TUREKIANKK.Theeffectsofdiagenesison
theredistributionofstrontiumisotopesinshales[J].GeochimCosmochimActa,1974,38:929-935.
[47] MORTONJP.Rb-Srdatingofdiagenesisandsourceageof
claysinUpperDevonianblackshalesofTexas[J].GeolSocAmerBull,1985,96:1043-1049.
[48] SWANSONVE.Oilyieldanduraniumcontentofblack
shales[J].USGeolSurvProfPaper,1960,356-A:43.[49] POPLAVKOYM,IVANOVVV,LONGINOVALG.Be-ofothermetalsincentral
150
杨競红,蒋少涌,凌洪飞,等/
地学前缘(EarthScienceFrontiers)2005,12(2)
187Os/186Os
sianshales[J].Geokhimiya,1977,2:273-283.
[50] COBBJC,KULPJL.Isotopicgeochemistryofuraniumand
leadintheSwedishkolmanditsassociatedshale[J].GeochimCosmochimActa,1961,24:226-249.
[51] RAVIZZAGE,TUREKIANKK.Applicationofthe
ta,1989,53:3257-3262.
[52] COHENAS,COEAL,BARTLETTJM,etal.Precise
Re-Osagesoforganic-richmudrocksandtheOsisotopecom-positionofJurassicseawater[J].EarthPlanetSciLett,1999,167:159-173.
[53] SINGHSK,TRIVEDIJR,KRISHNASWAMIS.Re-Os-i
sotopesystematicsinblackshalesfromtheLesserHimalaya:Theirchronologyandroleinthe187Os/188Osevolutionofsea-water[J].GeochimCosmochimActa,1999,63:2381-2392.
[54] XINGYusheng,YINChongyu,GAOLinzhi.Siniancatego-ry,epoch,andclassify[J].Geoscience,1999,2:202-204(inChinese).
[55] LUSongnian.AreviewonsubdivisionofProterozoicEonin
China[J].ProgressinPrecambrianResearch,1998,21(4):1-9(inChinese).
[56] COMPSTONW,WILLIAMSIS,KIRSCHVINKJL.Zir-conU-PbagesfortheEarlyCambriantime-scale[J].JourGeolSocLondon,1992,149:171-184.
[57] JENKINSRJF,COOPERJA,COMPSTONW.Ageand
biostratigraphyofEarlyCambriantuffsfromSEAustraliaandSouthernChina[J].JourGeolSocLondon,2002,159:645-658.
[58] PEGRAMWJ,KRISHNASWAMIS,RAVIZZAGE,et
al.Recordofseawater
187
187
[64] RAVIZZAGE.Variationsofofseawaterover
thepast28millionyearsasinferredfrommetalliferouscar-bonates[J].EarthPlanetSciLett,1993,118:335-348.[65] SHIREYSB,WALKERRJ.TheRe-Osisotopesystemin
cosmochemistryandhigh-temperaturegeochemistry[J].An-nuRevEarthPlanetSci,1998,26:423-500.
Re-
187
Os
systemtoblackshalegeochronometry[J].GeochimCosmochimAc-
参考文献:
[17] 许靖华,孙枢.寒武纪生物爆发前的死劫难海洋[J].地质科
学,1986,1:1-10.
[18] 姜月华,岳文浙,业治铮.中国南方下寒武统石煤的特征、沉
积环境和成因[J].中国煤田地质,1994,6(4):26-31.
[19] 李任伟,卢家烂,张淑坤,等.震旦纪和早寒武世黑色页岩有机
碳同位素组成[J].中国科学(D),1999,29(4):351-357.[20] 姜月华,岳文浙,业治铮.华南下古生界缺氧事件与黑色页岩
及有关矿产[J].有色金属矿产与勘查,1994,3:272-278.[22] 李任伟,张淑坤,雷加锦.震旦纪地层黄铁矿硫同位素组成时
空变化特征及扬子地块与晚元古代超大陆的讨论[J].地质科学,1996,3:209-217.
[23] 叶连俊.中国磷块岩[M].北京:科学出版社,1989.
[24] 刘源骏,金光富,谢发鹏.一个大型黑色岩系银钒矿床成矿作
用及成矿环境的讨论[J].湖北地质,1996,10(2):22-37.[25] 庄汉平,卢家烂,傅家漠.湖北兴山白果园黑色页岩型银钒矿
床改造成矿作用的证据[J].科学通报,1998,43(12):1328-1331.
[26] 袁训来,肖书海,尹磊明.陡山沱期生物群)))早期动物辐射
前夕的生命[M].合肥:中国科学技术大学出版社,2002.[30] 范德廉,杨秀珍,王连芳.某地下寒武统含镍钼多元素黑色岩
系的岩石学及地球化学特点[J].地球化学,1973,3:143-164.[32] 李胜荣,高振敏.湘黔寒武系底部黑色岩系贵金属元素来源示
踪[J].中国科学(D),2000,30(2):169-174.
[37] 李任伟.扬子地台早古生代沉积有机质的聚集、热演化及成矿
作用研究[M].北京:海洋出版社,1993:65-83.
[40] 叶连俊.生物有机质成矿作用[M].北京:海洋出版社,1996.[41] 殷鸿福.生物成矿系统论[M].武汉:中国地质大学出版社,
1999.
[42] 王成善,叶红专,田洪均.白垩纪地质记录与全球地质作用、资
源、韵律和事件[J].岩相古地理通讯,1987,5:13-33.
[43] 张爱云,伍大茂,郭丽娜.海相黑色页岩建造地球化学与成矿
意义[M].北京:科学出版社,1987:240.
[44] 陈旭,肖承协,陈洪冶.华南五峰期笔石动物群的分异及缺氧
环境[J].古生物学报,1987,26(3):326-344.
[54] 邢裕盛,尹崇玉,高林志.震旦系的范畴、时限及内部划分[J].
现代地质,1999,2:202-204.
[55] 陆松年.关于中国元古宙地质年代划分几个问题的讨论[J].
前寒武纪研究进展,1998,21(4):1-9.
Os/186OsvariationthroughtheCe-
nozoic[J].EarthPlanetSciLett,1992,113:569-576.
[59] EHRENBRINKBP,RAVIZZAGE,HOFMANNAW.
Themarine
187Os/186Os
recordofthepast80millionyears
[J].EarthPlanetSciLett,1995,130:155-167.
[60] REUSHDN,RAVIZZAGE,MAASCHKA,etal.Mio-ceneseawater
187Os/186Os
ratiosinferredfrommetalliferous
carbonates[J].EarthPlanetSciLett,1998,160:163-178.
[61] RICHTERFM,ROWLEYDB,DEPAOLODJ.Srisotope
evolutionofseawater:Theroleoftectonics[J].EarthPlanetSciLett,1992,109:11-23.
[62] GODD*RISY,FRANCOISLM.TheCenozoicevolutionof
thestrontiumandcarboncycles:Relativeimportanceofcon-tinentalerosionandmantleexchanges[J].ChemGeol,1995,126:169-190.
[63] PALMERMR,EDMONDJM.Thestrontiumisotope
budgetofthemodernocean[J].EarthPlanetSciLett,1989,92:11-26.
第12卷第2期2005年4月
地学前缘(中国地质大学,北京;北京大学)
EarthScienceFrontiers(ChinaUniversityofGeosciences,Beijing;PekingUniversity)
Vol.12No.2Apr.2005
黑色页岩与大洋缺氧事件的Re-Os同位素示踪与定年研究
杨競红
1,2,3
, 蒋少涌
1,2
, 凌洪飞
1,2
, 陈永权
1,2
1.南京大学地球科学系成矿作用国家重点实验室,江苏南京2100932.南京大学海洋地球化学研究中心,江苏南京2100933.南京大学海岛海岸带教育部重点实验室,江苏南京210093
YANGJing-hong1,2,3, JIANGShao-yong1,2, LINGHong-fei1,2, CHENYong-quan1,2
1.StateKeyLaboratoryforMineralDepositsResearch,DepartmentofEarthSciences,NanjingUniversity,Nanjing210093,China2.MarineGeochemistryResearchCenter,NanjingUniversity,Nanjing210093,China
3.KeyLaboratoryofCoastandIslandDevelopmentoftheMinistryofEducationofChina,NanjingUniversity,Nanjing210093,China
YANGJing-hong,JIANGShao-yong,LINGHong-fei,etal.Re-Osisotopetracinganddatingofblackshalesandoceanicanoxicevents.EarthScienceFrontiers,2005,12(2):143-150
Abstract:OceanicanoxiceventstookplacemanytimesinEarthpshistory.Theseeventsusuallyproducedlargeamountsofblackshaledeposition.Thestudyontheoriginandpreciseageoftheseoceanicanoxiceventshasbecomeoneofthefrontierresearchareasinpalaeo-oceanography.Thestudyofoceanicanoxiceventscanhelpusbetterunderstandthepalaeo-oceanenvironmentalchanges,theevolutionoftheearthsystemandtheeffectofotherEarthpsspherestothebiosphere,aswellasoregenesis,andhydrocarbonformation.Inrecentyearsthestudyofoceanicanoxiceventshasfocusedonvariousaspectssuchaspalaeo-oceanography,palaeoclimato-logy,palaeogeography,palaeontology,tectonics,geologyandgeochemistry.Amongthesestudies,theprecisedatingoftheoceanicanoxiceventsisoneofthekeytasks.Iftheappliedisotopicsystemscan,atthesametime,provideinformationonpalaeo-oceanicenvironmentalchange,thesewillenhanceourunderstandingofthegenesisoftheoceanicanoxicevents.TheRe-Osisotopesystemisoneofrecentlydevelopednewgeochemicaltechnique,whichcanservethesepurposes.Theorganic-richblackshalesareverysuitableforRe-Osisotopedating,andpreciseagescanbeobtained.Furthermore,usingOsisotopedataofmarinesediments,wecanalsoobtaininformationonpaleo-seawaterOsisotopiccompositionsandtheirevolutionduringgeologicaltimes.InSouthChina,severa-lperiodsofoceanicanoxiceventsoccurredfromtheNeoproterozoictotheCambrian,andhugethicknessofblackshalesdeposited.Therefore,usingRe-Osisotopemethod,wecannotonlyestimatethetimeofsuchevents,butalsoeffectivelytracethepaleo-oceanicenvironment.
Keywords:Re-Osisotope;oceanicanoxicevents;blackshale;palaeo-oceanicenvironment;dating
摘 要:地质历史中发育多次大规模的大洋缺氧事件并伴随有巨量的黑色页岩沉积,对这些大洋缺氧事件发生时限及成因机制的研究已成为当前国际古海洋学研究的一个前沿领域。开展对大洋缺氧事件的研究,有助于了解古海洋演化、地球系统变化和地球其他圈层对生物圈的影响,以及金属成矿、油气形成及生烃环境。因
收稿日期:20041210;修回日期:20041222
基金项目:国家自然科学基金资助项目(40372059;40221301;40172041;40332020)
作者简介:杨競红(1964) ),女,副教授,主要从事海洋地球化学和同位素地球化学研究。电话:025-3596669;E-mail:[email protected]
144
杨競红,蒋少涌,凌洪飞,等/
地学前缘(EarthScienceFrontiers)2005,12(2)
此近年来人们从古海洋、古气候、古地理、古生物、大地构造和地质地球化学等学科,积极开展对大洋缺氧事件的研究。对大洋缺氧事件进行准确定年则是研究工作开展的首要任务之一;而如果用于定年的同位素体系能同时提供相关的环境变迁信息,则更加有利于我们对缺氧事件成因机制的认识。Re-Os同位素作为近年来发展起来的一种新的同位素技术方法,恰好适用于对富有机质沉积岩和黑色页岩的定年,可以获得精确的地层沉积年龄,同时利用这些海洋沉积物的Os同位素比值还可获得古海水的Os同位素组成及随时间的演化规律。在中国华南地区新元古代)早古生代发育有多幕次的大洋缺氧事件和黑色页岩的巨厚沉积和广泛分布,利用Re-Os同位素研究,不但可以精确厘定这些事件发生的时限,而且可以有效示踪当时的古海洋环境。关键词:Re-Os同位素;大洋缺氧事件;黑色页岩;古海洋环境;定年
中图分类号:P53916;P597 文献标识码:A 文章编号:10052321(2005)02014308
最近10年来,由于Re、Os化学分离方法和同位素质谱测量方法的革新,使高精度、高灵敏度Re-Os同位素测量成为现实,从而使Re-Os同位素方法在地球科学各个领域得到广泛应用,并取得了显著的成效。在古海洋的研究中,Re-Os同位素体系以其独特的性质,在岩石定年及示踪上对揭示地球演化历史具有重要意义。近年来,应用Re、Os独特的地球化学性质开展了大量与古海洋有关的研究,如通过分析近现代大洋底富金属碳酸盐软泥、富有机质泥岩和古代黑色页岩来推断古海水Os同位素演化。全球大洋广泛分布的富含有机质的黑色页岩,具有重要的学术价值和潜在的经济价值,缺氧环境研究已成为近20年来的一个研究热点,Re-Os
气候、古地理、生物复苏机制和板块构造关系的认识,并可能为主要气候和板块变化的海洋响应提供
更精确的答案,它对于了解地球系统变化及其他圈层对生物圈的影响以及金属成矿、油气形成与生烃环境的评价也具有十分重要的意义。
在地球的历史演化长河中,新元古代至早古生代这一时段由于有全球性的超大陆裂解、雪球事件和寒武纪生命大爆发等的发生而格外引人注目[7~10]。此时的海洋环境和生物演化中发生了多次全球性的突变事件,通常在海相沉积岩中记录了这些事件所造成的海洋学、生物学、地球化学、气候和古环境等各个方面的变化。对这些事件的研究,一直是国际地学界关注的热点,并成为多个国际地质对比计划的重点研究对象之一。例如,IGCP-199地层中的全球性地质事件开展过系统研究;IGCP-216项目/GlobalBio-events0则对全球的生命事件和世界大洋中有机质的广泛堆积事件展开研究;IGCP-293项目/GeochemicalEventMarkersinthePhanerozoic0则尤其重视显生宙以来事件地球化学标志层的研究。
目前对全球性的多次/大洋缺氧事件0的发生及其演化机理仍旧存在很大争论。大洋缺氧事件发生的结果,造成了富含有机碳和多种金属的黑色页岩的大量沉积。当时,海洋中生物生产力极高、生物大量繁殖和大批死亡,这些生物遗骸在海底沉积,大大消耗了海底水中溶解的有限浓度的O2,造成严重缺氧的还原环境。由于地壳的构造运动,海底扩张速度加剧、洋盆的打开,此时伴随地史上较大的海侵。例如,对白垩纪中期大洋缺氧时期的研究表明,当时海平面可能比现代高出350m,足以淹没现代陆地面积的35%。也有人认为[4],大规模的海侵事件是由于冰川消融引起的海平面上升造成的。大规,[3]
[3~6]
同位素体系也由此在古海洋的研究中起着重要的不
可替代的作用。对大洋缺氧事件(OceanicAnoxic项目/RareEventsinGeology0对记录在海相沉积Events,简称OAE)与黑色页岩的Re-Os同位素研究,不但可以用于示踪其成因,而且有可能精确厘定其形成年龄。本文综述了近年来国内外在这一领域开展的一些探索性研究及其进展情况,以期抛砖引玉,推动我国Re-Os同位素在古海洋学中的广泛应用。
1 大洋缺氧事件
大洋缺氧事件这一概念最早是由Schlanger和Jenkyns于1976年提出来的[1],用于解释深海钻探中发现的白垩纪沉积层中的/黑色页岩0的成因。之后,大量的研究表明,大洋缺氧事件在地质历史之中不同时期均普遍存在[2~4]。所谓大洋缺氧事件,是指在相对短暂的某些特定地史时间内,全球或局部海域海洋水体中贫氧层(主要指中底层水)膨大或强化的一种作用。此时,海洋生物大量死亡或灭绝,有机碳大量埋藏,海水的DC值出现大的正漂移。对,13
杨競红,蒋少涌,凌洪飞,等/
地学前缘(EarthScienceFrontiers)2005,12(2)
145
量埋藏并带走大量的12C,这是由于生物通过光合作用固碳,优先吸收大气CO2中的C,致使大气中CO2由于得不到或很少得到C的补充,从而造成大气CO2的DC值明显升高
[13,14]
13
[11,12]12
12
积的黑色页岩达数米至数十米。陡山沱期也是我国地史上重要的成磷期。在湖北的陡山沱组黑色
页岩中还发育一种特殊类型的大型Ag-V矿床[24,25]。陡山沱组是新元古代全球性的雪球事件即南沱冰期结束后的第一套沉积地层,主要是由白云岩夹黑色页岩组成的一套地层层序。在这套地层中先后发现了代表新元古代末期的生物大辐射事件的瓮安生物群、庙河生物群和蓝田植物群[26]。因此对陡山沱组地层的研究具有重要的经济意义和早期生命演化意义。灯影期沉积了一套黑色硅质岩夹黑色页岩,称留茶坡组。(3)早寒武世的黑色页岩沉积在华南各省均有大量分布。这些黑色页岩沉积层位稳定,厚度几十米至数百米,个别地区近千米。黑色页岩中有机碳含量为1%~13%。这套黑色页岩的产出与寒武纪生命大爆发事件紧密相联[27~29]。同时这套岩系中富含N-iMo-Se-Re-As-Hg-Sb-Au-Ag-PGE和P等数十种金属和非金属成矿元
素[30~36],因而得到了国内外地质学家的广泛关注和研究。(4)中奥陶世的庙坡期黑色页岩也在华南诸省大面积分布,厚度从几米至几十米不等。黑色页岩水平微层理十分发育,黄铁矿多,笔石化石普遍出现,也有放射虫和硅质海绵骨针。黑色页岩中有机碳含量为1%~6%
[37][23]
。一些研究表
明,全球性大洋缺氧事件发生之初,往往伴随剧烈的火山喷发,使地球深部的大量还原性气体进入大气圈,从而破坏了原先建立的大气圈水圈生物圈之间的平衡关系,因此全球火山喷发可能是造成全球缺氧和生物灭绝的主要原因。也有相当多的研究者坚持/外星撞击地球说0[8,15~17]。低纬度地区上升洋流的活动很可能也是形成缺氧事件的一个重要因素。缺氧沉积中有机质的富集,磷的高含量,硅质生物尤其是放射虫化石的大量发育,均表明当时上升洋流的存在。上升洋流一般为贫氧但富含营养物(磷酸盐和硝酸盐类)和硅质的海流,它可促使表层水域中的生物高度繁盛,这些生物遗体沉至水底增加了深水环境中氧的消耗,从而在上升洋流之下形成缺氧环境。
总而言之,地质历史中大洋缺氧事件的形成很可能与多种不同的地质过程有密切关系,如(1)古海洋学过程,包括全球海水化学成分的变化、古洋流的变化和海洋生物生产力的变化等;(2)构造过程,包括海道的开启或闭合、大陆板块的聚合与离散等;(3)气候过程,包括温室效应、冰期间冰期递变等;(4)海平面变化过程,如海平面的剧烈升降等。因此,对大洋缺氧事件的研究方兴未艾,任重而道远。
我国华南新元古代)早古生代发育多幕次的大洋缺氧事件,表现为黑色页岩的巨厚沉积和广泛分布。已有研究表明[18~20],华南新元古代至少发育两次大的大洋缺氧事件,一次为新元古代震旦纪早期
[18~20]
。这次大洋缺氧事件相当于
[4,38,39]
国际上的Caradocian期事件。中奥陶世庙坡期也是华南沉积锰矿重要的形成期之一,产有如桃江响涛锰矿。(5)晚奥陶世的五峰期的缺氧事件,造成了黑色页岩、黑色硅质岩和泥页岩在华南的广泛分布。黑色页岩多呈层状,具mm级纹层或片状页理构造,含有机碳3%~7%,生物以笔石占绝对优势,一些地段可见硅质海绵骨针和放射虫。(6)早志
的大塘坡期,一次为震旦纪晚期的陡山沱和灯影期。留世的龙马溪期缺氧事件,在华南沉积了以龙马溪
高家边组、霞乡组(下扬子区)、连滩早古生代至少存在4次大的大洋缺氧事件,它们分组(上扬子区)、别是早寒武世的筇竹寺期,中奥陶世的庙坡期,晚奥陶世的五峰期和早志留世的龙马溪期。(1)震旦纪早期的大塘坡期黑色页岩,以湖南、贵州和四川三
省交界地区出露得最完整,厚度变化大,在湖南民乐地区超过20m,在四川秀山地区只有数米。我国若干重要的沉积碳酸锰矿床,如民乐、大塘坡、秀山,均产于早震旦世的黑色页岩中。它们可能形成于新元(2)震旦纪晚期的陡山沱和灯影期沉积的黑色页岩遍布华南。陡山沱早期沉积的黑色页岩在秀山地区1,组(粤西)为代表的黑色页岩、硅质岩和粉砂质页岩。黑色页岩水平层理发育,生物以笔石为主。沉积厚度为数米至千余米不等,一般200~500m。这次大洋缺氧事件相当于国际上的Llandovery期事件[4,38,39]。
尽管我国对华南黑色页岩的研究已有较长历史,但主要是从生物成矿作用和沉积学要是从20世纪80年代中后期才逐渐开展起来的。对黑色页岩的系统同位素工作尤为薄弱,[42~44]
古代超大陆背景基础上远离广海的封闭洋盆[21,22]。研究为主[30,31,40,41]。对大洋缺氧事件的研究,则主
146
杨競红,蒋少涌,凌洪飞,等/
地学前缘(EarthScienceFrontiers)2005,12(2)
的黑色页岩成因与古海洋环境,而且对这一时段黑色页岩层位更是缺乏精确的同位素年龄资料。对这些问题的进一步研究和最终解决,有赖于同位素新技术方法的发展和应用,其中Re-Os同位素的应用具有广阔前景。
素定年方法(如Rb-Sr、Sm-Nd、U-Th-Pb、K-Ar、Ar-Ar等),要么根本无法获得沉积岩的精确年龄,要么
所得出的年龄信息地质意义存在较大的争论[46,47]。沉积地层中富有机质的黑色页岩通常是极好的生物地层标志层。这类岩石有较高含量的长半衰期的
238
2 大洋缺氧事件和黑色页岩的Re-Os同位素定年
自然界中Re有两种同位素:Re和Re;Os有7种同位素:184Os,186Os,187Os,188Os,189Os,190Os
187
和192Os。Re通过B衰变形成187Os,导致Os同位
187
186
187
188
185
187
U、U和Re,它们在还原环境下沉淀并保存,
因此有可能通过这些同位素体系来获得沉积岩的精确沉积年代[48~51]。早期的工作曾用富有机质沉积岩的U-Pb同位素体系来确定显生宙地层年表,但由于普通Pb的确定及铀系元素的活动性,使这一同位素定年体系的应用受到限制[50]。
最近10年来,由于Re-Os同位素方法的发展
235187
素组成(如Os/Os,Os/Os)随时间而改变。和应用,人们发现富有机质沉积岩和黑色页岩十分
这一特征赋予了Re-Os同位素体系在地质定年和适合于Re-Os同位素体系定年,并可以获得精确的同位素示踪中的应用基础。
早期的Re-Os同位素研究采用以Os为标准化的N(187Os)/N(186Os)值和等时线方程:N(187Os)/N(186Os)=N(187Os)/Ni(186Os)+
N(187Re)/N(186Os)(eKt-1)
(1)
式(1)中K为Re衰变常数,t为形成年龄。但近年来的研究发现,以186Os为标准化存在许多弊端,如:(1)186Os可由190Pt衰变而来(半衰期为6.1@1011a);(2)Os可以衰变为W(但由于其半衰期很长2@1015a,该项影响可忽略不计);(3)质谱测量时,通常是测量N(187Os)/N(188Os)值,再用一恒定的N(Os)/N(Os)值标准化来求出N(Os)/N(186Os)值。不同的实验室,甚至同一实验室不同时期或不同人采用不同的N(186Os)/N(188Os)值;(4)Os的自然界丰度值(13.2%)大大高于Os(1.59%),因此能得到更精确的质谱测量值;(5)
188
188
186
186
188
187
186
182
187
186
地层沉积年龄。Rivizza和Turekian[51]通过对密西西比纪)泥盆纪界线处的Bakken页岩的研究,获得了一条(354?49)Ma的Re-Os等时线年龄,与该时代地层年龄(360Ma)相吻合。Cohen等[52]也获得了英国三条侏罗纪富有机质泥岩的Re-Os等时线年龄,分别为(207?12),(181?13),(155?4.3)Ma。这些年龄值与用其他方法获得的年龄值相吻合。Singh等[53]在印度喜马拉雅地区下寒武统黑色页岩也获得了(554?16)和(552?22)Ma的Re-Os等时线年龄,与这些样品采自前寒武系)寒武系界线之上几米的位置相吻合。
华南新元古界至早古生界地层的对比及精确定年,是一个多年未很好解决的棘手问题。尽管现有的同位素年龄资料很多,但多相互矛盾,令人信服的只有来自对地层中火山岩夹层中锆石的U-Pb年龄[56,57]。很显然,沉积地层中火山岩层的缺少和极不普遍,给锆石的U-Pb定年带来极大的局限性。然而,由于地层单元中黑色页岩的广泛而稳定的存在,黑色页岩的高精度Re-Os同位素定年为这一工作带来了新的曙光。Mao等
[45]
[54,55]
Os的同质异位素干扰少于
187
188
186
Os。因此近年来均
188
采用N(Os)/N(Os)表示法。以
化Re-Os等时线方程为
Os为标准
对华南下寒武系黑
N(187Os)/N(188Os)=N(187Os)/Ni(188Os)+
N(187Re)/N(188Os)(eKt-1)
(2)
对一组样品的测定,如果这些样品同时形成并具有同样的初始比值,且至今对Re、Os保持封闭,则可从这些样品所构成的等时线的斜率计算出样品的年龄,从等时线的截距获得初始比值[45]。沉积岩的同位素定年对精确厘定地层年表有着,色页岩中的夹层N-iMo矿石进行的Re-Os同位素
分析,获得了一条(541?16)Ma的等时线年龄。Chen等[36]对华南下寒武统底部这套黑色页岩进行了Pb同位素分析,获得了黑色页岩的Pb-Pb等时线年龄为(531?24)Ma。
对黑色页岩成功地进行Re-Os同位素定年的前提条件是这些黑色页岩中的Re和Os是直接从海水中来的,它们往往以吸附态形式存在于有机质
杨競红,蒋少涌,凌洪飞,等/
地学前缘(EarthScienceFrontiers)2005,12(2)
147
缘海的黑色页岩,如果陆源碎屑物中含一定量Re同位素特征;(3)由宇宙尘带来的Os,其N(187Os)/和Os,则可能无法获得高精度年龄。当然,通过改
进实验方法(如采用酸分步淋溶技术),仍有可能只和Os的活动性,黑色页岩沉积后经历的成岩、变质或后期热扰动事件均有可能使Re-Os同位素体系的封闭性得不到保存,从而无法获得可靠的等时线年龄。
N(Os)值接近于地幔值(~0.12)。不同地质历史时期,海水Os同位素组成的变化正是反映了这3时,则由河流带入的高放射性成因Os会使海水Os同位素值增高;而在洋底火山和热液活动剧烈期,由于大量地幔起源的低放射性成因Os的加入会使海水Os同位素组成降低(图1)。
188
将样品中自生组分提取出来分析。此外,由于Re个来源Os比例的变化。当大陆风化作用十分强烈
3 海洋沉积物和黑色页岩的Os同位
素示踪
Re-Os同位素是近年来发展起来的一种新的同位素方法,将其应用于研究黑色页岩和大洋缺氧事件,不但可以精确厘定这些事件发生的时限,而且可以有效示踪当时的古海洋环境。Re-Os同位素的应用,具有/示踪0和/定年0的双重优势。在/示踪0方面,通过现代和古代各类海相化学沉积物的Re-Os同位素组成研究,可以获得古海水的Os同位素组成及随时间的演化规律。
地质历史中海水的化学和同位素组成研究,一直是国际地学界研究的一个前沿领域。目前对古海水的C、O、S和Sr同位素演化曲线已有较多研究资料,而对古海水的Os同位素演化工作才刚刚开始。研究表明,海水中Os主要有三大来源(表1):(1)由河流带入海洋的Os,具有高放射性成因特征,N(Os)/N(Os)值很高(~1.4),反映大陆风化作用的强弱;(2)由洋中脊热液带来的或循环海水萃取地幔岩石带来的Os,具有非放射性成因特征,N(187Os)/N(188Os)值低(~0.12),反映地幔的Os
表1 现代海水及各种不同储库中的Re、Os含量及同位素组成
Table1 Re-Osdataofseawaterandvarious
geochemicalreservoirs
储库海水平均北大西洋海水西南印度洋海水中太平洋海水东太平洋海水宇宙尘海底热液(高温)海底热液(低温)3.7@1078300?70
[email protected]~3898~0.4
w(Re)/
w(Os)/
N(187Re)/
N(187Os)/N(188Os)~1.061.044?0.0241.057?0.0381.044?0.0361.066?0.038~0.1270.129~0.388
0.11
(pg#kg-1)(pg#kg-1)N(188Os)8240?708170?110
10.87?0.34
~10
4270
187
188
图1 侏罗纪和新生代海水的Os同位素演化曲线
[52]
Fig.1 VariationsintheOsisotopecompositionof
JurassicandCenozoicseawater
注意在白垩纪)第三纪和三叠纪)侏罗纪界线处均存在Os同位素比值的极低点,可能反映当时海水中或有大量由于陨石撞击事件带来的非放射成因Os或有大量由于海底热液蚀变洋壳岩石释放的非放射成因Os(参见表1)
深海粘土沉积物中酸可溶部分及海底含金属碳酸盐沉积物记录了海水的Os同位素组成[58~60]。Pegram等[58]建立了新生代以来海水的Os同位素演化曲线,发现过去50Ma以来,海水的N(Os)/N(188Os)值是逐渐升高的,特别是近15Ma以来,升高的速率加快(图1)。与海水的Sr同位素组成升高的趋势相一致。反映了这一时段造山运动及喜马拉雅抬升造成的大陆物质包括富有机质沉积岩的化学风化作用较强。
海洋N(87Sr)/N(86Sr)和N(187Os)/N(188Os)的记录与碳循环模式有关,因为海水中这些同位素比值与输运到海洋的溶解物的通量或同位素组成的改变有关。海水N(87Sr)/N(86Sr)特征常常可用来判定这些溶解物的通量[61,62],其Sr同位素组成随地质时间的变化受硅酸盐岩和碳酸盐岩的风化、沉积碳酸盐的溶解以及洋中脊热液循环的影响,所以Sr同位素组成与无机碳循环有联系。海水N(187Os)/N(188Os)组成为大洋和碳循环的输入提[63]187
杨競红,蒋少涌,凌洪飞,等/
地学前缘(EarthScienceFrontiers)2005,12(2)
147
缘海的黑色页岩,如果陆源碎屑物中含一定量Re同位素特征;(3)由宇宙尘带来的Os,其N(187Os)/和Os,则可能无法获得高精度年龄。当然,通过改
进实验方法(如采用酸分步淋溶技术),仍有可能只和Os的活动性,黑色页岩沉积后经历的成岩、变质或后期热扰动事件均有可能使Re-Os同位素体系的封闭性得不到保存,从而无法获得可靠的等时线年龄。
N(Os)值接近于地幔值(~0.12)。不同地质历史时期,海水Os同位素组成的变化正是反映了这3时,则由河流带入的高放射性成因Os会使海水Os同位素值增高;而在洋底火山和热液活动剧烈期,由于大量地幔起源的低放射性成因Os的加入会使海水Os同位素组成降低(图1)。
188
将样品中自生组分提取出来分析。此外,由于Re个来源Os比例的变化。当大陆风化作用十分强烈
3 海洋沉积物和黑色页岩的Os同位
素示踪
Re-Os同位素是近年来发展起来的一种新的同位素方法,将其应用于研究黑色页岩和大洋缺氧事件,不但可以精确厘定这些事件发生的时限,而且可以有效示踪当时的古海洋环境。Re-Os同位素的应用,具有/示踪0和/定年0的双重优势。在/示踪0方面,通过现代和古代各类海相化学沉积物的Re-Os同位素组成研究,可以获得古海水的Os同位素组成及随时间的演化规律。
地质历史中海水的化学和同位素组成研究,一直是国际地学界研究的一个前沿领域。目前对古海水的C、O、S和Sr同位素演化曲线已有较多研究资料,而对古海水的Os同位素演化工作才刚刚开始。研究表明,海水中Os主要有三大来源(表1):(1)由河流带入海洋的Os,具有高放射性成因特征,N(Os)/N(Os)值很高(~1.4),反映大陆风化作用的强弱;(2)由洋中脊热液带来的或循环海水萃取地幔岩石带来的Os,具有非放射性成因特征,N(187Os)/N(188Os)值低(~0.12),反映地幔的Os
表1 现代海水及各种不同储库中的Re、Os含量及同位素组成
Table1 Re-Osdataofseawaterandvarious
geochemicalreservoirs
储库海水平均北大西洋海水西南印度洋海水中太平洋海水东太平洋海水宇宙尘海底热液(高温)海底热液(低温)3.7@1078300?70
[email protected]~3898~0.4
w(Re)/
w(Os)/
N(187Re)/
N(187Os)/N(188Os)~1.061.044?0.0241.057?0.0381.044?0.0361.066?0.038~0.1270.129~0.388
0.11
(pg#kg-1)(pg#kg-1)N(188Os)8240?708170?110
10.87?0.34
~10
4270
187
188
图1 侏罗纪和新生代海水的Os同位素演化曲线
[52]
Fig.1 VariationsintheOsisotopecompositionof
JurassicandCenozoicseawater
注意在白垩纪)第三纪和三叠纪)侏罗纪界线处均存在Os同位素比值的极低点,可能反映当时海水中或有大量由于陨石撞击事件带来的非放射成因Os或有大量由于海底热液蚀变洋壳岩石释放的非放射成因Os(参见表1)
深海粘土沉积物中酸可溶部分及海底含金属碳酸盐沉积物记录了海水的Os同位素组成[58~60]。Pegram等[58]建立了新生代以来海水的Os同位素演化曲线,发现过去50Ma以来,海水的N(Os)/N(188Os)值是逐渐升高的,特别是近15Ma以来,升高的速率加快(图1)。与海水的Sr同位素组成升高的趋势相一致。反映了这一时段造山运动及喜马拉雅抬升造成的大陆物质包括富有机质沉积岩的化学风化作用较强。
海洋N(87Sr)/N(86Sr)和N(187Os)/N(188Os)的记录与碳循环模式有关,因为海水中这些同位素比值与输运到海洋的溶解物的通量或同位素组成的改变有关。海水N(87Sr)/N(86Sr)特征常常可用来判定这些溶解物的通量[61,62],其Sr同位素组成随地质时间的变化受硅酸盐岩和碳酸盐岩的风化、沉积碳酸盐的溶解以及洋中脊热液循环的影响,所以Sr同位素组成与无机碳循环有联系。海水N(187Os)/N(188Os)组成为大洋和碳循环的输入提[63]187
148
[58]
杨競红,蒋少涌,凌洪飞,等/
地学前缘(EarthScienceFrontiers)2005,12(2)
有机碳循环有关[58,64],还可能受硅酸盐岩风化的影响,但它不受碳酸盐风化的影响。由于Sr与Os同位素示踪体系与C循环有着完全不同的联系方式,因此两者的同位素组成可为探索气候碳循环问题提供一个全新的视角。
Cohen等[52]通过对富有机质泥岩的Re-Os同位素研究,获得了侏罗纪海水的Os同位素组成变化情况(图1)。早侏罗世早期(Hettangian期),海水的N(187Os)/N(188Os)值极低,为0.15,到早侏罗世晚期(Toarcian期),N(Os)/N(Os)值上升至0.8,晚侏罗世(Kimmeridgain期)海水的N(187Os)/N(188Os)值又稍有下降,为0.59。因此,在Het-tangian期,海水中通过海底热液蚀变地幔玄武岩带来的非放射成因Os占绝对优势,此时大陆风化作用极其微弱。这些Re-Os同位素数据同时支持在Pangea大陆裂解前,是热液活动和火山作用的繁盛阶段。
对印度喜马拉雅地区下寒武统黑色页岩的Re-Os同位素分析表明,这些岩石的Os含量很高,是地壳平均Os含量的50倍以上。因此,Singh等[58]认为这些黑色页岩的Os主要来源于海水,因此其初始N(Os)/N(Os)值(1.18)记录了当时海水的Os同位素组成。这一结果表明,寒武纪海水的Os同位素组成比现代大洋水的(0.9)要高。Singh等推测寒武纪早期时大陆风化作用可能比现代还要强烈,因此有更多的放射成因Os被河流带入大洋中。最近Jiang等
[35]
187
188
[53,65]
187
188
[4] LEGGETTJK.BritishLowerPalaeozoicblackshalesand
theirpalaeoceanographicsignificance[J].JGeolSocLondon,1980,137(1):139-156.
[5] ARTHURMA,SAGEMANBB.Marineblackshales:
Depositionalmechanismsandenvironmentsofancientdepos-its[J].AnnuRevEarthPlanetSci,1994,22:499-551.[6] KRIBEKB.Mineralizationinanoxicenvironments[J].Min-eraliumDeposita,1991,2:122-131.
[7] JENKINSGS.Anearlysnowballearth[J]?Science,1998,
282:1643.
[8] HSBKJ.StrangeloveoceanbeforetheCambrianexplosion
[J].Nature,1985,316:809-811.
[9] WEILAB.TheProterozoicsupercontinentRodinia:Palaeo-magnetically-derivedreconstructionsfor1100to800Ma[J].EarthPlanetSciLett,1996,154:13-24.[10] CHRISTIEBN.
ConsideringaNeoproterozoicsnowball
Earth[J].Science,1999,284:1087.
[11] JENKYNSHC.TheearlyToarcianandCenomania-Turon-i
ananoxiceventinEurope:Comparisonsandcontrasts[J].GeologischeRundschau,1985,74:505-518.
[12] FISHERAG,ARTHURMA.Secularvariationsinthepe-lagicrealm[J].SpecPublSocEconPaleontMineral,1977,25:19-50.
[13] JINYG,WANGY,WANGW.Patternofmarinemassex-tinctionnearthePermian-TriassicboundaryinSouthChina[J].Science,2000,289:432-436.
[14] RENNEPR,ZHANGZ,RICHARDSMA.Synchronyand
causalrelationsbetweenPermian-TriassicboundarycrisesandSiberianfloodvolcanism[J].Science,1995,269:1413-1416.[15] SMITHJ,KLAVERG.SanidinespherulesattheCreta-ceous-Tertiaryboundaryindicatealargeimpactevent[J].Nature,1981,292:47-49.
[16] COSTINVA.IridiumanomalyfromtheAcramanimpacte-jecta:Impactscanproducesedimentaryiridiumpeaks[J].Nature,1989,340:542-544.
[17] HSBKJ,SUNS.OceanbeforeCambrianexplosion[J].
ScientiaGeologicaSinica,1986,1:1-10(inChinese).[18] JIANGYuehua,YUEWenzhe,YEZhizheng.Characteris-tics,sedimentaryenvironmentandoriginoftheLowerCam-brianstone-likecoalinSouthernChina[J].ChineseCoalGe-ology,1994,6(4):26-31(inChinese).
[19] LIRenwei,LUJialan,ZHANGShukun,etal.Organiccarbon
isotopecompositionofblackshalesfromSinianandEarlyCambrian[J].ScienceinChina(SeriesD),1999,29(4):351-357(inChinese).
[20] JIANGYuehua,YUEWenzhe,YEZhizheng.Anoxicevent,
blackshale,andrelatedmineralresource:TakingtheLowerPaleozoicinSouthChinaasanexample[J].GeologicalEx-plorationforNon-ferrousMetals,1994,3:272-278(inCh-inese).
LIRW,SZHANGSTsceof对华南下寒武统底部黑
187
色页岩的Re-Os同位素分析表明,其N(Os)/N(188Os)初始比值为0.80。Jiang等综合分析了PGE地球化学特征与Re-Os同位素特征,认为部分成矿金属元素可能由海底热液提供。References:
[1] SCHLANGERSO,JENKYNSHC.Cretaceousoceanican-oxicevents:Causeandconsequence[J].GeolMijnbown,1976,55:179-184.
[2] ARTHURMA,SCHLANGERSO,JENKYNSHC.The
Cenomanian-Turonianoceanicanoxicevent,II)Palaeoceano-graphiccontrolsonorganic-matterproductionandpreserva-tion[A].BROOKSJ,FLEETAJ.MarinePetroleumSourceRocks[M].1987:401-420.
[3] BERRYWBN,WILDEP.Progressiveventilationoftheo-ceans)AnexplanationforthedistributionoftheLowerPa-oic[J].AmerJSci,-
杨競红,蒋少涌,凌洪飞,等/
地学前缘(EarthScienceFrontiers)2005,12(2)
MetalsandMaterialsSociety,1993,1:369-375.
149
ganicmatterinformationoftheMinlemanganeseoredepos-it,China[A].14thInternationalSedimentologicalCon-gress,Recife,Agosto,1994.
[22] LIRenwei,ZHANGShukun,LEIJiajin.Temporalandspe-cialvariationinD34Svaluesofpyritefromsinianstratadiscus-siononrelationshipbetweenYangtzeblockandtheLateProt-erozoicsupercontinent[J].ScientiaGeologicaSinica,1996,3:209-217(inChinese).
[23] YELianjun.ChinesePhosphorite[M].Beijing:Science
Press,1989(inChinese).
[24] LIUYuanjun,JINGuangfu,XIEFapeng.Thecrustaltex-turestyleandevolutioninthemiddlesegmentofQinling-Da-bieOrogen[J].HubeiGeology,1996,10(2):22-37(inCh-inese).
[25] ZHUANGHanping,LUJialan,FUJiamo.Metamorphic
mineralizationevidenceforAg-VdepositinBaiguoyuan,Hu-bei[J].ChineseScienceBulletin,1998,43(12):1328-1331(inChinese).
[26] YUANXunlai,XIAOShuhai,YINLeiming.Organismdur-ingDoushantuoPeriod)LifeBeforeOrganismRadiation[M].Hefei:PublishingHouseofChineseScienceandTech-niqueInstitute,2002(inChinese).
[27] CONWAYMS.TheBurgessshalefaunasandtheCambrian
explosion[J].Science,1989,246:339-346.
[28] STEINERM,MEHLD,REITNERJ,etal.Oldestentirely
preservedspongesandotherfossilsfromtheLowermostCambrianandanewfaciesreconstructionsoftheYangtzePlatform(China)[J].BerlinerGeowissenschaftlicheAbhan-dlungen,ReicheE,1993,9:293-329.
[29] STEINERM,WALLISE,ERDTMANNBD,etal.Sub-marine-hydrothermalexhalativeorelayersinblackshalesfromSouthChinaandassociatedfossils)InsightsintoaLow-erCambrianfaciesandbio-evolution[J].Palaeogeography,Palaeoclimatology,Palaeoecology,2001,169:165-191.
[30] FANDelian,YANGXiuzhen,WANGLianfang.Petrolog-i
calandgeochemicalcharacteristicsofN-iMopolymetallicblackshalesystem[J].Geochemistry,1973,3:143-163(inChinese).
[31] FANDelian.PolyelementsintheLowerCambrianblack
shaleseriesinsouthernChina[J].AUGUSTITHISSS.TheSignificanceofTraceMetalinSolvingPetrogeneticProb-lemsandControversies[M].Athens:TheophrastusPublica-tionsSA,1983:447-474.
[32] LIShengrong,GAOZhenmin.Originofmetalelementsin
blackshalesofEarlyCambrian,HunanandSichuanprov-inces[J].ScienceinChina(SeriesD),2000,30(2):169-174(inChinese).
[33] COVENEYRMJr,GRAUCHRI,MUROWECHICKJB.
Oremineralogyofnicke-lmolybdenumsulfidebedshostedbyblackshalesofSouthChina[A].REDDYRG,WEIZEN-N.hePaulEQuSy)xtivMetallurgyofCopper,NickleandCobalt[C].Minerals,[34] LOTTDA,COVENEYRMJr,MUROWECHICKJB,et
al.Sedimentaryexhalativenickle-molybdenumoresinSouthChina[J].EconGeol,1999,94:1051-1066.
[35] JIANGSY,LINGHF,YANGJH,etal.Re-Osisotopes
andPGEgeochemistryofblackshalesandintercalatedN-iMopolymetallicsulfidebedfromtheLowerCambrianNiutitangFormation,SouthChina[J].ProgressinNaturalScience,2003,13(10):788-794.
[36] CHENYQ,JIANGSY,LINGHF,etal.Pb-Pbisotope
datingofblackshalesfromtheLowerCambrianNiutitangFormation,Guizhouprovince,SouthChina[J].ProgressinNaturalScience,2003,13(10):771-776.
[37] LIRenwei.OrganicCoagulation,HeatEvolution,andRe-searchofOreDepositinYangtzPlatform[M].Beijing:O-ceanPublishingHouse,1993:65-83(inChinese).
[38] LEGGETTJK.EustacyandpelagicregimesintheIapetus
OceanduringtheOrdovicianandSilurian[J].EarthPlanetSciLett,1978,41:163-169.
[39] MCKERROWWS.OrdovicianandSilurianchangesinsea
level[J].JGeolSocLondon,1979,136:137-145.
[40] YELianjun.OrganicEffectonMineralization[M].Be-i
jing:OceanPublishingHouse,1996(inChinese).
[41] YINHongfu.OrganicMineralizationSystem[M].Wuhan:
ChinaUniversityofGeosciencesPress,1999(inChinese).[42] WANGChengshan,YEHongzhuan,TIANHongjun.Geol-ogyrecordandglobaltectonic,resource,rhythmandevents[J].Paleo-Lithofacies,1987,5:13-33(inChinese).[43] ZHANGAiyun,WUDamao,GUOLina.Geochemistryand
EffectonMineralizationofBlackShalesOccurringinOce-anicFacies[M].Beijing:SciencePress,1987:240(inCh-inese).
[44] CHENXu,XIAOChengxie,CHENHongye.Anoxicenv-i
ronmentanddeviationofgraptusfaunainWufengEra[J].ActaPalaeontologicaSinica,1987,26(3):326-344(inCh-inese).
[45] MAOJW,LEHMANNB,DUAD,etal.Re-Osdatingof
polymetallicN-iMo-PGE-AumineralizationinLowerCam-brainblackshalesofSouthChinaanditsgeologicsignificance[J].EconomicGeology,2002,97:1051-1061.
[46] PERRYEA,TUREKIANKK.Theeffectsofdiagenesison
theredistributionofstrontiumisotopesinshales[J].GeochimCosmochimActa,1974,38:929-935.
[47] MORTONJP.Rb-Srdatingofdiagenesisandsourceageof
claysinUpperDevonianblackshalesofTexas[J].GeolSocAmerBull,1985,96:1043-1049.
[48] SWANSONVE.Oilyieldanduraniumcontentofblack
shales[J].USGeolSurvProfPaper,1960,356-A:43.[49] POPLAVKOYM,IVANOVVV,LONGINOVALG.Be-ofothermetalsincentral
150
杨競红,蒋少涌,凌洪飞,等/
地学前缘(EarthScienceFrontiers)2005,12(2)
187Os/186Os
sianshales[J].Geokhimiya,1977,2:273-283.
[50] COBBJC,KULPJL.Isotopicgeochemistryofuraniumand
leadintheSwedishkolmanditsassociatedshale[J].GeochimCosmochimActa,1961,24:226-249.
[51] RAVIZZAGE,TUREKIANKK.Applicationofthe
ta,1989,53:3257-3262.
[52] COHENAS,COEAL,BARTLETTJM,etal.Precise
Re-Osagesoforganic-richmudrocksandtheOsisotopecom-positionofJurassicseawater[J].EarthPlanetSciLett,1999,167:159-173.
[53] SINGHSK,TRIVEDIJR,KRISHNASWAMIS.Re-Os-i
sotopesystematicsinblackshalesfromtheLesserHimalaya:Theirchronologyandroleinthe187Os/188Osevolutionofsea-water[J].GeochimCosmochimActa,1999,63:2381-2392.
[54] XINGYusheng,YINChongyu,GAOLinzhi.Siniancatego-ry,epoch,andclassify[J].Geoscience,1999,2:202-204(inChinese).
[55] LUSongnian.AreviewonsubdivisionofProterozoicEonin
China[J].ProgressinPrecambrianResearch,1998,21(4):1-9(inChinese).
[56] COMPSTONW,WILLIAMSIS,KIRSCHVINKJL.Zir-conU-PbagesfortheEarlyCambriantime-scale[J].JourGeolSocLondon,1992,149:171-184.
[57] JENKINSRJF,COOPERJA,COMPSTONW.Ageand
biostratigraphyofEarlyCambriantuffsfromSEAustraliaandSouthernChina[J].JourGeolSocLondon,2002,159:645-658.
[58] PEGRAMWJ,KRISHNASWAMIS,RAVIZZAGE,et
al.Recordofseawater
187
187
[64] RAVIZZAGE.Variationsofofseawaterover
thepast28millionyearsasinferredfrommetalliferouscar-bonates[J].EarthPlanetSciLett,1993,118:335-348.[65] SHIREYSB,WALKERRJ.TheRe-Osisotopesystemin
cosmochemistryandhigh-temperaturegeochemistry[J].An-nuRevEarthPlanetSci,1998,26:423-500.
Re-
187
Os
systemtoblackshalegeochronometry[J].GeochimCosmochimAc-
参考文献:
[17] 许靖华,孙枢.寒武纪生物爆发前的死劫难海洋[J].地质科
学,1986,1:1-10.
[18] 姜月华,岳文浙,业治铮.中国南方下寒武统石煤的特征、沉
积环境和成因[J].中国煤田地质,1994,6(4):26-31.
[19] 李任伟,卢家烂,张淑坤,等.震旦纪和早寒武世黑色页岩有机
碳同位素组成[J].中国科学(D),1999,29(4):351-357.[20] 姜月华,岳文浙,业治铮.华南下古生界缺氧事件与黑色页岩
及有关矿产[J].有色金属矿产与勘查,1994,3:272-278.[22] 李任伟,张淑坤,雷加锦.震旦纪地层黄铁矿硫同位素组成时
空变化特征及扬子地块与晚元古代超大陆的讨论[J].地质科学,1996,3:209-217.
[23] 叶连俊.中国磷块岩[M].北京:科学出版社,1989.
[24] 刘源骏,金光富,谢发鹏.一个大型黑色岩系银钒矿床成矿作
用及成矿环境的讨论[J].湖北地质,1996,10(2):22-37.[25] 庄汉平,卢家烂,傅家漠.湖北兴山白果园黑色页岩型银钒矿
床改造成矿作用的证据[J].科学通报,1998,43(12):1328-1331.
[26] 袁训来,肖书海,尹磊明.陡山沱期生物群)))早期动物辐射
前夕的生命[M].合肥:中国科学技术大学出版社,2002.[30] 范德廉,杨秀珍,王连芳.某地下寒武统含镍钼多元素黑色岩
系的岩石学及地球化学特点[J].地球化学,1973,3:143-164.[32] 李胜荣,高振敏.湘黔寒武系底部黑色岩系贵金属元素来源示
踪[J].中国科学(D),2000,30(2):169-174.
[37] 李任伟.扬子地台早古生代沉积有机质的聚集、热演化及成矿
作用研究[M].北京:海洋出版社,1993:65-83.
[40] 叶连俊.生物有机质成矿作用[M].北京:海洋出版社,1996.[41] 殷鸿福.生物成矿系统论[M].武汉:中国地质大学出版社,
1999.
[42] 王成善,叶红专,田洪均.白垩纪地质记录与全球地质作用、资
源、韵律和事件[J].岩相古地理通讯,1987,5:13-33.
[43] 张爱云,伍大茂,郭丽娜.海相黑色页岩建造地球化学与成矿
意义[M].北京:科学出版社,1987:240.
[44] 陈旭,肖承协,陈洪冶.华南五峰期笔石动物群的分异及缺氧
环境[J].古生物学报,1987,26(3):326-344.
[54] 邢裕盛,尹崇玉,高林志.震旦系的范畴、时限及内部划分[J].
现代地质,1999,2:202-204.
[55] 陆松年.关于中国元古宙地质年代划分几个问题的讨论[J].
前寒武纪研究进展,1998,21(4):1-9.
Os/186OsvariationthroughtheCe-
nozoic[J].EarthPlanetSciLett,1992,113:569-576.
[59] EHRENBRINKBP,RAVIZZAGE,HOFMANNAW.
Themarine
187Os/186Os
recordofthepast80millionyears
[J].EarthPlanetSciLett,1995,130:155-167.
[60] REUSHDN,RAVIZZAGE,MAASCHKA,etal.Mio-ceneseawater
187Os/186Os
ratiosinferredfrommetalliferous
carbonates[J].EarthPlanetSciLett,1998,160:163-178.
[61] RICHTERFM,ROWLEYDB,DEPAOLODJ.Srisotope
evolutionofseawater:Theroleoftectonics[J].EarthPlanetSciLett,1992,109:11-23.
[62] GODD*RISY,FRANCOISLM.TheCenozoicevolutionof
thestrontiumandcarboncycles:Relativeimportanceofcon-tinentalerosionandmantleexchanges[J].ChemGeol,1995,126:169-190.
[63] PALMERMR,EDMONDJM.Thestrontiumisotope
budgetofthemodernocean[J].EarthPlanetSciLett,1989,92:11-26.