南华系莲沱组与南沱组的古气候与氧化还原环境演化新证据.pdf

第 52 卷 第 2 期 Vol.52,No.2,199211 2023 年 3 月 GEOCHIMICA Mar.,2023 收稿日期:2021-04-04;改回日期:2021-05-10 项目资助:国家自然科学基金项目(41776069)资助。第一作者简介:隋佩珊(1994),女,博士研究生,地球化学专业。Email: 通信作者:肖媛媛(1983),女,研究员,主要从事俯冲带地球化学过程和地球动力学研究。E-mail: Geochimica Vol.52 No.2 pp.199211 Mar.,2023 南华系莲沱组与南沱组的古气候与 氧化还原环境演化新证据 隋佩珊1,2,3,肖媛媛1,2,4*,孙卫东2,3,4,5(1.中国科学院 海洋研究所 海洋地质与环境重点实验室,山东 青岛 266071;2.青岛海洋科学与技术国家实验室,山东 青岛 266061;3.中国科学院大学,北京 100049;4.中国科学院 海洋大科学研究中心,山东 青岛 266071;5.中国科学院 海洋研究所 深海研究中心,山东 青岛 266071)摘 要:新元古代是冰川作用发育的重要时期,其中有 2 个重要的全球性冰期,即 Sturtian 和 Marinoan 冰期,对全球古环境、古气候、古海洋演化具有重要意义。中国宜昌地区分布的莲沱组和南沱组分别代表了在扬子板块发育的与 Sturtian 冰期前和 Marinoan 冰期相对应的沉积地层。随着地球化学分析方法的进步,新的地球化学手段,包括新的地球化学指标和 Fe 同位素等,可以为进一步探讨莲沱组与南沱组的沉积环境提供新的思路和证据。本研究对宜昌九龙湾剖面南沱组冰碛岩进行系统采样,并和莲沱组以砂岩为主的碎屑沉积岩进行对比分析,利用化学蚀变指数(CIA)、氧化还原敏感元素 Mo、V、U 和 Fe 同位素对比探讨二者古气候与氧化还原环境的演化。CIA 的变化(5378)表明,莲沱组沉积主体处于温暖的古气候下(CIA 平均值约为 78),直到 Sturtian冰期前,莲沱组顶部出现气候转冷特征(CIA平均值为 53);随着 Marinoan 冰期到来,南沱组沉积持续处于寒冷的古气候环境(CIA 平均值为 58)。莲沱组与南沱组样品均具有较低的 Mo/Al、V/Al 和 U/Al 值,表明二者沉积均处于氧化环境,但莲沱组主体比南沱组和莲沱组顶部样品具有更低的 Mo/Mo*、V/V*以及更高的 Fe 同位素值,反映了莲沱组主体的沉积环境更为氧化。关键词:南沱组;莲沱组;Fe 同位素;古气候;氧化还原条件 中图分类号:P532;P595 文献标志码:A 文章编号:0379-1726(2023)02-0199-13 DOI:10.19700/j.0379-1726.2023.02.006 New evidence for the evolution of paleoclimate and redox environment of the Liantuo and Nantuo Formations in the Nanhua Period SUI Peishan1,2,3,XIAO Yuanyuan1,2,4*,SUN Weidong 2,3,4,5(1.CAS Key Laboratory of Marine Geology and Environment,Institute of Oceanology,Chinese Academy of Sciences,Qingdao 266071,Shandong,China;2.Laboratory for Marine Geology,Qingdao National Laboratory for Marine Science and Technology,Qingdao 266061,Shandong,China;3.University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China;4.Center for Ocean Mega-Science,Chinese Academy of Sciences,Qingdao 266071,Shandong,China;5.Center of Deep-Sea Research,Institute of Oceanology,Chinese Academy of Sciences,Qingdao 266071,Shandong,China)Abstract:The Neoproterozoic is an important glaciation period in Earths history.Sturtian and Marinoan are two important global glaciations that occurred during the Neoproterozoic period and were important in the evolution of the global palaeoenvironment,palaeoclimate and palaeoocean.The Liantuo and Nantuo Formations widely developed in Yichang area;the former corresponds to pre-Sturtian glaciation and the latter corresponds to Marinoan glaciation.With the development of geochemical analytical methods,updated geochemical methods,including new geochemical indices and Fe isotopes,can provide new ideas and evidence for further studies of the 200 2023 年 Geochimica Vol.52 No.2 pp.199211 Mar.,2023 sedimentary environment of the Liantuo and Nantuo Formations.We evaluated samples from the Liantuo and Nantuo Formation from Jiulongwan section of Yichang area.We focused on the chemical index alteration(CIA),redox-sensitive elements(Mo,V,U),and Fe isotope to examine the evolution of paleoclimate and redox conditions of the Liantuo and Nantuo Formations.The variation in the CIA(from 53 to 78)showed that the Liantuo Formation was deposited under warm conditions(with the average CIA value of 78),and the climate became obviously colder at the top of the Liantuo Formation until the pre-Sturtian glaciation(with an average CIA value of 53).With the arrival of the Marinoan glaciation,the Nantuo Formation was deposited under cold conditions with an average CIA value of 58.Both the Liantuo and Nantuo Formations showed low Mo/Al,V/Al and U/Al ratios,indicating an oxidized depositional environment.The Liantuo Formation has lower Mo/Mo*and V/V*values and a heavier Fe isotope composition compared to those of the Nantuo Formation,reflecting a more oxidized condition than that for the Nantuo Formation.Key words:Nantuo Formation;Liantuo Formation;Fe isotope;paleoclimate;redox condition 0 引 言 新元古代是冰川作用发育的重要时期,目前认为包括了 4 次冰期,分别为 Kaigas(750720 Ma)、Sturtian(717660 Ma)、Marinoan(650635 Ma)与Gaskiers(581580 Ma)冰 期(Hoffman and Schrag,2000,2002;Frimmel and Folling,2004;Zhang et al.,2008;Hoffman and Li,2009;Xu et al.,2009;Pu et al.,2016)。其中,Marinoan 和 Sturtian 冰期的冰川分布范围被认为可以达到低纬度地区甚至赤道,以“雪球地球”著称(Hoffman et al.,1998),其研究对理解此时期全球的古环境、古气候、古海洋、古生物的演化具有重要意义(Hu et al.,2012)。华南地区扬子板块广泛发育相关的冰川作用沉积地层,包括与 Marinoan 冰期相对应的南沱组(654635 Ma;Condon et al.,2005;Zhang et al.,2005)及 Sturtian 冰期前的沉积地层莲沱组(780724 Ma;高维和张传恒,2009;景先庆等,2018;徐琼等,2021)。通常认为莲沱组沉积于温暖气候而南沱组沉积于寒冷气候,但近年来也有一些研究显示莲沱组顶部可能也记录了寒冷气候的特征,如莲沱组中冻融构造的发现以及类似于南沱组的低化学风化特征(王自强等,2006;王玉冲等,2018)。另一方面,莲沱组与南沱组的氧化还原环境一直存在争议(赵小明等,2011;Lang et al,2018;Cui et al.,2019),虽然有研究认为莲沱组和南沱组都处于相对氧化的环境(赵小明等,2011;冯永等,2021),但最近在对贵州分布的南沱组研究中发现了同冰期沉积的白云岩具有显著的 Eu正异常,指示了南沱组可能主体处于相对还原的沉积环境(Gu et al.,2019)。因此,有必要对莲沱组和南沱组的古气候和氧化还原环境进行深入探讨。近年来,化学蚀变指数(chemical index alteration,CIA)和氧化还原敏感元素(如变价元素 Mo、V、U)被广泛应用于对细粒碎屑沉积岩的古气候与氧化还原环境的研究(Tribovillard et al.,2006;冯永等,2021;祁钰等,2022)。Fe 同位素是一种新兴的地球化学分析方法,由于 Fe 元素在自然界中常以多种价态存在(Fe3+和 Fe2+),且 Fe3+比 Fe2+更倾向于富集重 Fe 同位素组成,从而使 Fe 同位素也具有示踪氧化还原环境的潜力(Beard et al.,2003;Rouxel et al.,2005;Tahata et al.,2015)。近年来对扬子板块陡山沱组黑色页岩的 Fe 同位素研究证明了 Fe 同位素在示踪沉积作用氧化还原环境的潜力(Fa