扬子地台晚震旦至早寒武世沉积碳同位素研究

震旦-寒武交变期是地史上一个重大转折期，从隐生宙向显生宙过渡，海、陆、空发生了显著不同的变化，是一个具有特殊意义的过渡时期。中国扬子地区广泛发育的海相沉积层序有效地记录了震旦一寒武交变期重要的地质事件，因此为研究该时期大气圈、生物圈、岩石圈和水圈的相互联系提供了独一无二的场所。在前寒武纪一寒武纪地质研究中，由于缺少标志性生物化石，行之有效的生物地层学方法在上前寒武系的划分和对比中受到很大限制，沉积有机，质干酪根和相应碳酸盐的稳定碳同位素分析已经成为全球对比和划分的一个极为重要的的研究方法。尽管一些学者对扬子地台进行了多年的地球化学研究，使用碳酸盐和与之共生的有机质碳同位素组成对广泛的扬子地台变化的沉积环境进行研究还很欠缺、对分析和探讨该时期的生命演化过程和环境变化的关系研究方面还不足。本研究是以中国扬子地区为研究范围，用沉积碳酸盐和与之共生的有机质碳同位素组成对广泛的扬子地台变化的沉积环境（台地相、盆地相、过渡地带）进行分析，初步建立了一个地球化学模型，用于解释震旦一寒武交变期沉积地球化学记录，分析和探讨区域扬子地台碳循环和环境变化与地质事件之间的内在和外在联系：（1）南沱期：有机碳同位素组成（瓮安剖面平均值在-35.0‰左右）表现为较强负异常。地球被称为雪球（Snow-ball）或部分冰雪覆盖球体（Slush-ball），水体滞留和水动力不强，原始产率较低，物源以深源为主；生物不发育，主要是细菌和低等的真核细胞生物；空气和海水的气体通过冰裂缝进行交换，促进了碳酸盐的溶解；有机碳循环主要通过厌氧过程，比如细菌硫酸盐还原作用进行。（2）陡山沱期和灯影期：南沱晚期一陡山沱早期，海水的碳酸盐碳同位素组成短期仍然较负（瓮安剖面的δl3Ccarb-avg为-2.8‰ 松桃剖面1、2的δ13Ccarb-avg分别是-3.5％0和-8.6％。）；有机质的碳同位素组成总体呈现正漂移（瓮安护3Corg－avg：-26.3‰；南明剖面的δ13Corg-avg高达-26.7‰），这正是全球分布的“帽”碳酸盐出现的时期：接近地表的火山去气作用释放出较之现代350倍的CO2，导致地球迅速变暖，冰雪融化，大陆风化作用加强，海平面上升，“雪球，，转化为“温室，大气中大量的CO2快速转化为碳酸钙沉入海水中。全球可能处于一个异常高的海洋沉积速率时期。随后陡山沱组的护3Ccarb值显著上升，暗示了这一时期生物作用加强，有机碳埋藏速率明显提高，有机碳和还原硫埋藏的增加，导致上层海水345的富集，硫同位素组成较高。热液作用和上升洋流作用促成了瓮安磷矿的形成和瓮安生物群的繁盛。在南沱冰期后的陡山沱期和灯影期，高的别3c的出现主要是由于进行光合作用的海洋植物群体产率的迅速增加、海洋沉积速率的升高、海洋深部水柱中缺氧层的存在、热液活动、上升洋流作用、海水分层结构引起的，而短期同位素组成的负漂移和生物产率的变化则可能是区域事件所造成。明显的碳同位素组成负漂移出现在前寒武／寒武界线附近，这反映了碳短期变化的翻覆，与震旦纪末生物绝灭、环境变化的地质事件相符合。（3）牛蹄塘期：本研究结果发现，在牛蹄塘组／郭家坝组底部黑色岩系中，有机碳、无机碳、有机硫、黄铁矿硫同位素组成值相对较低，有机碳和黄铁矿含量相对较高。δ3Corg-avg和δ3Ccarb-avg分别是-33.9士0.7‰和-2.5＝0.4‰；TOC＞0.5；黄铁矿平均含量为0.96％间变化；黄铁矿（δ4ScRs）和有机硫同位素组成（δ34SOBS）平均值分别为0.3士7.5‰和3.4土7.1‰。由于牛蹄塘初期的环境变化频繁和不稳定，扬子区处于一段特殊的时期，碳、硫同位素组成延续上震旦统的负漂移现象，海侵事件、还原环境、缺氧事件、裂谷作用火山喷发、、气液喷溢、热水作用等造成海水相刘较深，有机碳埋藏量增大，多金属富集成矿。在牛蹄塘中晚期碳同位素组成趋于稳定，碳同位素组成重化，有机碳和黄铁矿含量降低：碳酸盐和有机质的碳同位素组成平均值分别是0.31±1.0‰和-31．41．3％。（沙滩），呈现稳定的正漂移；TOC平均值是0.8％；沙滩剖面郭家坝组中上部样品的黄铁矿平均含量0.5％；δ34SCRS-avg和δ34SOBS-avg为17.8士2.0‰和16.9±1.8‰。在牛蹄塘中期，随着大气圈和水圈中CO2含量降低、环境稳定，促使寒武纪生物繁盛，可能与增加的寒武系生物产量和微生物作用有关。对牛蹄塘期的环境情况有如下分析：随着全球变暖、海平面迅速上升，上升洋流活跃，由于分层海水的存在，海水在氧化带附近及其上部具有较高的有机物生成率，使寒武纪初期成为形成植物繁衍和带壳动物爆发的重要时期。碳同位素组成由震旦一寒武交变期的不稳定负漂移变化到稳定正漂移，这与世界其它地区的变化相一致。下寒武统富有机碳和黄铁矿的黑色页岩沉积，暗示了早寒武世缺氧环境的存在。（4）凯里期：早中寒武世交变期有机碳和无机碳同位素组成规律的变化，出现在扬子地台台江剖面上。有机质埋藏的变化，与生物从下寒武到中寒武统的变化相联系。碳酸盐和有机碳同位素组成的变化规律，反映了震旦一寒武交变期沉积环境的多变和震旦一寒武交变期碳循环的波动，这与变化的古环境背景、环境条件和生物演化的变化相互联系。碳酸盐碳同位素组成反映了海水最初的同位素信息；海底热液作用和上升一洋流作用可能成为影响碳同位素组成的重要因素。然而，各一地区在同一时期存在相似性，也有很大的不同，所以针对区域和局部事件，还需要进一步研究和探讨。