华南南华系含锰建造的形成机制与南华纪间冰期海洋的氧化还原状态

【摘要】在我国扬子地区,南华纪(成冰纪)广泛发育两套冰川沉积系列,被大塘坡组分隔开。大塘坡组地层主要是以锰碳酸盐、黑色页岩和灰色页岩以及灰色粉砂岩为主的沉积层序,其中大塘坡组底部的锰碳酸盐是我国重要的优质锰矿资源,具有十分重要的经济意义。同时,大塘坡组保存良好的沉积记录为获取南华纪(成冰纪)海洋环境演化信息提供了良好的地质条件。本文对华南扬子地区形成于不同水深的南华纪(成冰纪)大塘坡期含锰建造进行了元素地球化学和同位素地球化学研究,取得以下主要成果和认识：1).华南扬子地区不同水深的南华纪大塘坡期含锰建造(大塘坡式锰矿)中锰矿石样品REE整体上都呈现出：①稀土元素总量高,明显高于PAAS和古元古代在较还原环境下沉积的kalahari锰碳酸盐,略低于现代海底铁锰结壳(普遍大于1000ppm)②AAS标准化稀土元素配分模式呈现轻、重稀土亏损,中稀土富集,呈“帽式”配分特征；③与现代海底铁锰结核类似,锰矿石具有较为明显的Ce的正异常,没有明显Y的异常。锰矿石微量元素特征普遍显示出明显的Co和Mo的富集。这些特征表明南华系大塘坡期含锰建造中的Mn可能是以氧化物或氢氧化物形式沉淀,我们所见到的锰碳酸盐是在成岩环境中和有机物质相互作用转化而成。菱锰矿石的碳同位素特征进一步为这一结论提供了支持：菱锰矿石无机碳同位素组成(δ13C-VPDB)变化介于-9.18%‰～-7.05%‰,平均值为-8.53‰,显示碳的轻同位素富集的特征。根据自然界中不同碳库的碳同位素组成特征,这些菱锰矿中的碳主要来源于有机碳。2).首次获得了扬子地区不同水深的南华系大塘坡期含锰建造中黄铁矿Fe同位素数据,补充了扬子地区不同水深的南华系大塘坡期含锰建造中黄铁矿S同位素数据。S同位素结果进一步证实南华纪间冰期黄铁矿异常富集重硫同位素的特征具有普遍性。Fe同位素结果表明,含锰层位中黄铁矿普遍富集Fe的重同位素素,即δ56Fe-URMM为正值,指示这些黄铁矿是由铁的氧化物或氢氧化物在成岩环境中被还原之后被细菌硫酸盐还原作用产生的H2S固定而形成。不同沉积水深的大塘坡期含锰建造中黄铁矿Fe同位素存在差异；随着水体加深,黄铁矿δ56Fe-URMM值有逐渐变重的趋势,指示随着沉积水体加深,水体氧逸度逐渐降低。3).以贵州东部的道坨超大型锰矿区为例,选取了其中一个近期终孔的钻孔,从铁丝坳组冰碛岩中上部开始一直到大塘坡组结束,连续挑选黄铁矿进行了Fe同位素分析,初步构筑了南华纪(成冰纪)海洋中铁同位素演化曲线。黄铁矿的δ56Fe-URMM值介于-0.80‰～-+1.19‰,平均值为0.13%o。黄铁矿Fe同位素组成随时间的演化明显可以分为三个阶段：第一阶段为铁丝坳组的中上部,黄铁矿δ56Fe-URMM值介于-0.52%‰–0.09‰,平均值为-0.29‰,显示富集Fe的轻同位素；第二阶段为铁丝坳组的顶部到大塘坡组第一段结束,黄铁矿δ56Fe-URMM值介于+0.04‰～-+1.19‰,平均值为+0.51‰,显示富集Fe的重同位素；第三阶段是大塘坡组二、三段的灰色页岩和灰色粉砂质页岩,黄铁矿的δ56Fe-URMMO值介于-0.80‰～-0.02‰,平均值为-0.35‰,接近于第一阶段黄铁矿的δ56Fe-URMM值,显示富集Fe的轻同位素。4).道坨锰矿上述同一钻孔岩心中的黄铁矿样进行了硫同位素测定,初步构筑了南华纪(成冰纪)海洋中硫同位素演化曲线。黄铁矿的δ34S-VCDT值介于3.8‰-69.7‰,平均值为48.2%‰。其中,铁丝坳组冰碛岩中黄铁矿S同位素组成变化介于30.8‰～67.5‰,平均值为55.1%‰,并且δ34S-VCDT值在冰期岩顶部存在一个明显的降低趋势,由67.5‰降到30.8‰；进入大塘坡组第一段之后,δ34S值开始迅速上升,并且在整个大塘坡组第一段黄铁矿普遍具有很高的δ34S-VCDT值；大塘坡第一段结束之后δ34S-VCDT值开始急剧下降。5).对湖北古城锰矿和贵州西溪堡锰矿含锰层位中的草莓状黄铁矿和较小的自形黄铁矿颗粒运用NanoSIMS进行了微区原位硫同位素分析。硫同位素分析结果显示,较小的自形黄铁矿颗粒的硫同位素组成整体上同我们用化学方法测试的团块状黄铁矿测试结果一致,而草莓状黄铁矿的δ34Fe-VCDT值比自形黄铁矿颗粒低15‰～20‰,同时单个草莓状黄铁矿颗粒内部不同莓粒之间硫同位素存在较明显差异,显示硫同位素分布的不均一性。6).南华纪(成冰纪)黄铁矿的硫同位素和铁同位素演化曲线揭示了南华纪间冰期海洋逐步氧化的演化历史,并且在大塘坡中期阶段大气可能存在一次明显的增氧事件,这次增氧事件可能是导致间冰期深海被氧化以及海洋中硫酸盐输入量迅速增加的原因。
【作者】张飞飞；
【导师】朱祥坤；
【作者基本信息】中国地质科学院，地球化学，2014，硕士
【关键词】锰矿；黄铁矿；大塘坡组；南华纪(成冰纪)；新元古代；Fe同位素；S同位素；稀土元素；微量元素；沉积环境；

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