埃迪卡拉紀(jì)古海洋碳異常的地質(zhì)意義

埃迪卡拉紀(jì)古海洋有機(jī)碳同位素異常及其地質(zhì)意義

埃迪卡拉系（635Ma——542Ma）是地球演化史上的重大過(guò)渡期，發(fā)生了一系列事件，如海洋化學(xué)條件的波動(dòng)和早期動(dòng)物的爆發(fā)式演化等，并對(duì)地球表層系統(tǒng)產(chǎn)生了重要影響。埃迪卡拉系也是地球歷史上碳循環(huán)的重大波動(dòng)期，近年來(lái),學(xué)者們對(duì)埃迪卡拉系開(kāi)展了大量的13C化學(xué)地層研究。埃迪卡拉紀(jì)13C變化存在兩個(gè)顯著的特點(diǎn):1

、極低的無(wú)機(jī)碳同位素負(fù)異常，已在多條剖面上識(shí)別，其變化幅度遠(yuǎn)大于顯生宙已知的記錄。2、有機(jī)碳同位素(δ13Corg)和無(wú)機(jī)碳同位素（δ13Ccarb)組成具解耦變化

碳同位素漂移原因

碳同位素漂移原因

1、雪球地球假說(shuō)

在580-750Ma之間，至少發(fā)生一次地球上持續(xù)千萬(wàn)年的海洋被冰封住事件，地表海洋的生物產(chǎn)率曾經(jīng)中斷了數(shù)百萬(wàn)年，導(dǎo)致δ13C負(fù)異常：

2、“甲烷泄露”假說(shuō)

新元古代冰期，由于氣溫低，在永久凍土層和大陸邊緣海底沉積物中，可能形成了地球歷史上數(shù)量最大的天然氣水合物，冰期之后氣候變暖，海侵使大陸架和內(nèi)部盆地的大面積永久凍土層被海水淹沒(méi),甲烷水合物分解,釋放甲烷進(jìn)人大氣,大氣中甲烷氣體含量增加,增強(qiáng)了溫室效應(yīng)。蓋帽碳鹽巖及其同位素異常是因?yàn)闃O端寒冷氣候過(guò)后,甲烷在碳酸鹽過(guò)飽和海洋中氧化的結(jié)果。

埃迪卡拉系以一套廣泛分布的蓋帽碳酸鹽巖為特征,底部年齡約635Ma主要包括3種相類型:1、臺(tái)內(nèi)陸架和陸架邊緣地區(qū)以碳酸鹽巖沉積為主,2、臺(tái)內(nèi)瀉湖則發(fā)育互層狀碳酸鹽巖和黑色頁(yè)巖3、而深水盆地相區(qū)主要為黑色泥巖.我們選擇了兩條保存較好的剖面開(kāi)展晚埃迪卡拉紀(jì)至早寒武世的化學(xué)地層研究：

一條是九龍灣-季家坡剖面,屬淺水臺(tái)地相沉積,位于宜昌三峽地區(qū);

另一條是龍鼻嘴剖面,屬深水盆地沉積,位于湖南吉首地區(qū)。1九家龍-季家坡剖面2龍鼻嘴剖面1九家龍-季家坡剖面2龍鼻嘴剖面三峽地區(qū)九龍灣-季家坡剖面碳同位素變化在淺色厚層白云巖為主的蛤蟆井段和白馬馱段,13Corg值相對(duì)較高,在27‰~24‰波動(dòng),平均值26‰;而在深灰色薄層灰?guī)r為主的石板灘段,13Corg值相對(duì)較低,大部分落在29‰~26‰?yún)^(qū)間,平均值28‰在淺色厚層白云巖為主的蛤蟆井段和白馬馱段,13Corg值相對(duì)較高,在27‰~24‰波動(dòng),平均值26‰;而在深灰色薄層灰?guī)r為主的石板灘段,13Corg值相對(duì)較低,大部分落在29‰~26‰?yún)^(qū)間,平均值28‰在淺色厚層白云巖為主的蛤蟆井段,13Corg值相對(duì)較高,在-27‰~-24‰波動(dòng),平均值-26‰;在深灰色薄層灰?guī)r為主的石板灘段,13Corg值相對(duì)較低,大部分落在-29‰~-26‰?yún)^(qū)間,平均值-28‰燈影組13Corg的變化趨勢(shì)恰好與13Corg相反.在燈影組/巖家河組界線附近,13Ccarb有一個(gè)明顯的負(fù)異常,最低可達(dá)-5.4‰;與此同時(shí)13Corg也突然下降,最低值達(dá)-37‰;隨后,13Corg變回正值,水井沱組底部的另一個(gè)負(fù)異常出現(xiàn);而13Corg值小幅上升并穩(wěn)定在-33‰附近

從圖我們可以看出，與臺(tái)地相剖面的不同在于龍鼻嘴剖面沒(méi)有大于-30‰的數(shù)據(jù).前人對(duì)該剖面進(jìn)行過(guò)有機(jī)碳同位素的分析(WangJ等,2012),盡管所采用的脫碳酸鹽的方法不同,但是分析結(jié)果與之非常相近.

碳酸鹽巖的碳同位素組成易受成巖作用的影響，有研究者據(jù)13Ccarb和18O的共變關(guān)系,認(rèn)為陡山沱組頂部及其相當(dāng)?shù)貙拥?3Ccarb負(fù)異常是成巖作用或與自生碳酸鹽巖沉積有關(guān).但該異常在華南地區(qū)不同沉積環(huán)境下的多條剖面上都有記錄，在其他大陸近于同期的地層中也廣泛存在,很難用成巖作用和自生碳酸鹽巖解釋。生物降解和熱成熟過(guò)程可能會(huì)改變有機(jī)碳同位素的組成,通常小于2‰.在九龍灣-季家坡剖面對(duì)于貧有機(jī)質(zhì)的碳酸鹽巖的燈影組和家河組下部,樣品中由海洋自生光合作用微生物產(chǎn)生的有機(jī)碳含量較低,少量陸源碎屑或再循環(huán)有機(jī)碳的加入可能會(huì)改變?nèi)珟r有機(jī)碳的同位素值,加上自生光合作用產(chǎn)生的有機(jī)碳在成巖過(guò)程中比來(lái)自碎屑和再循環(huán)的有機(jī)碳更容易被分解,從而使后者對(duì)全巖13Corg的影響效應(yīng)被放大，通常會(huì)造成δ13Corg和δ13Ccarb的強(qiáng)烈解耦以及δ13Corg變化幅度的減弱.

由次級(jí)生產(chǎn)力(如化能自養(yǎng)微生物和甲烷氧化菌)產(chǎn)生的有機(jī)質(zhì)通常比光合作用產(chǎn)生的有機(jī)質(zhì)具有更低的13Corg值.如果這些有機(jī)質(zhì)及時(shí)埋藏,則會(huì)導(dǎo)致巖石記錄具有很低的13Corg值.我們認(rèn)為陡山沱組中下部和早寒武世地層中較低的13Corg和較高的?13Ccarb-org值,可能部分源于化能自養(yǎng)或甲烷氧化微生物對(duì)總有機(jī)質(zhì)貢獻(xiàn)的結(jié)果,因此,三峽地區(qū)這種受巖相控制的13Corg變化可能與分層海洋環(huán)境中由于氧化還原界面波動(dòng)導(dǎo)致的區(qū)域性環(huán)境變化相關(guān).

龍鼻嘴剖面和巖屋潭剖面極負(fù)的13Corg值需要13C更為虧損的碳源,在龍鼻嘴剖面的13Corg值同樣也存在顯著的在縱向上存在較大的變化,變化幅度超過(guò)6‰,這個(gè)特征也很難用DOC庫(kù)的強(qiáng)烈緩沖作用來(lái).很可能反映了次級(jí)生產(chǎn)力產(chǎn)生的有機(jī)質(zhì)對(duì)總有機(jī)質(zhì)貢獻(xiàn)的差異，或海洋表層生產(chǎn)力有較大的波動(dòng)。結(jié)論DOC庫(kù)的緩沖作用會(huì)形成相對(duì)均一的δ13Corg記錄，比如在三峽地區(qū)的陡山沱組中下部.

埃迪卡拉紀(jì)13Corg值縱向上和橫向上的巨大變化很難用巨大DOC庫(kù)的緩沖作用來(lái)解釋,因