镉同位素在古环境重建中的应用:以晚泥盆世弗拉期-法门期生物灭绝事件为例

磷(P)是海洋初级生物不可或缺的营养元素,现代海水中溶解态镉与磷的含量线性关系极好,表明镉可能作为海洋初级生物的营养元素而被利用。浮游生物优先摄取轻的镉同位素,使得海水中的镉同位素变化与海洋初级生产力的变化紧密相关。目前镉同位素已成功应用于二叠纪-三叠纪之交古海洋初级生产力的重建。广西桂林晚泥盆世弗拉期-法门期(Frasnian-Famennian, F-F)之交杨堤剖面的镉同位素数据显示,在F-F灭绝事件前,δ~(114)Cd总体偏重(0.03‰～0.49‰),指示当时海洋具有较强的初级生产力;F-F之交,δ~(114)Cd呈现负偏(-0.44‰～-0.01‰),表明这一时期海洋初级生产力显著下降;F-F灭绝事件后,δ~(114)Cd又逐渐增大(-0.04‰～0.13‰),反映灭绝事件后海洋初级生产力的恢复。海洋初级生产力的下降,导致了海洋生态系统中的食物链受到破坏,从而引发了F-F之交的生物灭绝事件。     

晚泥盆世弗拉期-法门期(F-F)之交海洋氧化:来自华南垌村剖面碳酸盐岩Ce异常证据

晚泥盆世弗拉期-法门期(Frasnian/Famennian,以下简称F-F)之交的生物灭绝事件是显生宙以来五大生物灭绝事件之一,这次灭绝一般认为与全球海洋缺氧有关。华南广西桂林是我国F-F地层最为发育、研究程度最高的地区之一,本研究利用碳酸盐岩Ce异常指标,对桂林地区垌村剖面F-F期间的古氧化还原条件进行了重建。结果表明,F-F期间碳同位素的正漂移对应着表层海洋的氧化而非先前广泛认为的缺氧。将这一发现与先前同一地区的地球化学和古生物数据相结合并进行综合分析,我们认为气候快速波动在F-F期间生物与环境巨变中扮演了最为关键的角色。气候变冷使得海水氧溶解量增加和赤道—极地之间海水温度梯度变大,海洋表层环流和垂直翻转变得更加活跃,导致深水营养物质向海洋表层的输送量增多,有效促进表层海洋初级生产力和有机碳埋藏通量升高,进而引起全球海水碳同位素值的提高。因此,本研究支持全球气候快速变冷而非海洋缺氧导致了F-F大灭绝事件。     

广西桂林杨堤晚泥盆世弗拉期-法门期之交上、下 Kellwasser事件的差异与海洋生产力变化

对广西桂林晚泥盆世弗拉期-法门期(Frasnian-Famennian,简称F-F)之交杨堤剖面的碳酸盐岩碳同位素、生物成因 Ba、Al、Si和氧化还原指标的综合分析,表明该地区F-F之交生产力较低,且两次Kellwasser事件具有不同特点:下Kellwasser (LKW)事件时期并未出现明显缺氧环境,生态系统中初级生产力和最终生产力均相对较高,δ13C小幅度正偏是由生产力上升 引起;上Kellwasser(UKW)事件时期海平面上升,陆源输入物极少,氧含量急剧下降,初级生产力有所增加,最终生产力锐减, 此时的δ13C大幅正偏是由于缺氧条件下有机碳缓慢积累埋藏保存所致.      

广西六景泥盆系弗拉斯阶-法门阶界线层牙形石生物地层及碳同位素组成

广西六景泥盆系剖面是中国泥盆系标准剖面之一,通过对其弗拉斯阶-法门阶(F-F)界线附近地层进行详细的牙形石生物地层研究,自下而上识别出3个牙形石带:晚rhenana带、linguiformis带和triangularis带。F-F界线位于融县组下部(第7号层与第8号层之间),在谷闭组顶界之上3.32,m处。碳同位素的分析结果表明,F-F之交δ13C具有显著正偏移,增幅为2.0‰,与湖南老江冲、广西垌村和杨堤以及欧洲、美洲、非洲和澳洲等地的F-F界线附近的碳同位素记录一致,且具有相近的变化幅度。δ13C正异常与F-F界线上的生物灭绝有关,由于食微生物的高等生物灭绝,微生物大量繁盛,诱导海水缺氧,导致海洋有机碳埋藏速率增加,从而形成δ13C的正偏。F-F界线层发育一套以碎屑灰岩为特色的事件沉积,该事件沉积在广西乃至全球具有等时性,可能与小行星碰撞地球引起的全球性海啸有关。     

鄂西地区上泥盆统碳质粉砂岩及黄铁矿地球化学特征

晚泥盆世弗拉期—法门期(F-F)之交生物大灭绝事件一直是被学者关注的热点,事件的起因与机制并没有定论。前人对华南地区事件期沉积序列、地层同位素、底栖、微体生物和维管植物的类型及演化进行了研究。但对事件起始期下Kellwasser事件研究较为薄弱,对其古气候、古环境认识尚不足。针对这些问题,本文对鄂西地区上泥盆统黄家磴组碳质粉砂岩与沉积黄铁矿微量元素与硫同位素进行测试分析,探讨了下Kellwasser事件期气候与环境。研究获得下列认识：1)晚泥盆世弗拉期鄂西地区为淡水环境,气候潮湿,水温约为31℃;2)受陆源营养物质供给的影响,海洋中生物生产力较高,大量沉积有机质分解,厌氧带向下扩张,造成水体氧化—还原带分层;3)大气氧含量介于17.23%～21.18%,黄铁矿δ³⁴S介于-12.01‰～-4.67‰,均未见明显波动;4)下Kellwasser事件未表现出明显的火山喷发、海水缺氧与构造作用成因的特征。研究成果为理解F-F生物大灭绝事件起因提供了参考,也丰富了中-上扬子地区晚泥盆世古气候、古环境认识。     

广西上泥盆统F-F界线碳同位素的变化特征

发生在晚泥盆世弗拉期(Frasnian)-法门期(Famennian)之交的生物灭绝事件(简称F-F事件)是古生代以来五大生物集群灭绝事件之一,其原因仍含糊不清。碳同位素研究显示,伴随F-F事件全球碳循环发生了显著的变化。但对中国南方F-F事件地层碳同位素变化特征的认识不够,缺乏系统的研究。对广西桂林杨堤上泥盆统灰岩剖面的碳同位素的分析结果表明,在上泥盆统存在两次碳同位素正偏移,分别出现在下rhenana带和F-F的界线,其中,出现在F-F界线的碳同位素正偏移与广西垌村以及欧美和非洲等地的上泥盆统F-F界线附近的碳同位素记录一致,且具有相近的变化幅度。进一步对广西桂林附近的杨堤和垌村剖面F-F界线的碳同位素组成变化模式的分析发现,这次正偏移可能是由多次次级变化组成,与F-F事件中生物的灭绝步骤相似。     

寒武纪第十期早期海洋氧化还原波动：来自U 同位素的证据

寒武纪晚期到奥陶纪早期的海洋动物多样性整体水平较低,生物地球化学研究认为可能与海洋氧化还原状态波动有关,但仍证据较少。保存良好的海相碳酸盐岩沉积被认为能够记录古代海水的地球化学信息,其铀同位素组成 (δ238U) 可用来反映全球海洋的氧化还原状态。文章测定了华南瓦儿岗剖面寒武系第十阶底部海相碳酸盐岩的δ238U值,结果显示在寒武纪第十期早期U同位素组成可能存在三次负漂移,对应的δ238U值分别为-0.8‰、-0.55‰和-0.60‰,指示三个海洋缺氧时段。通过U同位素质量平衡模型计算得出,三个缺氧时段全球海洋底层水体分别约有22％、3.5%和5%的缺氧面积。初步推断第一次缺氧可能与风化输入营养元素增强致初级生物生产力提高有关,而其后的两次缺氧可能与原先的海底缺氧水体在海侵阶段上涌扩散有关。     

中国南方灯影峡期海洋碳酸盐岩原始δ13C和δ18O组成及海水温度

中国南方灯影峡期(晚前寒武纪)是白云岩广泛发育的海洋碳酸盐沉积时期,在灯影组.中部发育从海水直接沉积、沉淀的原生白云岩,目前仍保留其原始组构特征。从40个原生白云石(岩)中测得:泥晶白云石的δ13C值为3.64‰,δ18O值为-1.17‰(n=6);藻白云岩的δ13C值为3.52‰,δ18O值为-1.86‰(n=15);海水纤状白云石胶结物δ13C值为2.90‰,δ18O值为-2.65‰(n=8);海水刃状白云石胶结物的δ13C值为2.96‰,δ18O值为-2.41‰(n=8);泥晶纹层和海水纤状白云石胶结物的δ13C值为2.79‰,δ18O值为-3.13‰。40个岩样的δ13C平均值为3.25‰±0.44‰,δ18O平均值为-2.12‰±0.98‰(均以PDB标准)。对于灯影峡期海相白云岩的原始δ13C和δ18O值,不采用所有样品的平均值,而是采用原生白云石沉积物与海水白云石胶结物δ13C值和δ18O值两个图示分布区重叠部分的最重同位素值,即：δ13C值为4.43‰(PDB标准),δ18O值为-0.62‰(PDB标准),将其作为灯影峡期海洋碳酸盐岩的原始同位素组成。对海水原生白云石胶结物包裹体盐度进行了测定,海水δ18O计算值为2.90‰(SMOW标准),用原始δ18O值计算的原生白云石形成时的海水温度为40.8 ℃。这说明中国南方灯影峡期的海洋为炎热的较高的海水温度环境。     

菌藻类繁盛:晚泥盆世大灭绝的疑凶?

广西桂林杨堤剖面的地球化学数据显示晚泥盆世弗拉期末—法门期海平面波折上升、水体从富氧变为贫氧,同时无机、有机碳同位素(δ13Ccarb和δ13Ckerogen)分别从 0.43(‰V-PDB)→ 3.54(‰V-PDB)和-29.38(‰V-PDB)→-24.14(‰V-PDB),可以与北美、欧洲等地进行对比.通过对海平面变化、缺氧程度分析,并结合岩石薄片,我们认为这种快速正向波动是由以菌藻类生物为主要生产者的海洋生产力迅速增加引起的.镜下观察发现,F-F大灭绝中菌藻类不但未受影响反而更加繁盛.与之相对应,对营养盐P及菌藻类生长刺激元素Fe、Zn的研究也发现在晚弗拉期出现几次含量突增.更值得注意的是其来源主要由陆地输入,这就印证了晚泥盆世陆生植物大规模繁盛使得生物化学风化盛行,导致地表径流向陆表海输送的营养物质增加改变了海洋化学环境,富营养化的海水使菌藻类繁盛并造成其他生物灭绝的假说.     

安徽巢湖下三叠统含巢湖龙动物群地层碳氧同位素特征及意义

安徽巢湖地区在早三叠世斯帕斯亚期经历了从深水盆地到外缓坡两种环境的海退过程。利用稳定碳氧同位素测试结果,对巢湖马家山剖面下三叠统南陵湖组中上段含巢湖龙动物群地层的碳氧同位素特征进行了初步分析,探讨了巢湖龙动物群化石产出层段地层所反映的沉积环境背景。马家山剖面南陵湖组中段及上段δ13C值变化范围在-7.312‰~3.936‰之间,变化幅度为11.248‰,平均值-0.857‰。碳同位素与生物初级生产力成正比,南陵湖组中上段稳定碳同位素曲线大幅度负漂移,说明早三叠世海洋生物量稀少,生物初级生产力较低。同时,研究区δ18 O值变化范围在-12.081‰~-3.545‰之间,变化幅度为-8.536‰,平均值-6.598‰。氧同位素与古海水温度成反比,δ18 O值普遍偏低,很可能说明斯帕斯亚期延续了斯密斯亚期末期海水的高温度。综合巢湖地区马家山剖面南陵湖组中段及上段地层沉积特征及稳定碳氧同位素曲线特征,分析出巢湖龙动物群生活在安静的外缓坡—深水盆地,生物初级生产力较低且海水温度总体偏高的环境中。     

渝东地区寒武系龙王庙组高分辨率碳酸盐岩碳同位素记录及其古海洋学意义

早寒武世中―晚期是生命演化史上的重要节点。渝东地区寒武系龙王庙组海相碳酸盐岩地层记录了当时海水的碳同位素变化。在确保碳同位素组成有效保留海水原始信息基础上,分析发现龙王庙组61个碳酸盐岩样品的δ~(13)CV-PDB值分布在+2.7‰~-4.3‰之间;碳同位素变化曲线大体上呈先降低、后升高的变化趋势;地层中―下部δ~(13)C值波动幅度大,正、负漂移事件频发,出现可全球对比的幅度约为4‰的正漂移与幅度约为5‰的负漂移事件;地层上部δ~(13)C值具小幅波动,总体正偏。龙王庙组碳酸盐岩的碳同位素特征,受控于海平面变化、风暴沉积、生物演化引起的海洋生产力变化。龙王庙组沉积的早―中期,海平面变化频繁,陆源碎屑注入量波动性增大,风暴沉积发育,海洋环境的稳定性较差,生物种属数量逐渐降低,导致海洋原始生产力下降及碳同位素组成的频繁波动与多次负漂移事件。龙王庙组沉积的中―晚期,海平面长期缓慢上升,风暴沉积发育程度低,海洋环境趋于稳定,生物多样性增强,海洋原始生产力增大,使得碳同位素组成分布较为稳定,多表现为正值。渝东地区龙王庙组碳酸盐岩中δ~(13)C的急速负漂移可能归因于较浅水体、较充足陆源碎屑注入背景下的风暴沉积。     

多接收器电感耦合等离子体质谱法测定镉标准溶液中镉的同位素组成

建立了多接收器电感耦合等离子体质谱仪对Cd标准溶液同位素组成进行分析的实验方法。仪器的质量分馏校正采用Standard-Sample Bracketing法。实验结果用δ114/110Cd来表达。在此研究基础上,以SPEX Cd标准溶液为参考标准,对国外4种Cd标准溶液进行了测定。结果表明,实验测定的精度在0.07‰~0.13‰(δ114/110Cd),与目前文献报道的结果具有相似的精度。以最新SPEX Cd标准样品(δ114/110Cd=0)为基准,计算的δ114/110CdJMC、δ114/110CdSPEX-1、δ114/110CdBAM1012和δ114/110CdM櫣nster的值分别为0.55‰、0.56‰、-0.65‰和5.14‰,说明不同批次SPEX标准溶液的Cd同位素组成是明显不同的,最新的SPEX Cd标准溶液与SPEX-1 Cd的δ114/110Cd值存在着0.56‰的差别。将以SPEX Cd为参考标准的δ114/110CdBAM1012和δ114/110CdM櫣nster转化为以SPEX-1或JMC为参考标准后,得到的结果与文献报道的结果在误差范围内一致。     

重庆东部地区寒武系龙王庙组碳、氧同位素特征及其意义

在野外露头和镜下薄片观察分析的基础上,对重庆东部地区下寒武统龙王庙组83个碳酸盐岩样品的碳、氧同位素进行测试,并分析了其所保留的海水原始信息的有效性。结果表明,扣除无效数据后,重庆地区龙王庙组δ~(13)C值分布在-4.300‰~2.694‰之间,平均值为-0.031‰;δ~(18)O值分布在-9.880‰~-0.100‰之间,平均值为-7.396‰;纵向上,碳同位素值整体呈现先降低后升高的趋势,底部、中上部及顶部为正值且变化幅度小;中下部整体为负值且波动幅度大,正、负漂移事件频发。古环境恢复结果显示,龙王庙期重庆东部地区整体处于海相沉积环境,海水盐度在龙王庙组早期较低,晚期较高;海水温度主要介于20~30℃之间,属温暖或炎热的亚热带气候;龙王庙期共经历3期海退—海侵作用,海平面上升、海洋生产力增加、有机碳快速埋藏使得海洋中13C含量升高,反之则使其降低。龙王庙组沉积中期与末期,δ~(13)C值负偏,水体较浅,盐度较高,是白云岩发育的最有利阶段。     

贵州纳雍枝铅锌矿床成因研究：来自镉同位素和微量元素的约束

纳雍枝铅锌矿床是贵州省内发现的第一个大型铅锌矿床,前人对该矿床进行过大量地质和地球化学研究,对该矿床成因有了一定认识,但其成矿金属来源,特别是其中稀散金属(如Cd)的来源却少有涉及。本文分析了该矿床硫化物和精矿样品的微量元素及镉同位素组成,结合该区域不同地质端元的地球化学数据,来探讨以Cd为代表的稀散金属来源。结果表明,样品的Zn/Cd值变化较大(377～953),均高于川滇黔地区沉积岩的Zn/Cd比值(13～367),而更接近火成岩的Zn/Cd值(515～1319)。精矿和闪锌矿样品的镉同位素组成(δ^114/110Cd _NIST-3108)变化范围极小(-0.09‰～-0.05‰),与已获得的岩浆岩数据一致(-0.22‰～0.15‰),但明显区别于该地区的碳酸盐岩地层(-0.25‰～0.82‰)。结合精矿的Zn/Cd-δ^114/110Cd _NIST-3108关系图解和前人研究成果,本文认为该矿床金属成矿物质(如镉、铅等)主要来自基底。     

川南地区晚奥陶-早志留世沉积环境与古气候的地球化学特征

奥陶-志留纪之交的地表环境异常活跃,全球冰川事件、海洋缺氧事件以及生物灭绝等事件频发。为了解扬子地区晚奥陶世海洋沉积环境与古气候之间的关系,对四川盆地的双河剖面进行了主元素、微量元素分析。古生产力指标(Ba/Al、Ni/Al)表明晚奥陶世扬子海域初级生产力较高,氧化还原指标(V/Cr、U/Th和U-Mo协变模式)指示凯迪期(五峰组)海水氧化还原条件由早期次氧过渡为厌氧还原条件,赫南特冰期发生氧化,鲁丹期(龙马溪组)则再次缺氧还原。五峰组和龙马溪组的化学风化指数(ICIA)平均值分别为71和72,指示温暖潮湿气候条件,赫南特期观音桥段平均值为61,指示寒冷干旱气候特征。同时,晚奥陶世δ13Corg正偏表明气候变化可能是有机质埋藏和黑色页岩广泛发育的结果。     

中国南方灯影峡期海洋碳酸盐岩原始δ^13C和δ^18O组成及海水温度

中国南方灯影峡期(晓前寒武纪)是白云岩广泛发育的海洋碳酸盐沉积时期．在灯影组中部发育从海水直接沉积、沉淀的原生白云岩。目前仍保留其原始组构特征。从40个原生白云石(岩)中测得：泥晶白云石的δ^13C值为‰,δ^18O值为-1.17‰（n=6);藻白云岩的δ^13C值为3.52‰,δ^18O值为-1.86‰（n=5);海水纤状白云石胶结物δ^13C值为2.90‰,δ^18O值为-2.65‰（n=8);海水刃状白云石胶结构的δ^13C值为2.96‰,δ^180值为-2.41‰(n=8);泥晶纹层和海水纤状白云石胶结物的δ^13C值为2.79‰,δ^18O值为-3.13‰。40个岩样的δ^13C平均值为3.25‰±0.44‰,δ^18O平均值为-2.12‰±0.98‰（均以PDB标准)。对于灯影峡期海相白云岩的原始δ^13C和δ^18O值,不采用所有样品的平均值．而是采用原生白云石沉积物与海水白云石胶结物δ^13C值和δ^18O值两个图示分布区重叠部分的最重同位素值,即δ^13C值为4.43‰（PDB标准）,δ^18O值为-0.62‰（PDB标准）,将其作为灯影峡期海洋碳酸盐岩的原始同位素组成。对海水原生白云石胶结物包裹体盐度进行了测定,海水δ^18O计算值为2.90‰（SMOW标准）,用原始δ^18O值计算的厚生白云石形成时的海水温度为408℃。这说明中国南方灯影峡期的海洋为走热的较高的海水温度环境。     

塔深1井寒武系白云岩储层同位素流体地球化学示踪

通过对塔里木盆地沙雅隆起阿克库勒凸起东部塔深1井寒武系白云岩岩石学特征及成岩成因分析,影响塔深1井寒武系地层流体改变主要成岩有准同生期、埋藏期和后期热液改造期等.塔深1井寒武系白云岩及充填孔、洞、缝内方解石的氧、碳、锶同位素地球化学特征表明:准生期白云岩δ~(13)C_(PDB)值(0.9‰～1.8‰)偏正、δ~(18)C_(PDB)值(-10.1‰～-4.2‰)偏负反映准同生期泥微晶白云石成因属于高盐度的海水使得碳酸盐泥发生白云石化;埋藏期白云岩碳、氧随重结晶作用加强,白云岩晶粒由细向粗变化值随埋深增加,由于同位素分馏作用而偏负,δ~(18)C_(PDB)值(-10.02‰～-5.7‰)呈明显的下降,但δ~(13)C_(PDB)值(-1.4‰～0‰)组成变化不大;后期热液白云岩在热液作用下δ~(18)C_(PDB)值普遍低于-10‰(δ~(18)C_(PDB)/‰-13.1～-9.4,δ~(13)C_(PDB)/‰-2～-0.647);基质方解石δ~(18)C_(PDB)值为-10.1‰～-10.13‰,δ~(13)C_(PDB)值为-1.48‰～-1.62‰;充填孔洞缝粗-巨晶方解石δ~(18)C_(PDB)值为-10.89‰～-14.28‰,δ~(13)C_(PDB)值为-2‰～-3.09‰,反映准同生期→埋藏期→后期热液晶粒大小由泥微晶→细晶→中晶→粗晶氧碳同位素值逐渐变小偏负,据~(87)Sr/~(86)Sr(0.707 284～0.746 888)值均远高于现今海洋中海水的锶同位素组成(0.708)及围岩的锶同位素(0.707 284),说明鞍形白云石以及方解石结晶时的孔隙流体不是残余在岩石孔隙中的同生期海水,而是外来的富含锶的流体,也就是深部热液流体.渗透回流白云石化、埋藏白云石化和高温热液白云石化等特征表明白云岩形成于超盐度、埋藏和高温热液等3种不同的环境,因此影响储层形成与分布,从而影响对白云岩的勘探.     

四川盆地东部下寒武统龙王庙组碳、氧同位素组成及古环境意义

在野外沉积特征研究、室内薄片观察的基础上,对四川盆地东部龙王庙组22个碳酸盐岩样品的碳、氧同位素进行测试,在充分论证样品的有效性后,分析研究区龙王庙组碳、氧同位素特征,进而探讨龙王庙组沉积期的古气候及古海洋环境。样品实验数据显示δ13C值分布在-1.533‰~2.619‰,平均为0.046‰;δ18O值分布在-9.916‰~-3.580‰,平均为-7.746‰;碳、氧同位素整体变化趋势与扬子地台其他区域基本相同。古海洋环境恢复表明,龙王庙组沉积期四川盆地东部整体处于海相环境,海水盐度呈先降低、后增高、复又降低的多段式变化;海水温度主要分布在20~30℃,属于温暖或炎热的亚热带气候;在海平面缓慢波动性下降、陆架暴露、生物灭绝的沉积环境影响下,龙王庙组δ13C值具有负漂移的演化趋势。龙王庙组沉积中期的水体深度最浅,古盐度最高,是白云岩最为有利的发育阶段。     

大塘坡期锰矿层中黄铁矿异常高的δ34 S值的意义

我国南方末元古代间冰期的锰矿层(大塘坡期)出现了普遍超过+4‰的异常高δ34S值的沉积黄铁矿,这是全球性的"雪球"事件的响应.全球海洋从"冰室"到"温室"的剧烈环境变化不仅诱发"早寒武世生物大爆发",也是产生海洋硫和碳同位素巨大漂移的原因.     

贵州瓮安陡山沱组剖面碳同位素生物地球化学研究

在对扬子地台贵州瓮安陡山沱组剖面干酪根碳同住素组成进行分析后发现其变化显示了一定的规律性。碳同住素规律变化反映了最初的沉积信息,特别是有机质埋藏量的变化。获得的陡山沱期沉积岩中碳同位素组成研究结果初步反映了震旦一寒武交变期沉积环境的面貌;碳同位素组成变化规律可以用于反映扬子地台沉积层序和世界同期地层全球碳循环的对比和参考。为扬子区陡山沱期环境变化和生物演化提供了证据。δ^13Cker值在-32．3‰和-24．5‰(PDB)间漂移与δ^13Ccarb值在-4．9‰和3．6‰(PDB)间的变化,反映了当时海水的碳同位素组成。无机和有机碳同位素组成之差的△δorg-carb值沿剖面不断变化,是由于沉积有机质中有促进发酵功能的细菌数量比例变化所致。