地质地球所阐明华南二叠系栖霞组下部有机质富集机理

    　地质历史时期广泛发育富有机碳的沉积物，它们不仅是重要的潜在烃源岩，同时还记录了地质重要转折时期的古气候和古环境等信息。然而，对该类沉积物中有机质的富集机理尚存争议。争论的焦点主要集中在于，导致有机质的富集的两种主要因素即海洋表层初级生产力和氧化还原条件，究竟哪个起主导作用。以往的研究多集中在极度缺氧或高强度的洋流上涌地区，而对于贫氧—氧化条件下有机质富集机理的研究较少。

　　中科院地质与地球物理研究所油气资源研究室博士生韦恒叶在导师陈代钊研究员的指导下，选择湖北省西部恩施地区的二叠系栖霞组下部富有机碳泥质灰岩为研究对象，通过沉积旋回、黄铁矿形态与粒径、C-S-Fe关系、黄铁矿硫同位素以及微量元素Ba和Mo的分析，重构了相对海平面变化、水体的氧化还原条件以及海洋初级生产力的高低。研究表明，草莓状黄铁直径均大于6 μm，平均值达7.3 μm （图1），黄铁矿形成于水—沉积物界面以下的缺氧带中，沉积水体并没有达到缺氧或硫化条件，而是在沉积过程中呈现贫氧与氧化的交替变化。黄铁矿矿化度（DOP）主要分布在0.45至0.75之间（图2），指示贫氧的水体环境。黄铁矿硫同位素比值δ34Spy较重，仅为-6‰至-17‰，指示非缺氧的水体环境。氧化还原参数DOP与TOC的相关性较差（R2=0.38）而与海洋表层初级生产力参数Mo的相关性较好（R2=0.62），说明有机碳的埋藏与初级生产力的关系更为密切。在贫氧的水体条件下，由于水体仍然含有少量的氧，不利于有机质的保存，因此沉积物中高有机碳含量可能主要是由于高的海洋表层初级生产力造成的。在高的初级生产力条件下，大量的有机质沉入海底，在水体中形成有机雨，其中绝大部分被分解，而有机质的分解会消耗大量的氧，从而形成贫氧的水体环境，使部分有机质得以保存。有机质往往富集于复合旋回组的底部，也即不同级次（特别是长周期）叠加的海平面上升期，而海平面的上升会带来丰富的营养物，从而诱发海洋初级生产力的提高。因此，有机质的富集受长期（三级）的海平面变化控制。

　　该研究成果近期发表在国际知名地学期刊Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology上（Wei et al. Organic accumulation in the lower Chihsia Formation (Middle Permian) of South China: Constraints from pyrite morphology and multiple geochemical proxies. Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology. 2012, 353–355: 73–86）。

　

　　

　　图1：研究剖面草莓状黄铁矿粒径变化的盒须图。方盒左端代表全部统计数目中25%的草莓状黄铁矿的直径大小，右端代表75%的草莓状黄铁矿的直径大小，方盒中的竖线代表50%的草莓状黄铁矿的直径大小，即中值大小，横线（须）的左端为最小值，右端为最大值。（草莓状黄铁矿直径越小，说明其形成的时间越短，就越早脱离缺氧带；直径越大，其形成时间越长，越晚脱离缺氧带。直径小于4.7 ± 0.5 μm说明黄铁矿形成于水体中的缺氧带，大于该数值则一般形成于水体氧化的沉积物中）。

　　

　　图2：研究剖面多种地球化学参数曲线变化图。DOP=（黄铁矿中铁含量/（黄铁矿中铁含量+酸溶铁的含量）。虚线箭头指示有机碳TOC变化的旋回性，与地层的复合旋回组相对应，有机碳富集于复合旋回组的底部，也即不同级次海平面叠置上升期。