汤冬杰：华北中元古代下马岭组海相红层与铁循环

发布时间：2021-04-09     作者：[科学研究院]    阅读：134次

     沉积地层中红色岩层的产出常因其亮眼的颜色而格外引人注目。在海洋中沉积形成的红色岩层被称为海相红层，其内包含的微小铁氧化物颗粒是主要的致色物质。由于铁是变价元素，因此红层中铁氧化物的产出常被用来指示氧化海水条件。但是，红层里面的铁氧化物可能有不同的来源和成因，使得红层具有不同的古环境意义。如果铁氧化物源自陆地风化物，那么这种红层并不具有指示水体氧化还原条件的意义；如果铁氧化物是在早期成岩阶段沉积物孔隙水内氧化而成，那么这种红层可指示强烈氧化的条件；如果铁氧化是在水柱或者沉积物-水界面处形成，则可能表明适度氧化的条件。距今16-10亿年的中元古代大气和海洋长期低氧，但在华北中元古代下马岭组（距今约14亿年）却发育了沉积于风暴浪基面之下（>100 m）的海相红层。这些红层的形成过程是怎样的？它们反映了怎样的海洋化学条件呢？

针对上述科学问题，我校“深时生命与环境演化”求真研究群体成员汤冬杰副教授和史晓颖教授以及博士研究生马坚白与加拿大麦吉尔大学Lechte博士以及中国科学院周锡强副研究员合作，以河北怀来下马岭组二段红层为研究对象，开展了详细的沉积学、矿物学和地球化学研究工作，在海相红层成因机制及铁循环过程方面取得的创新性成果如下：

1、X射线粉晶衍射（XRD）、能谱（EDS）定性和定量分析、背散射电子衍射（EBSD）成像系统物相鉴定综合分析表明下马岭组海相红层的致色矿物为赤铁矿；半自形-自形晶体形态以及片状赤铁矿的面-边、面-面接触特征，指示赤铁矿具有非碎屑成因，由水柱中亚铁离子氧化形成铁氢氧化物发生沉积，在晚期成岩阶段脱水转化而成（图1、2）。

2、海相红层沉积中缺乏明显的Eu正异常，表明近源热液不是海相红层的主要铁源；红层内夹有经异化铁还原作用（DIR）形成的大量铁白云石结核，可能表明陆源含铁物质在沉积物内经DIR过程释放的Fe(II)是红层的重要铁源。

3、红层中发育的早期成岩成因铁白云石结核具有非零的I/(Ca+Mg)比值、高Mn含量、正Ce异常特征，指示水体中存在Mn和I的氧化还原循环，铁氧化物由Fe(II)经O2氧化形成。但是，厚达~12 m的下马岭组红层，大约需要1.8 myr的沉积时间，这期间需要Fe(II)持续供给。因此，下马岭组二段底部铁建造（Tang et al., 2017, AM）向中部红层的转变，代表了强烈缺氧铁化海水向适度氧化而非完全氧化海水的转变，红层形成时期风暴浪基面之上的海水仍受到深部缺氧铁化海水的持续影响（图3）。

该研究基于海相红层致色矿物的原位微区分析，准确识别了其矿物类型和成因特征，提供了从矿物学角度探讨元古宙中期铁循环过程的重要视角。研究所采用的样品氩离子剖光、高精度镀膜、场发射扫描电镜（FESEM）背散射（BSE）超微观察与EDS微区定量分析和EBSD矿物识别相结合的方法凸显了实验室特色，对其他微小矿物（如200 nm大的磁铁矿和赤铁矿）的辨识具有重要的借鉴意义。

上述研究成果发表在矿物学顶级期刊《American Mineralogist》上：Tang, D.J.*, Ma, J.B., Shi, X.Y., Lechte, M., Zhou, X.Q., 2020. The formation of marine red beds and iron cycling on the Mesoproterozoic North China Platform. American Mineralogist, 105, 1412-1423. [IF2019 = 2.922]

全文链接https://doi.org/10.2138/am-2020-7406