趙平平 江茂生 李任偉

(1.中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所油氣資源研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100029；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院 北京 100049)

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揚(yáng)子地區(qū)中—晚奧陶世轉(zhuǎn)折期的碳同位素漂移事件及其成因探討

趙平平1,2江茂生1李任偉1

(1.中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所油氣資源研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100029；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院 北京 100049)

中—晚奧陶世轉(zhuǎn)折期的兩次全球性碳同位素正漂——Middle Darriwilian Inorganic Carbon Excursion(MDICE)和 Guttenberg Inorganic Carbon Excursion(GICE)——在發(fā)生時(shí)間上與生物輻射、全球大規(guī)模海侵和地球磁極的倒轉(zhuǎn)等重大地質(zhì)事件，以及海水鍶、氧、硫同位素的顯著變化相吻合，說(shuō)明它們可能受相同形成機(jī)制的控制。在報(bào)道了揚(yáng)子地區(qū)陳家河剖面中—晚奧陶世界線附近的這兩次碳同位素正漂事件，并與塔里木盆地進(jìn)行對(duì)比之后發(fā)現(xiàn)，揚(yáng)子地區(qū)和塔里木盆地的MDICE和GICE與海水鍶同位素比值的快速劇烈下降出現(xiàn)在同一層位，指示這兩次碳同位素的正漂的形成可能和當(dāng)時(shí)洋中脊熱液活動(dòng)的加劇有關(guān)。海底熱液系統(tǒng)能夠通過向海水中注入鐵等生命必需元素，刺激海洋生物的繁盛，提高海洋的生產(chǎn)力和有機(jī)碳的埋藏，進(jìn)一步引起了MDICE和GICE這兩次碳同位素正漂。

揚(yáng)子地區(qū) 中—晚奧陶世轉(zhuǎn)折期 碳同位素漂移 MDICE GICE 熱液活動(dòng)

0 引言

中/晚奧陶世界線附近是地質(zhì)歷史時(shí)期非常獨(dú)特的一個(gè)階段，期間發(fā)生了諸如生物輻射、大規(guī)模海侵、地球磁極倒轉(zhuǎn)等重大地質(zhì)事件[1-4]。寒武紀(jì)的生命大爆發(fā)構(gòu)建出了地球“生命之樹”的基本框架，而于中/晚奧陶世界線附近達(dá)到高峰的奧陶紀(jì)生物大輻射事件(Great Ordovician Biodiversification Event, GOBE)則是在目(Order)、科(Family)、屬(Genus)和種(Species)等水平上極大地豐富了當(dāng)時(shí)的海洋生態(tài)系統(tǒng)，使得地球“生命之樹”枝繁葉茂[1,5]。全球海平面在中奧陶世晚期(Darriwilian階)開始快速上升，并在晚奧陶世的Sandbian階(或Katian階)達(dá)到整個(gè)顯生宙的最高位[2,6]。地球的磁場(chǎng)在中/晚奧陶世轉(zhuǎn)折期發(fā)生了劇烈變化：早奧陶世的地球磁場(chǎng)幾乎一直是負(fù)向極性，而在Glyptograptusteretiusculus-Nemagraptusgracills筆石生物帶附近(相當(dāng)于Darriwilian階晚期—Sandbian階早期)，地球磁極迅速發(fā)生倒轉(zhuǎn)；到了晚奧陶世，地球磁場(chǎng)則以正向極性為主[3,7-8]。

海水的地球化學(xué)組成在中/晚奧陶世轉(zhuǎn)折期也有顯著變化[9]。Darriwilian階中期至Sandbian末期(或Katian初期)，海水的鍶同位素比值87Sr/86Sr由～0.708 7快速下降至～0.708 0[10]。海水氧同位素比值δ18O在早奧陶世和中奧陶世早期一直呈穩(wěn)步上升趨勢(shì)，但是到了Darriwilian階中期，δ18O 趨于穩(wěn)定，甚至開始小幅下降[11]。海水的硫循環(huán)在Darriwilian階也迎來(lái)重大調(diào)整：海水硫酸鹽的硫同位素比值δ34SCAS由～30‰大幅下降至～15‰；而硫化物的硫同位素比值δ34SPY則由～-10‰大幅上升至20‰[12]。對(duì)于海洋無(wú)機(jī)碳庫(kù)來(lái)說(shuō)，中/晚奧陶世界線附近也是一個(gè)重要的分水嶺：早奧陶世和中奧陶世的早期，δ13Ccarb值大致穩(wěn)定在-2‰～0之間，期間沒有出現(xiàn)劇烈的波動(dòng)[13]；而到了中奧陶世晚期和晚奧陶世，海洋的無(wú)機(jī)碳庫(kù)進(jìn)入了震蕩期，先后出現(xiàn)了至少五次全球性的碳同位素正漂事件[2,14]。在這五次全球性的碳同位素正漂中，Darriwilian階中期的Middle Darriwilian Inorganic Carbon Excursion (MDICE)正漂和Sandbian-Katian階界限處的Guttenberg Inorganic Carbon Excursion (GICE)正漂發(fā)生于中/晚奧陶世的轉(zhuǎn)折期，與上文中提及的奧陶紀(jì)生物輻射、海平面上升和磁極倒轉(zhuǎn)等重大地質(zhì)事件，以及海水鍶、氧、硫同位素比值的顯著變化在發(fā)生時(shí)間上相吻合，這指示它們可能受相同形成機(jī)制的控制。因此，對(duì)MDICE和GICE的深入研究有助于我們更好地理解中/晚奧陶世轉(zhuǎn)折期的一系列地質(zhì)事件和海水化學(xué)成分的變化。本文報(bào)道了華南揚(yáng)子地區(qū)陳家河剖面的這兩次碳同位素正漂，并與同一地區(qū)的普溪河剖面以及塔里木盆地的剖面進(jìn)行了對(duì)比，然后重點(diǎn)探討了這兩次全球性碳同位素正漂的形成機(jī)制，為我們對(duì)中/晚奧陶世轉(zhuǎn)折期的理解提供約束。

1 研究區(qū)地質(zhì)背景

華南板塊由揚(yáng)子和華夏兩個(gè)小的板塊組成(圖1)，兩者之間的具體邊界不甚清楚。揚(yáng)子和華夏板塊在新元古代早期發(fā)生碰撞，碰撞之后在新元古代至古生代早期，兩個(gè)板塊之間發(fā)育裂谷，但是裂谷并沒有繼續(xù)發(fā)展成為真正的大洋。后來(lái)的一次陸內(nèi)造山運(yùn)動(dòng)造成了裂谷的閉合[15-17]。陳旭等[18-19]根據(jù)Diplacanthogratuscaudatus-D.spiniferus筆石生物帶之間發(fā)生的深水筆石頁(yè)巖相到淺水碎屑巖相的劇烈相變，將華南的這次陸內(nèi)造山運(yùn)動(dòng)的起始時(shí)間定在晚奧陶世的凱迪階早期。

奧陶紀(jì)的揚(yáng)子板塊可分為三個(gè)主要沉積單元：揚(yáng)子臺(tái)地、江南斜坡和珠江盆地(圖1)。三個(gè)沉積單元大致呈北東—南西向平行分布，從西北向東南，水體逐漸加深。揚(yáng)子臺(tái)地主要發(fā)育淺水的碳酸鹽巖，江南斜坡發(fā)育深水的碎屑巖和筆石頁(yè)巖，珠江盆地則以筆石頁(yè)巖和復(fù)理石沉積為主[20-21]。本文所研究的陳家河剖面位于揚(yáng)子臺(tái)地之上，距離中/下奧陶統(tǒng)的全球界線層型剖面(GSSP)——黃花場(chǎng)剖面的直線距離只有～4.5 km(圖1)。陳家河剖面無(wú)論是在巖性，還是在古生物地層序列上，均與黃花場(chǎng)剖面一致。因此，兩條剖面可以直接進(jìn)行對(duì)比[22]。國(guó)際上中/晚奧陶世之間的界線(也即是Darriwilian階和Sandbian階之間的界線)是以筆石Nemagraptusgracilis的首次出現(xiàn)為標(biāo)志[23]，而前人的筆石生物地層資料顯示，宜昌地區(qū)的Nemagraptusgracilis筆石生物帶出現(xiàn)廟坡組的中上部[24]。所以，本文將陳家河剖面的中/晚奧陶世界線畫在廟坡組之內(nèi)(圖2)。

圖1 A.奧陶紀(jì)(～458 Ma)華南板塊的地理位置(引自http://www.scotese.com/earth.htm)；B.奧陶紀(jì)華南板塊主要沉積相的分布[20]；C.陳家河、普溪河和黃花場(chǎng)剖面在研究區(qū)中的具體位置[24]。Fig.1 A. Paleogeographic reconstruction showing the location of South China paleoplate in the Ordovician(at ca. 458 Ma)(http://www.scotese.com/earth.htm); B. Distribution map of major sedimentary facies during the Ordovician in South China[20]; C. Specific locations of Chenjiahe, Puxihe and Huanghuachang Sections in the study area[24]

圖2 湖北宜昌陳家河剖面中/晚奧陶世界線附近的碳同位素曲線Fig2 The reconstructed carbon isotope curve around the Middle-Late Ordovician boundary at Chenjiahe Section in Yichang, Hubei

現(xiàn)將陳家河剖面中/晚奧陶世界線附近的三個(gè)組——牯牛潭組、廟坡組和寶塔組的巖性簡(jiǎn)單描述如下：牯牛潭組化石較豐富，厚約23 m，下部以黃綠色—灰色薄層或厚層生物瘤狀泥晶灰?guī)r為主，發(fā)育生物鉆孔，且夾有少許極薄的黏土巖，上部為灰色薄層至中厚層生物泥晶灰?guī)r，該組從下往上構(gòu)成了水體變淺的沉積層序；廟坡組在揚(yáng)子臺(tái)地上的分布比較局限，在陳家河剖面，該組表現(xiàn)為灰黑色筆石頁(yè)巖夾灰色泥晶灰?guī)r透鏡體，厚度只有～2 m，化石豐富；寶塔組為一套淺紫灰色中厚層生物泥晶灰?guī)r，夾少量青灰色薄層至中厚層瘤狀泥晶灰?guī)r，該組“龜裂紋”十分發(fā)育，而且在揚(yáng)子臺(tái)地上廣泛分布[25-26]。

2 實(shí)驗(yàn)方法和結(jié)果

本次研究中的碳氧同位素分析在中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所的穩(wěn)定同位素實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。首先，選取受成巖作用影響較弱的泥晶灰?guī)r，將全巖樣品無(wú)污染磨制成200目的粉末，采用磷酸鹽法制備CO2，并將其在MAT 252型氣體同位素質(zhì)譜儀上測(cè)試，測(cè)試所得原始數(shù)據(jù)見表1，數(shù)據(jù)的單位均為千分之一(‰)，并以VPDB標(biāo)準(zhǔn)給出，單個(gè)測(cè)試結(jié)果的重復(fù)精度高于0.08‰。

表1 湖北宜昌陳家河剖面中/晚奧陶世界線附近碳酸鹽巖全巖的碳、氧同位素分析結(jié)果

本次研究建立的陳家河剖面碳同位素曲線顯示(圖2)：牯牛潭組最底部的碳同位素比值很小，只有0.1‰，向上碳同位素比值增加至0.7‰左右，且趨于穩(wěn)定，無(wú)大幅的波動(dòng)；到了牯牛潭組的頂部，碳同位素出現(xiàn)第一個(gè)峰值達(dá)1.7‰、漂移幅度達(dá)1.0‰的正向漂移；繼續(xù)向上進(jìn)入黑色頁(yè)巖為主的廟坡組時(shí)，碳同位素比值短暫下降至0.5‰左右，而后快速增高；寶塔組的中下部出現(xiàn)第二個(gè)幅度更大、跨越地層厚度也更大的碳同位素正漂。

3 討論

3.1 碳同位素?cái)?shù)據(jù)可靠性評(píng)估

Schmitz等人曾根據(jù)生物帶的凝縮或缺失，以及碳同位素曲線的形態(tài)不完整，推測(cè)揚(yáng)子地區(qū)的牯牛潭組和廟坡組之間有地層的缺失，而且認(rèn)為牯牛潭組在暴露出地表期間遭受了大氣降水成巖作用(meteoric diagenesis)的改造，使得牯牛潭組的碳同位素組成有異常[27]。但是，野外露頭上的系統(tǒng)調(diào)查研究表明，宜昌地區(qū)的牯牛潭組和廟坡組之間為整合接觸，未見明顯的不整合面存在[28]。

評(píng)價(jià)碳酸鹽巖是否遭受過大氣降水成巖作用強(qiáng)烈改造的一個(gè)常用標(biāo)準(zhǔn)是將全巖的碳、氧同位素投圖，分析兩者是否線性正相關(guān)。其應(yīng)用原理在于：在碳酸鹽巖遭受大氣降水成巖作用改造的過程中，孔隙流體(主要端元成分是海水和來(lái)自大氣降水的地下水)會(huì)和碳酸鹽巖中的礦物發(fā)生交換反應(yīng)，期間非穩(wěn)態(tài)礦物(如文石、高鎂方解石)不斷溶解，同時(shí)沉淀出新的穩(wěn)態(tài)礦物(如低鎂方解石、白云石)[29]。在這一過程中，碳酸鹽巖全巖的碳、氧同位素比值就可能會(huì)被改造。大氣降水中的氧同位素比值比同期海水的氧同位素比值偏低。同時(shí)，近岸植物光合作用產(chǎn)生的有機(jī)質(zhì)會(huì)被帶入到大氣降水流體中。在被氧化、分解后，有機(jī)質(zhì)中的“輕碳”12C會(huì)加入到大氣降水流體，使流體的δ13C值變低。因此，隨著孔隙流體和碳酸鹽礦物之間交換反應(yīng)的進(jìn)行，碳酸鹽巖全巖的δ18O和δ13C值都會(huì)降低。這樣，經(jīng)歷過強(qiáng)烈大氣降水成巖作用改造的碳酸鹽巖全巖的δ18O和δ13C值就可能會(huì)顯示出線性正相關(guān)的特征[30]。此外，碳酸鹽巖在被深埋藏時(shí)發(fā)生的重結(jié)晶作用也可能會(huì)改造礦物的同位素組成。但是，前人研究結(jié)果表明：對(duì)于氧同位素來(lái)講，灰?guī)r深埋藏時(shí)高溫流體的水巖比較高；而對(duì)于碳同位素來(lái)講，高溫流體的水巖比較低。所以，碳酸鹽巖深埋藏時(shí)發(fā)生的重結(jié)晶作用雖然會(huì)顯著降低其氧同位素比值，但對(duì)其碳同位素比值的影響較小[30-31]。

將本次研究所測(cè)得的陳家河剖面牯牛潭組、廟坡組和寶塔組灰?guī)r的碳、氧同位素投圖后發(fā)現(xiàn)，δ13C和δ18O之間沒有顯示出線性正相關(guān)，甚至有輕微的負(fù)相關(guān)(圖3)，表明樣品沒有受到強(qiáng)烈的大氣降水成巖作用的改造，δ13C值應(yīng)該能夠代表原始沉積時(shí)海洋無(wú)機(jī)碳庫(kù)的碳同位素組成。

圖3 碳、氧同位素交會(huì)圖沒有顯示線性正相關(guān)關(guān)系Fig.3 Carbon and oxygen isotope cross plot illustrating no positive linear correlation

3.2 碳同位素地層對(duì)比

3.2.1 與普溪河剖面碳同位素曲線的對(duì)比

前人在華南多條奧陶系的剖面中都發(fā)現(xiàn)了牯牛潭組和寶塔組的這兩次碳同位素正漂，并分別將其與國(guó)際上Darriwilian階的MDICE和Sandbian-Katian階界線處的GICE對(duì)比[27,32-34]。其中，位于陳家河剖面以北約10 km處的普溪河剖面在相同的層位(牯牛潭組、廟坡組和寶塔組)有完整碳同位素曲線的報(bào)道[27,32-33,35]。兩條剖面的巖石和生物地層單位基本一致，可以直接進(jìn)行對(duì)比(圖4)。經(jīng)過對(duì)比發(fā)現(xiàn)，陳家河剖面和普溪河剖面的碳同位素曲線的整體趨勢(shì)、同層位的δ13C值都十分接近，只是MDICE的峰值略有不同，我們推測(cè)這主要是和兩條剖面的采樣密度不同有關(guān)(陳家河剖面的采樣密度比普溪河剖面小很多，所以可能沒捕捉到MDICE碳同位素正漂的峰值)，而不大可能是反映當(dāng)時(shí)局部海水碳同位素組成的差異。總之，兩條剖面碳同位素曲線之間良好的可對(duì)比性讓我們確認(rèn)，陳家河剖面牯牛潭組和寶塔組的這兩次碳同位素正漂分別對(duì)應(yīng)著中/晚奧陶世界線附近全球性的MDICE和GICE碳同位素正漂，而且這兩次碳同位素正漂事件在華南揚(yáng)子地區(qū)奧陶系的地層中廣泛發(fā)育。

3.2.2 與塔里木盆地同期碳同位素曲線的對(duì)比

塔里木盆地在奧陶紀(jì)時(shí)的地理位置和華南板塊的接近(圖1)，也發(fā)育有MDICE和GICE兩次碳同位素正漂(圖5)。在巴楚地區(qū)的南一溝剖面，前人建立的幾條碳同位素曲線都顯示出類似的變化特征：在一間房組的中段，δ13Ccarb有一個(gè)幅度約1.0‰的正漂(相當(dāng)于揚(yáng)子地區(qū)牯牛潭組的那次正漂，即MDICE)，碳同位素從背景值-0.3‰升至峰值0.6‰；到了一間房組的上段，碳同位素比值又降回至背景值-0.3‰附近；繼續(xù)向上進(jìn)入“紅層”恰爾巴克組(又稱吐木休克組)時(shí)，碳同位素又開始了更大幅度的正漂(相當(dāng)于揚(yáng)子地區(qū)寶塔組的那次正漂，也即GICE)，而且這次正漂跨越地層厚度非常之大——碳同位素曲線在整個(gè)恰爾巴克組和良里塔格組一直呈上升趨勢(shì)，到了野外露頭所能見到的良里塔格組的最頂部，δ13C值已經(jīng)增加到了3.0‰，未見下降趨勢(shì)[36-38]。在塔里木盆地另外兩條經(jīng)典的奧陶系剖面——柯坪水泥廠剖面和大灣溝剖面(后者是中/晚奧陶世界線的全球輔助層型剖面)，碳同位素的變化特征和南一溝剖面的非常類似：下奧陶統(tǒng)蓬萊壩組和鷹山組的碳同位素比值很低，只有-1.52‰～-1.19‰[39]；從大灣溝組的中上部開始，碳同位素比值快速升至～1.0‰(MDICE)；在上覆以黑色頁(yè)巖為主的薩爾干組，灰?guī)r夾層的碳同位素比值明顯下降，而后δ13Ccarb值繼續(xù)穩(wěn)步上升(GICE開始)，且上升趨勢(shì)持續(xù)整個(gè)坎嶺組；繼續(xù)向上進(jìn)入其浪組的下部，δ13Ccarb值進(jìn)一步升高至2.3‰左右，其浪組中部近100m的地層中δ13Ccarb值一直維持在2.0‰以上的高位，直至其浪組的上部δ13Ccarb值才開始逐漸下降；印干組灰?guī)r夾層的碳同位素比值繼續(xù)呈下降趨勢(shì)，到了印干組的頂部，δ13Ccarb值已經(jīng)下降至0‰以下(GICE結(jié)束)[39-40]。塔里木盆地中部和北部的奧陶系地層鉆井資料也顯示類似的碳同位素變化趨勢(shì)[37,40-42]。

圖4 揚(yáng)子地區(qū)陳家河剖面(本次研究)和普溪河剖面[27,32-33,35]碳同位素曲線的對(duì)比Fig.4 Correlation between the δ13Ccarb curve of Chenjiahe Section and that of Puxihe Section in Yangtze area[27,32-33,35]

總之，在塔里木盆地的奧陶系地層中，MDICE和GICE這兩次全球性的碳同位素正漂事件發(fā)育良好，而且在將其與揚(yáng)子的這兩次碳同位素正漂事件進(jìn)行對(duì)比之后，發(fā)現(xiàn)一些相同之處(圖4，5)：首先，兩個(gè)地區(qū)的碳同位素相對(duì)漂移幅度很類似，GICE的漂移幅度都要比MDICE的漂移幅度大(MDICE的漂移幅度約為1.0‰，而GICE的漂移幅度在2.0‰～2.5‰之間)，而且前者所跨越的地層厚度也更大(跨越地層厚度的大小和碳同位素漂移事件所持續(xù)的時(shí)間、當(dāng)時(shí)的沉積速率都有關(guān))；其次，在揚(yáng)子地區(qū)的陳家河剖面和塔里木盆地的大灣溝剖面，兩次碳同位素正漂事件和黑色頁(yè)巖的沉積都緊密相伴(揚(yáng)子地區(qū)陳家河剖面的廟坡組和塔里木盆地大灣溝剖面的薩爾干組都是黑色頁(yè)巖沉積)，黑色頁(yè)巖的沉積夾在MDICE和GICE之間。

3.3 MDICE和GICE的成因探討

海相碳酸鹽巖中的碳同位素δ13Ccarb是反映古海洋無(wú)機(jī)碳庫(kù)變化的良好指標(biāo)。δ13Ccarb曲線的建立不僅可以在缺少古生物地層時(shí)作為地層劃分對(duì)比的可靠手段，更是研究古海洋、古氣候變化的一種常規(guī)方法[13]。自然界生物在光合作用過程中總是優(yōu)先利用“輕碳”12C，使得光合作用的產(chǎn)物——有機(jī)質(zhì)中總是富集12C而虧損13C[43]。“生物泵”的作用會(huì)使表層和深層海水的碳同位素組成出現(xiàn)系統(tǒng)差異：海水中的光合作用主要集中在表層透光帶，透光帶生物光合作用所產(chǎn)生的有機(jī)質(zhì)顆粒會(huì)在重力作用下緩慢沉入下層的水體；下降的過程中，有機(jī)質(zhì)會(huì)不斷地被微生物氧化、分解，釋放出大量“輕碳”12C并加入到海水中，使得透光帶之下深層水體的碳同位素比值要比表層水體的偏低[13]。這樣，當(dāng)海洋生物生產(chǎn)力較高和/或有機(jī)質(zhì)大量埋藏時(shí)，海水中的碳同位素比值就會(huì)出現(xiàn)正漂[44]；而當(dāng)海洋中有機(jī)質(zhì)(如甲烷水合物)被大量氧化分解和/或深層海水劇烈上涌時(shí)，海水中的碳同位素比值就會(huì)出現(xiàn)負(fù)漂[45-46]。

基于上述海水碳同位素的漂移原理，同時(shí)考慮到揚(yáng)子地區(qū)和塔里木盆地的MDICE和GICE與黑色頁(yè)巖的沉積緊密相伴這一重要現(xiàn)象(圖4，5)，我們認(rèn)為，中/晚奧陶世轉(zhuǎn)折期海洋的生產(chǎn)力較高，更多的“輕碳”12C從海水轉(zhuǎn)移到有機(jī)質(zhì)中并被埋藏，是形成這兩次全球性碳同位素正漂的直接原因。但是，又是什么機(jī)制激發(fā)了當(dāng)時(shí)海洋的生產(chǎn)力呢？Jones等人在解釋侏羅紀(jì)和白堊紀(jì)的幾次大洋缺氧事件(大洋缺氧事件以黑色頁(yè)巖的廣泛沉積和碳同位素的正漂為標(biāo)志)時(shí)，曾提出一種概念模型，認(rèn)為洋中脊處的熱液活動(dòng)可以通過向海水中注入鐵等生命必需元素，提高海洋的生產(chǎn)力[47]。鐵作為一種生命必需元素，在很大程度上控制了當(dāng)代海洋生物生產(chǎn)力的高低[48]。過去，一些學(xué)者觀察到，洋中脊處的熱液流體噴出后，會(huì)很快和海水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成鐵的硫化物和/或鐵的氫氧化物沉淀[49]。因而他們認(rèn)為，洋中脊熱液活動(dòng)所提供的鐵元素?zé)o法在長(zhǎng)時(shí)間、長(zhǎng)距離內(nèi)維持溶解態(tài)[50]，很難被海洋中的生物所利用。但是，現(xiàn)在有越來(lái)越多的研究發(fā)現(xiàn)，海底熱液系統(tǒng)提供的呈溶解態(tài)的鐵元素可以通過某種復(fù)雜的機(jī)制在海水中維持穩(wěn)定而不形成沉淀[51]。在洋流的作用下，這種來(lái)自洋中脊熱液系統(tǒng)的呈溶解態(tài)的鐵甚至可以被搬運(yùn)數(shù)千公里[52]。這樣，廣闊海水中的生物就可能因?yàn)檫@些洋中脊熱液來(lái)源的鐵而繁盛，從而海洋的生物生產(chǎn)力得到提高。

圖5 新疆塔里木盆地柯坪地區(qū)大灣溝剖面[40]和巴楚地區(qū)南一溝剖面[36]的MDICE和GICEFig.5 MDICE and GICE at Dawangou Section in Keping area[40] and Nanyigou Section in Bachu area [36] of Tarim Basin

在總結(jié)前人塔里木盆地的相關(guān)研究之后，我們發(fā)現(xiàn)， MDICE、GICE這兩次碳同位素正漂事件與中/晚奧陶世界線附近海水鍶同位素比值的快速下降恰好處于同一層位(圖6)[32,36,41,53]。我們?cè)趽P(yáng)子地區(qū)黃花場(chǎng)剖面重建的奧陶紀(jì)牙形石鍶同位素曲線也給出了類似的關(guān)系—鍶同位素比值在牯牛潭組的上部(MDICE發(fā)生的層位)開始快速、劇烈的下降，且這一下降趨勢(shì)至少持續(xù)到寶塔組的下部(GICE發(fā)生的層位)(作者尚未發(fā)表數(shù)據(jù))。傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為，海水鍶同位素比值的下降反映的是洋中脊熱液活動(dòng)的加劇[9-10,54-55]。雖然有新的研究發(fā)現(xiàn)，島弧火山活動(dòng)的增強(qiáng)可能才是引起海水鍶同位素下降的主要因素[56]，但是實(shí)際上，洋中脊熱液活動(dòng)的加劇和島弧火山活動(dòng)的增強(qiáng)兩者之間并不矛盾：洋中脊擴(kuò)張速率的增快不僅會(huì)導(dǎo)致海底熱液活動(dòng)的增強(qiáng)，還會(huì)使得板塊邊界老的洋殼不斷俯沖至地幔，俯沖過程中洋殼脫去部分水和流體，水和流體向上運(yùn)移進(jìn)入地幔楔，導(dǎo)致地幔楔熔融并產(chǎn)生巖漿，巖漿上涌并噴出地表，形成島弧[57]。所以，我們認(rèn)為，MDICE和GICE與87Sr/86Sr快速劇烈下降在發(fā)生時(shí)間上的吻合，指示了這兩次碳同位素正漂的形成可能與洋中脊熱液活動(dòng)加劇有關(guān)。海底熱液系統(tǒng)能夠通過向海水中注入鐵等生命必需元素，刺激生物的繁盛，提高海水生產(chǎn)力，為碳同位素正漂的形成、甚至是生物輻射事件的發(fā)展提供條件。奧陶紀(jì)Darriwilian階晚期至Katian階的硅質(zhì)巖明顯增多，也被認(rèn)為是和中/晚奧陶世轉(zhuǎn)折期洋中脊熱液活動(dòng)加劇有關(guān)[58]，這一認(rèn)識(shí)與我們的上述推論相符。

圖6 塔里木盆地與MDICE、GICE同層位的海水鍶同位素比值的變化[32,36,41,53]Fig.6 Simultaneous 87Sr/86Sr variations during the MDICE and GICE in Tarim basin[32,36,41,53]

洋中脊和/或島弧的劇烈活動(dòng)會(huì)伴隨著大量CO2的釋放(“放氣作用”)，這有可能引發(fā)溫室效應(yīng)，導(dǎo)致氣候變暖[59]。奧陶紀(jì)Darriwilian-Katian階海水氧同位素比值的下降(即溫度的上升)可能與此有關(guān)[11]。除了引發(fā)溫室效應(yīng)，洋中脊和/或島弧劇烈活動(dòng)釋放的大量幔源CO2還可能會(huì)對(duì)海洋無(wú)機(jī)碳庫(kù)的碳同位素比值產(chǎn)生影響[44]。與海水無(wú)機(jī)碳庫(kù)的平均碳同位素比值(～0‰)[60]相比，幔源CO2的碳同位素比值(～-5‰)[13,61]偏負(fù)。因此，洋中脊和/或島弧劇烈的“放氣作用”會(huì)首先引起海洋無(wú)機(jī)碳庫(kù)小幅度的碳同位素負(fù)漂，而后才會(huì)因海水生產(chǎn)力的提高和/或有機(jī)質(zhì)埋藏率的增加而出現(xiàn)碳同位素比值正漂[62-63]。華南和塔里木盆地中/晚奧陶世轉(zhuǎn)折期的δ13Ccarb曲線并沒有顯示出類似的變化(圖4，5)，這似乎不符合本文中MDICE和GICE兩次碳同位素正漂的形成與洋中脊熱液活動(dòng)加劇有關(guān)的推論。但是，碳同位素質(zhì)量平衡模型表明，由火山活動(dòng)“放氣作用”而直接導(dǎo)致的δ13Ccarb負(fù)漂的幅度非常有限[44]。當(dāng)火山活動(dòng)釋放到大氣—海洋系統(tǒng)中的CO2增加100%，且持續(xù)100 kyr(相當(dāng)于Darriwilian階的中期到Katian階的持續(xù)時(shí)間)時(shí)，首先出現(xiàn)的碳同位素負(fù)漂的幅度只有不足0.5‰，而緊隨其后出現(xiàn)的碳同位素正漂的幅度可達(dá)到～3‰(相當(dāng)于GICE的漂移幅度)[64]。所以，我們認(rèn)為，中/晚奧陶世轉(zhuǎn)折期洋中脊(或/和島弧)的劇烈“放氣作用”雖然能夠引發(fā)溫室效應(yīng)，但可能并不足以引起明顯的海水無(wú)機(jī)碳庫(kù)碳同位素比值的負(fù)漂，或者由于采樣密度不高而無(wú)法識(shí)別出如此小幅度的δ13Ccarb負(fù)漂。

4 結(jié)論

中—晚奧陶世界線附近出現(xiàn)的兩次全球性碳同位素正漂(MDICE和GICE)在我國(guó)揚(yáng)子地區(qū)和塔里木盆地均有發(fā)現(xiàn)。兩地區(qū)的這兩次碳同位素正漂具有良好的可對(duì)比性，而且都和黑色頁(yè)巖的沉積緊密相伴。MDICE的漂移幅度較小，只有～1.0‰，而GICE的漂移幅度更大，在2.0‰～2.5‰之間。GICE跨越的地層厚度也更大，這可能與當(dāng)時(shí)的沉積速率較快和/或碳同位素正漂持續(xù)的時(shí)間較長(zhǎng)有關(guān)。

在揚(yáng)子地區(qū)和塔里木盆地，MDICE和GICE與鍶同位素比值的快速劇烈下降在發(fā)生時(shí)間上相吻合，支持這兩次碳同位素正漂的形成與洋中脊熱液活動(dòng)有關(guān)的推論。中—晚奧陶世轉(zhuǎn)折期可能出現(xiàn)了洋中脊熱液活動(dòng)的加劇，熱液系統(tǒng)通過向海水中注入鐵等生命必需元素，刺激了海洋生物的繁盛，提高了海洋的生產(chǎn)力，為MDICE和GICE這兩次全球性碳同位素正漂的形成、甚至生物輻射事件的發(fā)展提供了條件。

致謝 非常感謝陳代釗研究員對(duì)文章初稿提出的寶貴意見，意見細(xì)致而中肯，對(duì)文章水平的提升有很大幫助；作者和周錫強(qiáng)之間的有益討論也對(duì)文章的最終成稿起到了重要作用，在此同樣表示感謝。

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ZHAO PingPing1,2JIANG MaoSheng1LI RenWei1

(1. Key Laboratory of Petroleum Resource Research, Institute of Geology and Geophysics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029, China; 2. College of Earth Science, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

Two global positive carbon isotope excursions near the Middle to Late Ordovician transition—the Middle Darriwilian Inorganic Carbon Excursion(MDICE)and the Guttenberg Inorganic Carbon Excursion(GICE)——have been documented approximately in parallel with the major pulses of Great Ordovician Biodiversification Events(GOBE), great global sea level rises, geomagnetic reversals and significant variations of strontium, oxygen, sulfur isotopes in the ocean, indicating a possible causal link. Here, we reported the MDICE and GICE at Chenjiahe section in Yangtze area and compared them with their equivalents in Tarim Basin. Both the MDICE and GICE are found at the same stratigraphic level of rapid decrease of oceanic strontium isotope ratios in Yangtze Block and Tarim Basin, suggesting that the two carbon isotope excursions may be related to the enhanced hydrothermal activities at the middle ocean ridges, which could have increased releasing of essential nutrient elements such as iron into the seawater; this may have stimulated the biological blooms and increased oceanic primary productivity and organic burial, further inducing the positive carbon isotope excursions, i.e., the MDICE and GICE.

Yangtze area; Middle-Late Ordovician transition; carbon isotope excursions; MDICE; GICE; hydrothermal activities

1000-0550(2016)06-1021-11

10.14027/j.cnki.cjxb.2016.06.002

2016-05-13； 收修改稿日期： 2016-08-11

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41272134，41573010)[Foundation: National Natural Science Foundation of China, No. 41272134, 41573010]

趙平平 男 1990年出生 碩士研究生 沉積地球化學(xué) E-mail: zhaopingping442@gmail.com

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