松辽盆地嫩江组C-N-S生物地球化学循环和古环境演化

发布时间：2019-01-19 08:51

【摘要】：白垩纪是地球历史上最重要的温室时期,白垩纪大洋缺氧事件(Oceanic anoxic events,OAEs)代表了短周期内(1my)全球大气—海洋范围内的碳循环波动。上白垩统嫩江组是白垩纪大型内陆湖盆松辽盆地的主力烃源岩层位,大套的富有机质暗色泥岩记载着丰富的古湖泊信息,是开展古湖泊生物地球化学研究的最佳层段。为了探索大洋缺氧事件对陆相的响应,本论文以两口钻井和野外露头剖面为研究对象,在岩心观察和古生物资料的基础上,针对晚Santonian-早Campanian嫩江组进行了以δ13C-δ15N-δ34S为主线的高精度化学地层学研究,为嫩江组时期的特殊环境地质事件形成过程和机制以及C-N-S循环提供了指示。通过不同化学性质微量元素含量变化以及元素比值的相关分析,重建了嫩江组高分率的微量元素化学地层序列,并探讨微量元素迁移的气候及水介质环境意义。结果表明研究区古气候经历了一次温暖湿润向半湿润变迁,并且古气候变化序列与岩性变化特征一致,表明在温湿期陆源供给丰富极大促进原始生产力,导致了富有机质泥岩形成,两层油页岩段均形成在该阶段。古盐度特征变化明显,嫩一段至嫩二段底部富有机质暗色泥岩形成于咸水环境,嫩二段上部由半咸水环境逐渐向淡水环境过渡。与古盐度特征变化一致,在高盐度阶段水体表现为厌氧环境,这可能是由于咸水环境在半深湖-深湖区域形成盐度分层,而有利厌氧环境形成,并为有机质保存创造了条件。松辽盆地海侵事件是一直科学界的热点问题,其科学意义关乎陆相大规模烃源岩形成机制,甚至是陆相生油理论。虽然不断有与海侵有关的矿物学、古生物学以及有机地球化学证据被提出,但大部分证据缺乏绝对的海洋专属性,仍需进一步的证据证实。数据揭示了在嫩江组底部出现了黄铁矿丰度的峰值和δ34S的明显负偏,这可能暗示了与快速海侵有关的湖水洪泛提高了硫酸盐浓度,并刺激了厌氧底水的硫酸盐还原作用以及水体硫化。随后δ34S的增长(最高达+30‰)解释为黄铁矿埋藏导致的硫酸根不断蒸馏,表明了嫩一段中部湖盆封闭并且海水影响逐渐减弱。而后在风化作用的背景下,陆源的氧化黄铁矿进入湖泊导致δ34S的缓慢负偏,直至恢复背景值。硫酸盐浓度最低区模型和硫酸根扩散模型可以解释嫩一段赋存的超重黄铁矿(δ34Spyδ34Ssulfate)。海水硫酸盐的输入有利于有机质再矿化,并提高了水体营养循环和原始生产力,为了优质湖相烃源岩形成提供了重要的生物化学途径。氮循环演化对于地球表面各个圈层都有重要影响,在嫩江组的早成岩阶段,富N化合物在厌氧环境下发生了选择性的有机质降解。嫩江组有机质富集区出现了δ15N的一个很大正偏,而后又出现了一次陡崖式负偏,说明湖泊生态系统在这一时期发生了重大的氮循环波动。根据这一变化,提出了嫩一段上部的厌氧区反硝化水体的上涌模式,而后者则代表了反硝化作用导致的硝酸盐匮乏而加强的固氮作用,也表明此时固氮微生物功能群的繁盛。反硝化作用排放的N2O气体是重要的温室气体,对气候影响的同时也进一步加强了湖水厌氧。通过对比发现松辽湖盆的反硝化作用要明显强于OAEs期间海水,可能代表了更高的营养程度。上白垩统Santonian-Campanian边界附近在全球多处海相地层中记录了碳同位素0.3‰到4.2‰正偏,即S-C边界事件。嫩江组泥岩中全岩碳酸盐虽然受到了自生作用的影响,高精度碳酸盐δ13C依然揭示了古湖泊S-C边界附近4.2~5.2‰的正异常,这与前人通过介形虫壳的表达是相似,表明了Santonian-Campanian边界事件的全球性。增加有机质的埋藏速率是导致全球性碳同位素异常的直接原因。总有机碳δ13Corg和可代表陆源植物成分的黑碳δ13CBC共同记录了相似的负偏尺度,表明了碳循环波动并不是单一由古湖泊环境决定的,而是整体碳库的交换行为,由此提出S-C边界附近大气增加的CO_2浓度和湿度是导致碳同位素分馏增大的直接原因。下地幔超级地幔柱的增长可以通过控制壳幔边界的热流量来驱使磁极地磁倒转。Santonian-Campanian边界是白垩纪超静磁带的倒转时间,暗示了这超级地幔柱的活跃。同时结合海水硫酸盐δ34S变化特征,认为短周期内增加的CO_2来源很可能是与火山喷发有关。并进一步提出超级地幔柱是可能是松辽盆地嫩江组时期各个圈层波动的根本原因。
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【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：P593;P534.53
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本文编号：2411202