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发育在海底的碳酸盐扇体研究
摘要
厘米级大小的碳酸盐海底扇形沉积形成于新元古代美国死亡谷Johnnie地层风暴潮沉积。
扇形沉积形成于海水中一个以风暴潮为主的斜坡的风暴浪基面附近混合碳酸盐碎屑继承发育的地区。
岩相观察结果表明,扇形沉积矿物原本是作为文石被沉淀下来,后来在成岩作用中转变为方解石。
Johnnie地层形成没有直接的时代限制,但在假定的"marinoan"盐帽碳酸盐沉积(635百万年)之上的地层井中,和前寒武纪-寒武纪界线(543百万年)之下的井中均有发现。
鉴于目前的Johnnie地层的相对年龄假说,在新元古代地层中海底文石扇形沉积时代分布似乎比原先认为的更广泛。
此外,风暴潮沉积保存了一个非常大的负的碳同位素异常,这次非常大的负的碳同位素异常与在585百万年和550百万年之间,世界各地许多地层序列的最闻名的碳同位素漂移有关。
在负的碳同位素异常发生期间,风暴潮沉积中的碳酸盐扇形沉积和鲕粒单元(代表与时间相关的浅水环境)记录了相似的碳同位素比值。
在扇形沉积和其它碳酸盐沉积物之间表现出的碳同位素均质性意味着在新元古代同位素异常晚期,穿越大陆架的水体是充分混合的,而不是分层的。
此外,沿地层层位(与米到厘米级)在扇形沉积间分布的碳同位素比值的相似性表明,扇形沉积生长所需要的碱性条件来自于良好的混合水层,可能是海水。
碱性增加,安静的水体条件,以及碳酸盐岩成核(在缺氧条件也许是二价铁离子)抑制剂的存在,有可能在海底发育文石结晶扇形沉积的沉淀。
1引言
钙质碳酸盐海底扇形沉积是地质记录的典型特征,目前人们对促进它们形成的条件,仍然知之甚少。
碳酸盐扇形沉积是太古代和古元古代碳酸盐台地的共同特点(Kah和Knoll,1996年;Sumner和Grotzinger,1996b年;Sumner和Grotzinger,2000年),多产生于中元古代潮间带的环境(Bartley等人,2000年),并且是覆盖在新元古代低纬度冰川沉积物之上的碳酸盐岩的突出特点(如Kennedy,1996年;Hoffman等人,1998年;Hoffman和Schrag,2002年)。
在显生宙,人们了解到相似的扇形沉积在礁腔和其他限制成岩环境中形成(如James等人,1988年),但碳酸盐扇形沉积直接形成于海底似乎是相当罕见的。
其中一个显著的特例形成于下三叠纪地层,沉积于最大的灭绝性生活史之后。
碳酸盐扇形沉积地层的分布表明特定的环境因素在它们的形成和保存中发挥着作用,并且表明这些在后元古代继承的特点,是由于短暂的,而不是持续的环境条件形成。
在这里我们说明海底沉淀的碳酸盐扇形沉积保存在埃迪卡拉纪地层,死亡谷区,东部加利福尼亚州风暴潮沉积。
这种扇形沉积发生在厘米级大小的河床,这种河床是由一种混合碳酸盐岩碎屑继承形成。
该风暴潮沉积沉积在靠近风暴浪基面的大陆架之上。
这种风暴潮沉积纪录了一个非常大的负的碳同位素异常,与其相关(Kaufman等,2007年)的类似的异常记录在南澳大利亚,阿曼,纳米比亚和中国南方也有并注明日期为585百万年和550百万年之间(如calver等人,2004年;condon等人,2005年;fike等人,2006年;Leguerroue等人,2006年)。
与那些沉淀后被搬运的伴生鲕粒和泥晶灰岩相比,碳酸盐扇形沉积是大洋海底海洋条件的真实记录。
这个项目的目的是确定在风暴潮沉积发育文石扇形沉积的环境条件。
此外,更好地了解海底碳酸盐扇形沉积发展这一过程和周边环境条件,最终应洞察到埃迪卡拉世界的动力学碳循环,尤其是已知的最大的海洋碳同位素异常的侵入(如calver等人,2004年;fike等人,2006年;LeGuerroue等人,2006年;Kaufman等人,2007年)。
2地质背景和地层
Johnnie地层是美国西部(在这里非正式地称为死亡谷继承)死亡谷地区新元古代(Fig.1A)的一个组成部分。
新元古代死亡谷继承记录了从大陆裂谷到被动边缘沉积(Stewart,1970年;Stewart,1991年)的过渡。
侵入到结晶地层(此地层远低于Johnnie地层)的辉绿岩床,为1.08Ga(HeamanandGrotzinger,1992年),形成了一个年龄的下限。
该新古生代寒武纪边界上覆木峡谷地层(corsetti和hagadorn,2000年)经对比推断为543百万年(Bowring等人,1993年;Grotzinger等人,1995年)为其年龄的上限。
虽然其它制约因素存在,但是它们不够充分,因为我们所了解的地球新元古代地层仍处于不断变化之中。
举例来说,在可能与年龄为723百万年到580百万年(如Brasier等人,2000年;Bowring等人,2003年;Allen等人,200年4;Fanning和Link,2004年)之间的冰川沉积物有关的地层高点,Johnnie地层覆盖在冰川影响的地层之上。
专家们已经把层序地层学运用到Johnnie地层风暴潮沉积的裂谷以及爱达荷州和犹他州(Christie-Blick和Levy,1989年;Abolins等人,1999年)新元古代继承形成的裂谷中,从而判定出地层年龄在667百万年(Fanning和Link,2004年)和580百万年(Christie-Blick和Levy,1989年)之间。
虽然近期的研究表明断裂的发展,与冰川作用(Clapham和Corsetti,2005年)无关,而与构造变动有关,但是先前的专家们却认为层序边界与冻结-海平面下降有关,而冻结-海平面下降又与“Marinoan”冰川作用(Christie-Blick和Levy,1989年;Abolins等人,1999年)有关。
此外,Johnnie地层不整合地覆盖于noonday白云岩之上,而这种白云岩又与“Marinoan”冰川间隔(Prave,1999年;Corsetti和Kaufman,2003年;Corsetti等人,2007年)为632百万年(如Hoffmann等人,2004年;Condon等人,2005年;Halverson等人,2005年)以上的碳酸盐岩帽相关。
该noonday白云岩包含了多项与全球范围“Marinoan”盐帽沉积物一致的岩性和同位素特征,其中包括粉红色,下降负d13c异常现象和柱状岩石tubestones(如Prave,1999年;Corsetti,2003年#443Hoffmann等人,2004年;Condon等人,2005年;Halverson等人,2005年),然而岩性特征却可以证明区域对比(corsetti和Lorentz,2006年;corsetti等人,2007年)的一些问题。
风暴潮沉积记录一个非常大规模负d13c异常现象,在世界范围内(Kaufman等人,2007年)除与显生宙继承形成有关之外,这种现象还与冰川后期类似的大规模异常现象有关。
对于转移的时期,一些人称之为“shuram”异常(如Leguerroue等人,2006年),另外一些人称之为“wonoka”异常(例如calver,2000年)这一点备受争议的。
近期研究表明在新元古doushanto地层碳同位素转移发生在551百万年(Condon先生等人,2005年),但这种异常情况与区域地层不整合之间的联系尚不清楚。
总之,虽然Johnnie地层具体的年龄尚不明确,但是Johnnie地层的地层层位和大规模负d13c异常现象的发生均表明,Johnnie地层沉积的时间为588百万年到550百万年之间的某一段时间。
Johnnie地层根据风暴潮沉积可被划分为七个序列,包含序列五(粉砂岩)的上部分,整个序列六(从Johnnie鲕状岩到一个明显的刻痕,其中包括扇形沉积),以及序列七(Summa,1993年)的下部分(图1C)。
在nopah范围内风暴潮沉积厚度大约为150米,从底部到顶部包含了,绿色粉砂岩,一套明显的鲕粒标志层(Johnnie鲕状岩),红粉砂岩和砂岩互层,含有粉红色沉淀物的灰岩,以及另外的硅质碎屑层。
人们对风暴潮沉积的碳酸盐海底扇形沉积进行了大体地报道,但是并没有进行详细地描述(Summa,1993年)。
这项研究的重点是在Summa的序列六中出现海底扇形沉积。
3风暴潮沉积的沉积相
在nopah南部范围(图1D)的西区滑石矿(WTM)和nopah当地范围内(NR)对最发育的扇形沉积进行了研究,。
覆盖于Johnnie鲕状岩之上的序列六的绝大部分暴露在nopah范围内(Summa,1993年)。
在这些地段,对风暴潮沉积进行了测量和描述,并对含有沉淀物的灰岩单位进行了抽样(见表1)。
在nopah地区,测量地段的底部从Johnnie鲕状岩顶部以上7.8米开始,而Johnnie鲕状岩又位于丘状交错层状砂岩和粉砂岩互层(图2A)条之上。
一般来说,继承地层由橙色和红色丘状交错层理砂岩和靠近某些单元顶部具有泥质波痕标志的粉砂岩组成。
明显的碎屑内的包含沉淀物的灰岩是夹生式的,并且这种灰岩贯穿整个地段。
大部分的灰岩是粉红色;沉淀层形成厘米级灰色层段(图2B)并且主要集中在地段的下半部分。
灰色沉淀层经常沿着走向在隐蔽的侵蚀面上变薄变厚。
其它不同的沉积学特征还包括边缘向外变为泥岩(图2C),这些特征主要集中在地段的上半部分。
3.1地层解释
Johnnie鲕状岩被解释为形成于搅动的浅海环境(Summa,1993年)。
层序边界覆盖于鲕状岩之上的块状的和平面层状的粉砂岩被认为代表了初始洪泛期水体的加深,并且覆盖于鲕状岩之上的丘状交错层理砂岩和灰岩也说明了它是以风暴为主的大陆架沉积(Summa,1993年)。
大部分薄的沉淀层之上覆盖有粉砂岩,这种组合很可能代表了一次小规模的水体加深再变浅的过程。
扇形沉积体的沉积,最有可能发生在低环境能量时期(Winefield,2000年)。
沉淀层由海洋底部细小的结晶沉淀物组成,因此,它们很可能形成于相对安静的水体条件。
扇形沉积也没有损坏或磨损,说明安静的水体环境持续到埋藏。
这一事实,即灰岩与具有丘状交错层理,层内结构和边缘向外变为泥岩等特征的沉淀层有关,表明沉淀层形成于风暴潮之间的安静周期,并且表明代表了初期水体加深的沉淀层形成于风暴浪基面之下。
边缘外部内碎屑泥岩表明海底(Mount,1993年)早期的,快速的成岩作用。
有的剥蚀面上形了成许多扇形沉积,而这些剥蚀面以高次序的层内层序为基准记录了洪泛面。
4岩相方法和分析方法
海底含有沉淀物的灰岩样品被收集起来和制作成超薄的切片。
通过观察这些超薄切片,来确定沉淀物的原矿物组分,其微观组成,以及与碳酸盐沉淀物有关的矿物。
先在透射光,反射光下对超薄切片进行观察,再通过配备了能量色散谱(EDS)等系统的扫描电镜进行观察。
为了控制风暴潮沉积中海底沉淀的扇形沉积碱性条件,人们沿着若干地层层位其中包含结晶扇形沉积,对碳酸盐碳同位素比值(™13216Ccarb)进行了测量。
在扇形沉积保存的地方对单层中的个别沉淀物进行采样研究(见表1)。
通过一个VG最优气源质谱计对碳同位素比值来进行测量,并且把碳同位素比值作为一个关于PDB的标准进行了报道。
5风暴潮沉积的海底扇
被硅质碎屑单元层覆盖的厘米级厚的灰岩层中出现了含有沉淀物的单元层。
当沉淀物单元层厚度为1厘米时,它既可以作为辐射状晶体又可以作为向上的结晶层(如SumnerandGrotzinger,2000年)来生长。
晶体单元(初始文石晶体包裹),既可以出现在簇中(图2D)也可以均匀的穿过层理面(图2E)。
晶体的生长方式不同于密集的生长,它以稀疏的间隔穿过层理面。
这也可以作为,沉淀物在一些层中发育为扇形沉积(图2D),而在海底的另外一些层中发育为单个的晶体(图2E)。
在垂直截面,晶体的大小是可变的。
大多数晶体基部直径平均为100μm到其终端扩大为200μm。
晶体长度范围从约0.1至3.0厘米。
晶体表现出方形界限(图2F)。
在晶体间的空隙中发现了小且呈次棱角状至次圆状的不透明谷类级煤(直径为10-50μm)和鲕粒(200-300μm),并且内碎屑层通常覆盖于沉淀物层之上。
每个晶体由较小的直径范围在10-30μm的等轴状方解石亚基(图2F和2G)组合而成。
在平面切片中,晶体有一个六边形的横截面,它最大直径为230μm(图2G)。
在垂直截面,晶体间的空隙中充满鲕粒,内碎屑,小而不透明的谷粒级煤。
反射光显微学和EDS分析表明,不透明谷粒级煤富含铁。
这些谷粒级煤不能出现在个别碳酸盐晶体中,而主要集中在包含扇形沉积的层位中。
常见的是,在轻微剥蚀面,泥晶内碎屑以及硬灰岩层上(图2H),扇形沉积以谷粒级煤富集为核。
沿泥晶碎屑边缘发现了富含铁的地壳,表明了同时代沉淀。
在扇形沉积层之上或之下的单元,不包括扇形沉积层,很少有铁矿物。
对来自4个层位15个沉淀物单元进行了碳同位素测定(见表1)。
沉淀物中的碳同位素与来自互层碳酸盐的值是相似的(CorsettiandKaufman,2003年)。
5.1扇形沉积层的原始矿物成分
目前扇形沉积是由方解石组成,,但其形式表明,其原始组分是文石。
晶体单元有六边形截面,针状增长形式,以及块状至方形界限(图2F-H),这是与文石沉淀一致的(Loucks和Folk,1976年;Mazzullo,1980年;Sandberg,1985年;James和Choquette,1990年;Sumner和Grotzinger,2000年)。
晶体单元还包含一个等轴状方解石互换组合,普遍形成于文石反演为方解石时期(Sandberg,1985年;Wilkinson等人,1985年)。
最后,在比较扇形沉积与这些海底-核石膏时,发现在这些地层中不发育通常由石膏晶体形成的像矛一样的晶体(Klein和hurlbut,1993年)。
从野外观察和切片分析可知,粉红色及灰色灰岩和浅粉红色粉砂岩和砂岩,是风暴潮沉积的共同特征。
这些颜色可能由于氧化铁和氧化锰的存在而产生。
在薄片中谷粒级煤环绕个别晶体显示出的颜色为红黑色,经过配有能谱仪的扫描电镜分析得出这些矿物具有明显高铁值(pruss和corsetti,2002年)。
虽然这些矿物现在是铁的氧化物,很难确定其原始矿物成分;能谱仪分析也没有记录大量硫的存在,不过根据该颗粒的形状,这些矿物可能原为黄铁矿和随后被氧化。
在切片中富含铁谷粒级煤没有切穿任何扇形沉积,由此可知它们在扇形沉积生长的时候沉积(或沉淀)在它们之间。
6讨论
6.1碳酸盐扇形沉积的地质分布
碳酸盐扇形沉积是早寒武纪继承地层共同的特点,但在中生代和新元古代的沉积记录逐渐成为环境限制的标志。
海底沉淀的碳酸盐普遍形成于太古代和古元古代海相盆地,这意味着该性质的碳酸盐沉积和海洋碳酸盐化学,必须是从根本上区别于现代条件。
在中元古代碳酸盐岩的继承地层中,扇形沉积局限于潮间带环境(bartley等人,2000年)。
前寒武纪时代晚期,海底沉淀的碳酸盐一般很少见,但是它们往往以叠加在冰川沉积物之上的神秘碳酸盐出现(Kennedy,1996年;Hoffman等人,1998年;James等人,2001年;Hoffman和Schrag,,2002年)。
尤其是,沉积在MackenzieMountains碳酸盐岩岩帽的文石扇形沉积假晶,在硅质碎屑为主的环境中形成于灰岩层中(James等人,2001年)。
在显生宇岩石记录中,最有名的海底扇形沉积形成于大量动植物灭绝的下三叠统(Woods等人,1999年;Pruss等人,2006年)。
在现代同样大小的碳酸盐扇形沉积受限于成岩环境(如James等人,1988年),并且形成于海底开放的海洋条件而不为人知。
碳酸盐扇形沉积地层分布在元古代后期总体稀有,它们一般出现于神秘的碳酸盐岩中(即积雪的地表和下三叠统碳酸盐岩),这些表明培养它们形成的罕见环境因素是需要。
更好地了解地质记录中存在的特殊扇形沉积,最终可能会洞察为什么扇形沉积会形成以及它们形成的地方。
6.2扇形沉积地层发育的条件
风暴潮沉积的碳酸盐岩扇形沉积性形成于以风暴为主的潮下带浅水环境。
扇形沉积出现灰岩与硅质碎屑岩互层中。
风暴潮沉积的碳酸盐沉积物除了扇形沉积之外还包括鲕粒,泥晶,及边缘外部的内碎屑。
晶体扇形沉积形成迅速并在风暴或其它流体破坏之前被埋藏。
在扇形沉积空隙中铁矿物的丰度说明了含铁矿物的地层来自海水周边或形成于早期成岩作用;这些均表明在扇形沉积地层中当缺氧水流经海底时,在底部水中的还原铁是可用的并且是丰富的。
有趣的是与海底扇形沉积有关的铁矿物的存在说明,,铁和其他抑制碳酸盐岩成核作用的抑制剂,在促使海底晶体扇形沉积沉淀中发挥了重要的作用(Sumner和Grotzinger,1996年;deLeeuw,2002年)。
除了当地古环境条件促进了扇形沉积地层形成之外,区域和全球海洋状况可能也起到了一定的作用。
扇形沉积沉淀在海底沉积物水界面,此处可能是一个缺氧环境。
水体和沉积物是碳酸盐岩扇形沉积沉淀所需碱性条件的两个来源。
发生在与扇形沉积有关的沉积物中(由沉积物中有机质重结晶作用引起)的成岩反应,能够提供弥漫到沉积物-水界面的碱性条件,为扇形沉积的生长提供铁矿物。
这些反应还包括用铁和锰氧化物,硝酸盐或硫酸盐作为受体的有机质厌氧呼吸。
由于扩散速度缓慢,沉积物中有机质的重结晶作用规模导致了孔隙流体内部的DIC碳同位素组成的厘米级的非均质性(Irwin等人,1977年;Hennessy和Knauth,1985年;Mazzullo,2000年)。
如果这个过程为海底扇提供了所需的碱性条件,那么单个扇形沉积则会记录类似的同位素非均质性。
相反,如果碱性条件由海水提供,那么DIC应是充分混合同位素(因为有机质重结晶作用的速率相对于表层海洋流体混合是缓慢的)。
鉴于同一层与层间(-9.14至-11.18‰)的风暴潮沉积样品的碳同位素值是相似的,并且它们的值与测量伴生鲕粒碳酸盐岩的结果是相符的(corsetti和Kaufman,2003年)一个成岩作用沉积过程提供碱性条件似乎是不可能的。
相反,提供碱性条件的可能是一个充分混合,同位素缺乏的海洋海水,这种海水在风暴浪基面之上或接近混合带冲刷海底。
此外,由于扇形沉积以层内层序为基准在切穿作用期间形成,所以它们可能记录了相对更深水条件的同位素组成。
海底沉淀的扇形沉积与上覆浅水碳酸盐岩同位素组成的一致性,说明生物泵不能为扇形沉积的沉淀提供不同深度的碱性条件(如hotinski等人,2001年)。
较深水条件的扇形沉积与上覆碳酸盐岩同位素组成的一致性,表明在大规模碳同位素异常期间,在沉积盆地中的海水同位素组成具有均质性。
富集在扇形沉积单元空隙铁矿物的存在,为扇形沉积地层研究提供了一个重要线索。
EDS分析结果表明这些矿物富含铁和目前是铁的氧化物。
这些矿物有可能先以黄铁矿(还原铁的一种产物)形式形成随后氧化。
不论其原矿物成分怎样,在碳酸盐岩扇形沉积层中铁的分布,表明在变为碱性条件时,铁以溶解在水中的二价铁离子或在缺氧条件以泥晶灰岩暂时抑制剂的形式转移(deLeeuw,2002年)。
风暴潮扇形沉积分析表明,在海进期间发育了一套沉淀而成的海底模式,并且充分混合的水体为扇形沉积的生长提供了碱性条件。
今后的工作需要确定,发育含铁的碳酸盐岩扇形沉积的环境条件对风暴潮沉积是否是独一无二的,或者这些是否是海底碳酸盐岩扇形沉积区别于同期和地质历史时期有时间间隔的沉积盆地的特征。
7结论
在新元古代Johnnie地层风暴潮沉积中的海底碳酸盐岩扇形沉积,形成于风暴潮为主的潮下带浅水环境。
与碳酸盐扇形沉积有关的丰富的含铁矿物的存在,表明了溶解的铁可能充当了一个碳酸盐岩成核作用周期性抑制剂,有利于在海底现有核上的直接沉淀作用。
海底晶体扇形沉积的碳同位素比值表明,这些相记录了与浅水碳酸盐岩相有关的缺乏13C同位素组成。
这些数据均证实了假说,海底文石扇形沉积所需碱性条件由一个充分混合的水源流动提供,而不是由在沉积物中厌氧成岩反应扩散提供(fike等人,2006年;Leguerroue等人,2006年)。
Robust时代限制普遍缺乏在死亡谷暴露出来从大部分的新元古代至寒武纪地层,但Johnnie地层的地层层位在冰川沉积物之上出露很好(Prave,1999年;Corsetti和Kaufman,2003年;corsetti等人,2007年),以及埃迪卡拉时代大规模碳同位素转移时期出现(如calver等人,2004年;fike等人,2006年;Leguerroue等人,2006年;Kaufman等人,2007年)。
鉴于这种情况,风暴潮沉积目前包含已知在元古代最年轻的碳酸钙扇形沉积。
更好地了解这种不同寻常的碳酸盐岩沉积相,最终将洞察在地质历史时期不同时间间隔的碳酸盐扇形沉积地层。
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