沉積地球化學(xué)在氧化還原條件判別中的應(yīng)用

馮瑋娜

摘? 要：本文主要總結(jié)利用沉積地球化學(xué)追溯古代沉積環(huán)境、了解沉積特征的一系列方法。包括沉積物的同位素，主微量元素、氧化物等在沉積物沉積氧化還原環(huán)境上的應(yīng)用，以及利用碳酸鹽巖中的相關(guān)元素（I/Ca+Mg）分析沉積環(huán)境的方法。

關(guān)鍵詞：沉積地球化學(xué);主微量元素;氧化還原條件

引言

海洋的氧化還原條件與生物的出現(xiàn)、演化有著密切關(guān)系，最明顯的是顯生宙以來地球經(jīng)歷的5次生物大絕滅都與大氣氧氣的降低和海洋水體的還原密切相關(guān)。此外，缺氧環(huán)境還是烴源巖發(fā)育的主控因素之一，所以，對古海洋氧化還原的研究有利于分析海洋生物的演化環(huán)境，以及沉積盆地有機(jī)質(zhì)的保存狀況，為理解地球歷史上重大地質(zhì)歷史轉(zhuǎn)折期的機(jī)制和油氣勘探提供良好的基礎(chǔ)。

很多指標(biāo)被用來反演古海洋氧化還原條件：包括古生物學(xué)指標(biāo);巖石學(xué)指標(biāo);礦物學(xué)標(biāo)志;地球化學(xué)標(biāo)志等。但單個指標(biāo)各有其干擾因素。近年來，地球化學(xué)氧化還原指標(biāo)的研究取得了巨大進(jìn)步，國內(nèi)外很多學(xué)者都對氧化還原地球化學(xué)指標(biāo)進(jìn)行了綜合報道（Tribovillard N，er al.2006）。

1 主微量元素在氧化還原條件分析的應(yīng)用

1.1微量元素在氧化還原條件分析中的應(yīng)用

氧化還原環(huán)境的判別主要是根據(jù)沉積物中明顯受氧化還原狀態(tài)控制的元素及其比值來推斷沉積物沉積期的氧化還原條件。其中，U、V、Cr、Co、Ni、Mo等微量元素在氧化和還原條件下的溶解性差異使得其能夠代表沉積時的原始記錄，常以作為判別古沉積水體氧化——還原環(huán)境的指標(biāo)。Jones B于1994年總結(jié)出了一套用于判別沉積物沉積時底層水體氧化-還原環(huán)境的微量元素比值判別指標(biāo)（表1）。

V、Ni同屬鐵族元素，V在氧化環(huán)境下容易與沉積物結(jié)合形成沉淀，而Ni易在還原條件下被吸附富集，發(fā)生沉淀。因此，通常可以用V/（V+Ni）的值來反映古沉積水體的氧化-還原環(huán)境（RIMMER S M，2004）。Th和U元素的化學(xué)性質(zhì)在還原環(huán)境下十分相似，但在氧化條件下差別卻很大。基于這兩種元素的地球化學(xué)性質(zhì)差異，常利用&U法和U/Th比值法判斷沉積環(huán)境的氧化還原狀態(tài)。此外，Eu和Ce由于具有與其他稀土元素不同的變價，常在不同的沉積環(huán)境下造成正負(fù)異，常將δCe和δEu異常作為判斷沉積環(huán)境氧化-還原狀態(tài)的指標(biāo)（王中剛，1989）。

1.2 主量元素在氧化還原條件判別中的應(yīng)用

以氧化物形式存在的MgO、Al₂O₃、CaO、SiO₂、K₂O、Fe₂O₃等化合物中主量元素的量值對古氣候反映較為敏感（程捷，2006;吳鳳鳴，1981）。w（MgO）/w（CaO）對氣候變化較為敏感，當(dāng)鈉鹽、鉀鹽等易溶性鹽類參與沉淀時，Na⁺、K⁺的相對高值和w（MgO）/w（CaO）低值共同指示干熱氣候，而當(dāng)鈉鹽、鉀鹽等易溶性鹽類不參與沉淀時，w（MgO）/w（CaO）高值指示干熱氣候，低值指示潮濕氣候。此外，沉積物中的SiO₂含量與區(qū)域氣候密切相關(guān)，同時也受物源影響。一般認(rèn)為，含量越高，氣候越寒冷干燥;反之，氣候溫暖濕潤（張玉芬 等，2013）。

2 碳酸鹽巖沉積氧化還原條件判斷

2.1 基本原理

近年來，有學(xué)者提出碳酸鹽巖的I/（Ca+Mg）值可作為反映海洋氧化還原條件的重要指標(biāo)，并將其廣泛應(yīng)用于海相碳酸鹽巖的古氧相研究中（尚墨翰 等，2018;Lu et al，2010）。碘酸鹽是一種海洋生物的微營養(yǎng)物質(zhì)，盡管受生物攝取/釋放的影響，仍普遍認(rèn)為海水中碘組分的主要控制因素為局部海水的氧化還原狀態(tài)。目前已知（IO₃^-）僅存在于氧化水體中，且在弱氧化水體中先于鐵和硫酸鹽被還原（圖4;Wong and Brewer，1977）。由于在碘組分中IO₃^-是唯一能與碳酸鹽礦物同沉淀的組分，因此，淺海碳酸鹽巖中的I/（Ca+Mg）可指示淺海中是否存在游離氧及水柱中氧化還原界面的相對位置（Lu et al.，2016）。

2.2 I/（Ca+Mg）指標(biāo)若干臨界值的指示意義

研究表明，未遭受顯著成巖作用改造的碳酸鹽巖，若其具有高的I/（Ca+Mg）值，便可明確指示沉積水體具有高氧氣含量（Lu et al.，2016）。盡管全球標(biāo)定結(jié)果表明I/（Ca+Mg）值并不能完全線性、定量地反映水體溶解氧濃度，有學(xué)者基于現(xiàn)代海洋碘組分的研究成果確定了一組I/（Ca+Mg）的臨界值用于半定量地限定沉積水體的溶氧量（尚墨翰 等，2018）。目前，針對I/（Ca+Mg）指標(biāo)已初步建立了3個具有重要意義的臨界值，分別為0、1.5和2.5μmol/mol。

3 問題與展望

利用地球化學(xué)判別來研究沉積環(huán)境時的手段是多種多樣的，地球化學(xué)方法只是提供了一種手段，在實際應(yīng)用中必須結(jié)合研究區(qū)區(qū)域地質(zhì)背景，巖性特征，綜合采樣、合理分析，運(yùn)用多種方法相互約束，以求能得出更準(zhǔn)確、更實際的結(jié)論。

利用碳酸鹽巖的I/（Ca+Mg）值來判斷碳酸鹽巖的沉積氧化環(huán)境的方法中，臨界值是依據(jù)現(xiàn)代海洋中缺氧盆地或OMZ內(nèi)碘組分與氧含量的相關(guān)性研究以及方解石合成實驗結(jié)果分析而提出的。由于地質(zhì)歷史時期海水物理化學(xué)條件可能與現(xiàn)代海洋存在顯著差異如碘庫規(guī)模、海水氧化還原分層，導(dǎo)致地質(zhì)歷史時期的這些臨界值與現(xiàn)代海洋的狀況存在一些偏差。所以，欲將這些臨界值應(yīng)用于古代海水氧化還原條件的精確定量分析，還需要大量的研究資料。

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