根据大洋缺氧事件，对鲁东地层地球化学反应进行研究 - 海洋地球化学分析

孙一震 · 发表于海洋技术发展 2024-4-20 05:05:10

前言

本文通过对周戈庄剖面高密度连续取样，进行无机碳氧同位素、总有机碳（TOC）等地球化学参数的测试分析结果显示，周戈庄剖面碳同位素以剧烈的负偏移启动，之后出现阶梯状正偏移的特征

研究背景

1.大洋缺氧事件

中生代的大洋缺氧事件是基于广泛存在的富含有机碳的细粒沉积岩（如黑页岩）而定义的。有机碳富集地层（通常称为“黑色页岩”）的沉积在地质科学发展的早期就被认为是岩石记录的特殊特征，因为它们需要特定的环境条件来形成，而这在现代海洋中并不常见或者说并不普遍。

尽管如此，这些沉积物储存了大量的碳，足以供应人类迄今为止消耗或将产生的所有石油和天然气。据估计，在地球历史上以海洋缺氧事件为特征的时代，石油烃源岩所占比例最高（Schlanger 等，1982）。

根据对现代海洋缺氧环境中有机碳埋藏率的观察，早期研究人员对研究黑页岩得出结论为导致有机碳保存增强的关键因素是底层水中氧含量的降低（例如，低于 1.0ml（O2） /L（H2O））。缺氧而发生主要有以下两方面的原因：

水柱分层，该过程通过光合作用的藻类和（或）与大气的交换来防止富含氧气的地表水向下混合，初级生产的增加，初级生产的增加，导致过多的分解有机物积聚，好氧细菌耗尽了氧气。

2、有机碳的石油烃源

随着 20 世纪石油工业的发展，人们对更好地了解富含有机碳的石油烃源岩形成的推动力，导致对现代和古代黑色页岩进行了更详细的研究。第二次世界大战后，海洋盆地中与研究相关的探索性钻探的发展（尤其是深海钻探项目）催生了重大发现：

从较浅的陆相大陆盆地已知的许多黑色页岩可追溯到深海的时间等效地层海洋记录表明，在地球历史的某些时间段内，负责有机碳埋葬和保存的条件非常广泛，甚至不具有全球性。

这一现象促使 Schlanger 和 Jenkyns（1976）提出了中生代大洋缺氧事件或者 OAEs 的概念。中生代大洋缺氧事件（OAEs）发生在两个主要的时间间隔内，通常以黑色页岩的广泛发育为特征。

根据有机碳沉积的面积范围和全球碳循环的扰动，这反映在碳同位素正漂移上，OAEs 主要指的是侏罗纪的 Toarcian 事件（Jenkyns，1988）和白垩纪的 OAE1a 至 OAE3 期（Leckie 等，2002）这两个大的缺氧事件。

然而，其它地层间隔，如侏罗纪晚期的 Kimmeridge 泥岩层和 Oxford 泥岩层，或 Cenomanian 中晚期的 Graneros 组和 Greenhorn 组的地层（以及与其处于同一时期地层单元），也具有明显的有机碳富集特征，以及在同位素记录上出现了一些轻微的扰动。

大洋缺氧事件的发生分为了很多各个阶段，其中具有全球性分布的主要有以下几期：（1）早期的 Toarcian 事件（即 Posidonienschiefer 事件，一般记为 T-OAE，发生在距今约 183Ma 前）。

早期的 Aptian 事件（即 Selli 事件，一般记为 OAE1a，发生在距今约 120Ma 前）；早期的 Albian 事件（即 Paquier 事件，一般记为 OAE1b，发生在距今约 111Ma 前）。

Cenomanian-Turonian（即 Bonarelli 事件，一般记为 OAE2，发生在距今约 93Ma 前）。 其他被发现的白垩纪的 OAEs 所留下记录显示其未有全球性的分布，尤其是在特提斯域（如：OAE1c，OAE1d）（Arthur 等，1990）；

3.局部盆地限制

OAE1c 所存在的问题是其记录是不完整的，与此事件相关的层位可能不是同时期的，可能记录了局部盆地限制和密度分层 （Tiraboschi 等，2009）；然而，OAE1d（晚 Albian 时期的 Breistroffer 事件）最初是在法国东南部的 Vocontia 海槽的地层中发现的，

比如下 Albian 的 Niveau Paquiern 组（Breistroffer，1937；Bréhéret，1997）在大西洋和在加利福尼亚 Franciscan 增生杂岩体的远洋石灰岩中也有类似的发现（Wilson 等，2001；Bornemann 等，2005；Robinson 等， 2008），这暗示了一个潜在的全球分布的特征。

与此同时，也发现了 OAE1d 类似的事件，如白垩纪早期的 Valanginian Weissert 事件，以意大利南阿尔卑斯山、大西洋和中太平洋为例，记录了特提斯地区零星的有机物质丰富的记录，从全球环境变化的角度来看，

它似乎可以被视为具有某种意义的 OAE（Lini 等，1992；Erba 等，2004；Bornemann 等， 2008；Brassell，2009 年）。最新的 Hauterivian Faraoni 事件，在特提斯和大西洋区域以及可能更远的地方被确认

也被描述为 OAE（Cecca 等，1993；Baudin，2005；Bodin 等， 2007）。OAE3 属于晚 Coniacian-Santonian 时期，它主要由大西洋中广泛分布的、地层上广泛分布的黑色页岩记录所代表，不过目前已知在该地区以外发现了黑色页岩的记录

研究内容

1.白垩纪

在中生代开始时，各大洲被整合成一个单一的超大陆 Pangaea。到白垩纪开始时，它已分成两个超大陆，北部是 Laurasia，南部是 Gondwana，由赤道海道隔开，赤道海道由西边的狭窄中大西洋和东边的楔形特提斯海洋组成。

在白垩纪时期，中大西洋与南北海盆相接，形成了狭窄的，由北向南的大西洋。同时，印度洋向南开放。这些新海洋的增长伴随着特提斯海洋的逐渐关闭，因为洋壳的侵蚀在这一时期沿其北部边缘开始。

这导致了新生代的大陆碰撞，形成了从比利牛斯山脉到阿尔卑斯山脉进而延伸至喜马拉雅山脉及其他地区的山脉。 纵观中生代，全球海平面波动上升，在白垩纪晚期达到最高。

一部分原因是由于新生洋中脊系统的增长，另一部分原因来自于白垩纪新生洋壳的产生，这两种都会导致大面积年轻的、热而又相对隆升的洋底的抬升，从而排出大洋盆地中部分的水。

在进一步波动之后，渐新世开始海平面出现明显的下降趋势。在晚石炭纪至二叠纪早期的冰河时代之后，全球气候变暖，温度在白垩纪晚期也达到了最大值，当时在海平面上似乎完全没有极地冰。

在整个中生代和新生代，生物都呈现出多样化的趋势，而毁灭性大灭绝的幸存者标志着二叠纪时代的结束。然而，这种模式被其他一些物种大灭绝所打断，包括在白垩纪内的一些物种灭绝，但最显著的是在该时期结束时（K/T 边界灭绝）。

白垩纪生命因此由一系列在今天看来仍然很重要的生物群体组成，例如陆地上的被子植物和昆虫，鱼鳍鱼以及海中无脊椎动物的数量众多的物种，以及绝种的物种，例如陆地上的恐龙以及海洋中菊石、箭石和厚壳蛤类等双壳类生物。

白垩纪也看到了钙质浮游生物的第一次盛世。他们的骨骼沉入海床为全球碳循环增加了新的重要意义。根据最新的国际地层年代表（2019 年 5 月），对白垩纪地层采取了 2 分法的划分方式即下白垩统、上白垩统。

进而将早白垩世细分为 Berriasian（ca.145.0~ca.139.8Ma）、 Valanginian （ ca.139.8~ca.132.9Ma ）、 Hauterivian （ ca.132.9~ca.139.8Ma ）、 Barremian （ca.145.0~ca.139.8Ma）、Aptian（ca.125.0~ca.113.0Ma）、Albian（ca.113.0~100.5Ma）；

晚白垩世则由 Cenomanian（100.5~93.9Ma）、Turonian（93.9~ca.89.8±0.3Ma）、Coniacian （ca.89.8±0.3~ca.86.3±0.5Ma）、Santonian（ca.86.3±0.5~ ca.83.6±0.2Ma）、Campanian （ca.83.6±0.2~ca.72.1±0.2Ma）、Maastrichtian（ca.72.1±0.2~66.0Ma）组成。在我国，白垩纪地层也有着广泛的分布，并且类型多样，陆相地层为主，同时兼具海相和海陆交互相（席党鹏等，2019）。

华北地区的胶莱盆地、苏北盆地以及合肥盆地等发育有较为典型的白垩纪陆相地层，其中鲁东的日青威盆地最为典型，地层最为完成且研究程度较高。因此选择在鲁东这一地区作为本论文的研究区来开展进一步的工作。

2.鲁东地区构造背景

鲁东，即山东东部。山东东部地区在地理位置上位于我国华北的东部，属于华北克拉通和扬子克拉通的结合部位，该结合部位为苏鲁造山带的中段（周瑶琪等，2015）。鲁东地区一般以郯庐断裂带作为西侧的边界，本次的研究也将主要针对郯庐断裂带以东的地区，主要以野外露头为主（周瑶琪等，2015）。

起初，对鲁东地区的认识是，该地区在中生代仅存在一个盆地——胶莱盆地。但是，近几年本人所在研究团队通过对日照、青岛、烟台、威海等山东东部近海地区的野外踏勘，综合地层的沉积特征、区域重磁电、锆石测年数据以及天然地震数据的解释结果，分析研究，首次发现了山东东部晚中生代裂陷盆地（周瑶琪等，2015），并将其命名为“日青威盆地”。

该盆地内的莱阳群的深水异地沉积，以及热水成因硅质岩，伴随出现的大量微生物席和硫化物等特征有别于临近盆地（张振凯，2017）。至此，鲁东地区的中生代盆地存在两个，即位于北部的胶莱盆地、位于南部的日青威盆地。

在大的构造单元划分上，山东东部地区被划归为郯庐断裂带以东的鲁东隆起区。胶莱盆地位于鲁东隆起区的中部，属于中生代的陆相残留盆地，盆地内部分为 7 个次级构造单元，由北东向南西依次为：海阳凹陷、牟平—即墨断裂带、莱阳凹陷、大野头凸起、高密凹陷、柴沟隆起以及诸城凹陷。

3.日青威盆地

牟即断裂带包含多条北北东（NNE）向的断裂，分别是百尺河断裂、沧口断裂、即墨断裂、海阳断裂、朱吴断裂、郭城断裂、五龙河断裂以及桃村—东陡山断裂鲁东地区的另一个中生代的盆地日青威盆地，位于北东东（NEE）向的五莲—荣成断裂南东，千里岩断裂（NEE）北西，是一个狭长的裂谷盆地，呈狭窄的北东向展布，盆地内存在次级的洼陷和隆起。

但是，受目前在该地区的地球物理资料的限制，日青威盆地的北东界、南西界仍未最终确定。日青威盆地海域内断裂带较多，其中大多数对盆地有重要影响和控制作用的断裂带呈现北东向展布，前人研究中大多认为这些断裂为逆冲断层，而在早白垩世这些断裂则是处于伸展状态的正断层，

这些断裂对盆地有重要影响，盆地正是受到这些断裂的控制（周瑶琪等，2015）。该盆地，断裂体系在后期被多组北西向的断裂错断，但是，总体展布上没有发生大的变化，盆地内部呈现“两凹一隆”的格局，即东部洼陷与西部洼陷、以及中央隆起区。

经过筛选，山东地区的火山岩活动目前有约 46 个不同年龄的记录，其中鲁东地区有 22 项记录，属三个区域之最。分析鲁东地区火山岩的年龄分布（图 6-2），发现其峰值出现在 120Ma 附近。

结合早白垩世，山东地区岩浆岩的分布情况（图 6-3 蓝色和绿色区域），发现在周戈庄剖面周围有较大面积的岩浆岩的出现。

因此，可以说明在周戈庄剖面沉积时期，伴随着鲁东地区较大规模的火山喷发活动，且与剖面所在位置的距离较近。在火山喷发的过程中，释放的二氧化碳对缺氧事件发生有较大的贡献，而且幔源（Barclay 等，2010）二氧化碳会导致碳酸盐碳同位素偏正。

结论

周戈庄剖面的碳同位素曲线的偏移特征与海相地层在 OAE1a 时期所表现出的经典的八段式特征几乎一致，尤其是 OAE1a 发生的主要阶段——C3~C6 段；与此同时， TOC 的曲线表现出在碳同位素正偏移的阶段和粒度较细的岩性段正偏移的特征，符合 OAE1a 时期有机碳埋藏的沉积地球化学特征。

对比结果显示，以上地球化学特征与全球其他典型的 OAE1a 剖面的表现几乎完全一致。周戈庄剖面中顺层发育的玻屑凝灰岩的年龄可以代表剖面地层的沉积年龄，利用锆石 U-Pb 定年的方法，测得其绝对年龄为 120.39±0.46Ma，与早白垩世的 Aptian 阶形成时期对应。这是首次在有绝对年龄限定下，针对陆相地层在 OAE1a 时期的地球化学响应展开的研究。

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