地質(zhì)歷史時(shí)期，紅層的沉積現(xiàn)象非常廣泛，其中尤以海相紅層引起了地質(zhì)學(xué)家的廣泛關(guān)注。海相紅層的形成不僅與水體環(huán)境密切相關(guān)，還受到生物活動和成巖過程的深刻影響。眾所周知，海相紅層的主要致色礦物是赤鐵礦，而三價(jià)鐵礦物的形成通常需要氧化劑的參與，因此，傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為海相紅層往往與底部水體的逐漸氧化有關(guān)。例如，著名的白堊紀(jì)大洋紅層就是在白堊紀(jì)大洋缺氧事件結(jié)束后形成的(Hu et al., 2012)。

    然而，形成于百萬年尺度的大面積、顏色均一的海相紅層，需要持續(xù)且穩(wěn)定的赤鐵礦來源，這表明其成因機(jī)制可能比海水中簡單的Fe(II)氧化為Fe(III)更加復(fù)雜。如果該過程完全由海水中的氧氣主導(dǎo)，那么氧化的海水會迅速消耗溶解的Fe(II)，難以形成厚層的碳酸鹽巖紅層。此外，熱力學(xué)模型顯示，紅層形成需要溶解Fe(II)濃度為4 nM至50 μM的范圍內(nèi)長期存在，遠(yuǎn)低于現(xiàn)代氧化海水中0.1–1 mM的水平(Song et al., 2016)。因此，傳統(tǒng)觀點(diǎn)將海相紅層的自生赤鐵礦形成與富氧海水直接關(guān)聯(lián)的解釋面臨挑戰(zhàn)，這意味著海相紅層的致色機(jī)制可能遠(yuǎn)比我們以前認(rèn)為的更為復(fù)雜。

    為深入探討海相碳酸鹽巖紅層的致色機(jī)制，中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所的劉牧副研究員和陳代釗研究員，聯(lián)合中國地質(zhì)調(diào)查局南京中心的方朝剛高級工程師、成都理工大學(xué)的丁一教授以及南京大學(xué)的馬浩然博士，從沉積學(xué)、地球化學(xué)和礦物學(xué)角度，對中-上奧陶統(tǒng)海相碳酸鹽巖紅層的成因機(jī)制展開了全面研究，進(jìn)一步闡明了紅層所反映的沉積學(xué)意義。

    該研究結(jié)合三個(gè)剖面和一口鉆井資料，利用層序地層學(xué)、生物地層學(xué)和碳同位素地球化學(xué)等方法，構(gòu)建了中上奧陶統(tǒng)的地層年代框架。同時(shí)，通過碳酸鹽巖微相劃分，明確了紅層的沉積相及其所處的水動力環(huán)境。研究表明，這些瘤狀灰?guī)r紅層主要沉積于陸棚外緣乃至斜坡相的較深水域，富含介殼、苔蘚蟲等生物碎屑。巖石學(xué)觀察還發(fā)現(xiàn)，紅層普遍出現(xiàn)假角礫和縫合線等成巖作用現(xiàn)象，致色赤鐵礦則主要分布于支撐顆粒方解石的基質(zhì)中(圖1)。通過掃描電鏡進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，赤鐵礦呈亞微米顆粒聚合形式，賦存于方解石晶間孔隙中（圖2）。全巖地球化學(xué)分析顯示，Al2O3與Fe2O3之間具有較強(qiáng)的正相關(guān)關(guān)系，表明鐵元素可能主要來源于富含鐵的陸源粘土礦物。此外，碳酸鹽巖醋溶淋濾法的地球化學(xué)分析揭示，稀土元素分布呈現(xiàn)中稀土元素富集特征，Ce異常接近1，且Ni含量明顯富集，這表明早成巖階段的孔隙系統(tǒng)中鐵經(jīng)歷了活躍的再溶解作用。在孔隙水中的鐵離子通過溶解或解吸作用，被氧化性流體重結(jié)晶為亞微米級赤鐵礦聚合體，并以雪花狀礦物顆粒形式富集于方解石晶間孔隙（圖2）。

圖1 中上奧陶統(tǒng)碳酸鹽巖海相紅層成巖過程導(dǎo)致赤鐵礦致色過程巖相學(xué)模型示意圖
 

圖2 奧陶系碳酸鹽巖紅層中賦存于方解石晶間孔隙的亞微米級赤鐵礦微粒聚合物

    傳統(tǒng)觀點(diǎn)通常將陸源赤鐵礦與巖石的紅色聯(lián)系起來，然而由于陸源風(fēng)化搬運(yùn)的赤鐵礦顆粒通常為毫米尺度，其致色效果不及更細(xì)小的赤鐵礦。本研究填補(bǔ)了陸源赤鐵礦與紅色之間缺失的關(guān)鍵環(huán)節(jié)：即在碳酸鹽巖早成巖階段，水-巖界面下的氧化還原界面發(fā)生遷移，導(dǎo)致孔隙水中溶解釋放出陸源黏土礦物中的鐵離子。這些鐵離子在孔隙水系統(tǒng)中重新沉淀，形成更細(xì)小且致色能力更強(qiáng)的鐵氧化物礦物 (圖3)。該研究將碳酸鹽巖紅層的致色過程與孔隙水中鐵氧化物的還原性溶解和氧化性重結(jié)晶循環(huán)聯(lián)系起來，強(qiáng)調(diào)了基于碳酸鹽巖的氧化還原地球化學(xué)指標(biāo)可能存在的潛在誤差。這些指標(biāo)不僅可能受到氧氣的影響，還可能受到其他電子受體/供體的干擾，例如 Fe-Mn 氧化物和有機(jī)物，進(jìn)而導(dǎo)致地球化學(xué)指標(biāo)的偏差和失真。

圖3 奧陶系海相碳酸鹽巖紅層形成古海洋學(xué)模式示意圖

研究成果發(fā)表于沉積學(xué)領(lǐng)域國際學(xué)術(shù)期刊SG和MPG。

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