贵州南沱冰期海洋磷的地球化学

摘要

磷是海洋初级生产力最重要的限制性营养元素，同时对有机质的埋藏及大气-海洋系统氧化还原状况起着重要的调节作用。由于海水中的磷主要来源于大陆岩石的化学风化作用，因此，地质历史时期海洋磷的地球化学循环不仅反映了大陆风化作用的变化，而且对当时的海洋初级生产力和大气氧的演化起着重要的制约作用。研究表明，新元古代的“雪球地球”时期，海洋中溶解态磷酸盐的浓度很高，高于除新生代以外的其它地质历史时期。而在“雪球地球”事件之后的陡山沱期发生了全球性成磷事件，沉积、富集了大规模的海相磷块岩，形成了很多大型乃至超大型的磷矿床。同时，新元古代又是地球历史上大气氧浓度显著增加的一个重要时期（称为新元古代氧化事件）。根据传统的“雪球地球”观点，南沱冰期地球表面（包括陆地和海洋）完全被冰覆盖，此时地表水文循环和化学风化作用停止，因此，在这种特殊的地质环境背景下，南沱冰期海水磷浓度较高的原因是一个急需解决的科学问题。
　　本文针对我国的贵州省，选取从浅水台地相、大陆斜坡相到盆地相的贵州遵义六井、剑河五河、从江黎家坡、天柱大河边四处剖面作为研究对象，从这几个地区的沉积学、岩相学、元素地球化学等方面来探讨贵州南沱冰期磷的风化、搬运和沉积过程，并且设计模拟实验，在氧气浓度和温度均较高的条件下研究南沱冰期海水中磷酸盐在缺氧含铁海水逐渐氧化过程中的转化情况，试图推断冰期后大气氧浓度及温度升高的环境下溶解态海洋磷的归宿。论文主要获得的认识如下：
　　研究区的剖面野外观察结果表明，南沱组主要的岩石组成为冰碛砾岩，剖面中也含有夹层数不等的泥质细粒沉积岩，杂砾岩中含大量磨圆度较好的砾石，剖面也常见层理构造，因此推测南沱冰期可能存在气候的冷暖波动，有流动水体作为搬运岩石的介质。
　　通过对新鲜南沱组杂砾岩中细碎屑组分的主量、微量、稀土元素地球化学特征分析，揭示几个研究区杂砾岩的物源较为一致，在此基础上针对研究区岩石细粒碎屑组分计算得出的化学蚀变指数（CIA）数值变化范围较大，指示了南沱冰期化学风化强度的改变，从而间接反映了地表温度的变化。而杂砾岩的CIA值与P2O5/Al2O3值呈负相关关系，说明南沱冰期有程度不等的化学风化作用，冰下化学风化作用中释放的磷可能是冰期海洋磷的重要来源。
　　研究岩石细碎屑组分中的铁组分用以判别海水氧化还原状态，分析结果表明，不同相区绝大多数杂砾岩中游离态氧化铁与全铁的比值均大于0.38，且南沱组岩石中所含黄铁矿的含量极少，表明南沱冰期海水呈缺氧含铁的还原状态。
　　与游离态氧化铁结合的稀土元素分析结果表明，台地相的遵义六井剖面显示出明显的
　　中稀土富集特征，与典型的海水稀土配分曲线明显不同，与缺氧含铁的海水稀土组成类似。而属于大陆斜坡相的五河剖面和盆地相的天柱大河边剖面则呈现出轻稀土富集而重稀土亏损的特点，反映了缺氧条件下浅水（台地相）沉积物中轻稀土相对于重稀土的优先释放，在深水（斜坡相和盆地相）富集的特点，再次印证了南沱冰期海水为缺氧含铁的条件。大河边剖面样品中显Ce正异常，表明盆地相比其它沉积相区的沉积环境更为还原。大部分地区缺氧含铁的海洋环境是南沱冰期海水中磷富集的另一个重要原因。
　　为揭示南沱冰期海水中磷的赋存状态，作者进行了南沱组红色杂砾岩中铁结合态磷的分析。岩石中碎屑态磷的含量较少，而铁结合态磷占总磷的比例很大，反映海水中的磷主要是以溶解态的形式存在。携带溶解氧的流水进入海洋后，海水中的Fe2+氧化为Fe3+，溶解态磷吸附或共沉淀于（氢）氧化铁之上形成了铁结合态磷。
　　人工配制的南沱冰期海水在氧浓度及温度较高的环境下，随着时间的推移，pH、Eh值逐渐增高，海水逐渐从还原状态变成为氧化状态，且氧化程度越来越高，Fe2+也随之被氧化为Fe3+，海水中溶解态磷从海水中移除，吸附于高活性铁或与氢氧化铁形成共沉淀。
　　根据以上研究成果，结合南沱冰期总的气候特点及近年来南极地区的重要发现，得出如下认识：
　　1.贵州南沱冰期存在着气候的冷暖波动和冰下风化作用，冰下化学风化作用是这个时期陆地上的磷进入海洋的主要机制:
　　2.南沱冰期海洋整体处于缺氧含铁环境，反映此时大气氧浓度远未达到现代的水平，而这又为冰下化学风化产生的磷大量进入海洋以及在海洋中的富集提供了环境保障。

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第1章 引言

1.1 选题背景及研究意义

1.2 国内外研究现状

1.3 研究工作概况

第2章 地质特征

2.1 研究区地质背景

2.2 区域古地理环境

2.3 研究区南沱组剖面特征

2.4 岩石学特征

第3章 南沱组岩石的地球化学特征

3.1 取样及分析方法

3.2 南沱组岩石的元素地球化学特征

3.3磷迁移富集机制初探

第4章 南沱冰期海水氧化还原条件及磷的地球化学

4.1 南沱冰期海水的氧化还原特征

4.2游离态氧化铁的稀土元素特征

4.3 南沱冰期铁结合态磷的形成机制初探

第5章 南沱冰期海水充氧后磷的迁移模拟实验

5.1 模拟实验背景

5.2 实验仪器和试剂

5.3 实验步骤

5.4 实验现象

5.5 实验结果与分析

第6章 结论

致谢

参考文献

附录