研究生知识库

新元古代出现过多期大规模的冰川事件，其中最引人注目的是Marinoan冰期（约654Ma~635Ma），由于冰川可达赤道附近，被称为“雪球地球”，这期冰川对应中国的南沱冰期。Marinoan冰碛岩之上，直接覆盖了一套代表温暖气候的碳酸盐岩，因形似帽而被称为“盖帽碳酸盐岩（cap carbonate）”。盖帽碳酸盐岩是一层薄的（3-6m厚），由微晶白云岩组成的层状白云岩，且具有异常的δ13C负偏移以及一些特殊的沉积构造，如似帐篷状构造、平底晶洞构造、顺层的席状裂隙以及胶结角砾构造。盖帽碳酸盐岩的出现，意味着气候的极端变化，对于这种极端气候转变的机制仍有争论，一直是国际科学研究的热点，同时帽碳酸盐岩中奇特的沉积构造也引起了地质学家的广泛关注。席状裂隙构造是盖帽中最典型的特征，主要发育在盖帽底部，几乎台地到斜坡相的所有盖帽剖面都可见。如此广泛分布的席状裂隙构造，对于其成因一直存在争议：一些学者认为这种结构是由于孔隙流体超压造成的，也有学者认为是冰期后甲烷水合物不稳定引起的气体和流体的逃逸造成的，在长江三峡地区九龙湾、王子石、花鸡坡三个剖面席状裂隙里发现极负的δ13C负漂移（δ13C低至-48‰）的灰黑色方解石，往往作为支撑甲烷渗漏说的一个重要证据；然而Thomas F. Bristow 等（2011）应用碳酸盐岩clumped同位素温度计方法证明席状裂隙构造中δ13C极负的灰黑色方解石是热液作用的产物。通过野外观察及室内样品分析，我们也比较赞同热液成因这一说法，然而对于冰川消融后与隙状裂隙胶结构造成因有关的这期热液活动还缺少最直观的温度、盐度等证据，且前人对于典型席状裂隙中矿物的微量元素分析还不够精确。因此，我们对华南扬子板块台地相、斜剖相以及深水相的典型盖帽碳酸盐岩剖面中的席状裂隙构造展开系统的岩石学、微量元素分析，并首次采用流体包裹体方法对这一特征结构进行研究并在区域上对流体的性质进行对比，建立盖帽中席状裂隙构造的成因机制，以及探讨冰川消融后盖帽沉淀的海洋环境。获得的主要成果如下：（1）从台地相、斜剖相到深水盆地相，席状裂隙构造具有统一的矿物共生序列，主要表现出明显的三阶段热液流体活动：首先是早期热液白云岩化，这是由于地热异常使层间孔隙水交代早前喀斯特化溶蚀形成孔隙和空洞的结果；然后是中期硅化作用，形成玉髓加石英的组合；最后是晚期的方解石化，方解石充填在剩余的空隙中。中期硅化和晚期方解石化是深部热卤水沿高渗透通道上升并与周围海水混合的结果，且整个过程伴随着有机质的热降解。（2）首次在席状裂隙构造中发现类似石笋和石钟乳的同心圆圈层结构，我们认为这是早期的石笋和石钟乳被硅化后所保留的一种古喀斯特结构，是盖帽在冰川消融后由于均衡反弹作用抬升暴露遭受喀斯特化作用的最直接证据，可以大致推算出盖帽暴露的时间约1Ka-3.5Ka，十分短暂。（3）首次运用流体包裹体的方法对台地相、斜坡相和深水盆地相的盖帽席状裂隙构造胶结物进行分析，获得了这期热液流体最直接的温度和盐度参数：测得台地相大塘和朵丁剖面重晶石里的包裹体温度峰值范围都为150~190℃，盐度范围分别为4.03~7.86wt.%、2.07~7.86wt.%；内陆盆地相九龙湾剖面石英包裹体温度范围为160~220℃，盐度有低盐度和高盐度两个峰值，波峰范围分别为6.26~7.53 wt.%、17.56-20.81wt.%；斜坡相田坪剖面和大坪剖面石英包裹温度范围分别为130~170℃、140~180℃，这两个剖面石英包裹体盐度均有低盐度和高盐度两个波峰，田坪剖面石英包裹体低盐度和高盐度波峰范围分别为2.07~4.96 wt.%、8.00~15.96 wt.%，大坪剖面石英包裹体低盐度和高盐度波峰范围分别为2.07~4.34 wt.%、8.00~15.96 wt.%；还测得这两个剖面席状裂隙构造里方解石包裹体温度分别为130~150℃、121~152℃，盐度范围分别为11.34~17.70 wt.%、10.11~14.67 wt.%；深水盆地相报京剖面方解石包裹体温度范围主要集中在110~150℃，盐度同样也具有低盐度和高盐度两个波峰，值分别为2.07~4.80 wt.%，10.49~14.87 wt.%。这些温度和盐度的结果均表明席状裂隙中矿物的沉淀来自于深部热卤水与海水混合的结果。（4）区域上这期热液流体温度从台地相、斜坡相到深水盆地相呈阶梯式降低的规律，我们认为这是由于冰消后均衡反弹作用引起的地热异常在台地相高于深水盆地相所造成的。相比前人主要是从野外地质现象和剖面岩性对比来论证冰消后发生了均衡反弹作用，本次研究依据这一流体温度变化规律可以更直观的证明在Marinoan冰期消融后发生过均衡反弹作用。（5）通过对围岩以及席状裂隙构造里的石英、方解石等胶结物的稀土元素分析，我们发现这些样品的Y/Ho值几乎都表现出继承了海水的特征，部分位于台地相的样品由于受到冰川融化淡水的影响值低于海水值。在盖帽以及席状裂隙构造中石英和方解石都普遍存在Eu的正异常，说明这些矿物受到海底高温热水系统流体的影响，同时也可以推断出Eu异常可能来自于盖帽之下的老地层基地，如大塘坡组以及长安组。（6）建立了席状裂隙构造热液成因模式：Marinoan冰期结束后大规模均衡反弹（陆壳的垂直上升）强烈，使得沉积未完全固结的盖帽碳酸盐岩中普遍存在大量软变形构造；同时滨海、浅海地壳抬升暴露，喀斯特作用使盖帽碳酸盐岩中软变形构造进一步溶蚀为高渗透性地层；大规模均衡反弹可能诱发深部地壳的减压部分熔融，岩浆活动沿深大断裂驱动断陷盆地的卤水，选择早期高渗透性地层建立热液循环，最终充填沉淀形成席状裂隙构造。