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华北下马岭组（~1.4 Ga）碳酸盐岩结核的成因机制与环境意义

14、古生物、古地理与古环境 > 专题7：关键地质历史时期地球环境的演变

碳酸盐岩结核直接记录了古代海洋沉积物内的生物地球化学过程，同时也有可能间接地反映海水化学条件。由于形成结核所需的重碳酸盐（HCO3-）主要来自于沉积物内有机质的降解，因此在泥岩中，碳酸盐岩结核倾向于发育于富有机质的黑色页岩中。但是，在华北下马岭组（ca. 1.40–1.35 Ga）四段，灰岩结核却发育于贫有机质（TOC = ~0.1 wt%）的灰绿色粉砂质页岩中。为了阐明这些结核形成机制及其古环境意义，我们开展了全面的岩相学和地球化学研究。宏观上围绕结核弯曲的页岩纹层、微观上结核内部粘土矿物“卡片房子”结构以及方解石晶洞的发育，均表明结核形成于粘土矿物显著压实之前的早期成岩阶段。结核的碳同位素组成（-1.7‰至+ 1.5‰）稳定且接近或略低于同期海水的碳同位素组成，表明结核形成所需的重碳酸盐主要源于海水而不是源自产甲烷作用或甲烷的厌氧氧化。结核中自生黄铁矿颗粒罕见，表明细菌硫酸盐还原（BSR）在结核形成过程中也不发挥重要作用。结核中几乎所有方解石都具有低Mn-Fe核心，高Mn-Fe边缘的特征，边缘Mn/Fe比值平均为3.3，并具有显著的Ce正异常（~1.43）和低Y/Ho比值（~31）。这些特征综合表明，Mn的还原是方解石边缘形成的主导过程，而硝酸盐还原可能诱发了方解石核部的沉淀。早期成岩阶段孔隙水中显著的Mn还原过程可能表明在上覆海水中具有充足的氧气以支持活跃的Mn氧化还原循环，并为沉积物内Mn还原过程提供充足的反应物。I/(Ca+Mg)测试结果显示超过一半的结核（36/47）的I/(Ca+Mg)> 0.5 μmol/mol（平均0.68），指示结核形成所处孔隙水含有一定量的碘酸根和氧气。半定量估算底层海水氧气浓度高于16–22 μM，对应大气氧气浓度为6%–9% PAL（现代大气水平）。这一估计结果显著高于之前的低氧估值（<0.1%–1% PAL），但与高氧估值一致（>4%–8% PAL）。