晚冰期古环境变化及其对有机物积累的影响：来自中国南方南华盆地铁桥组和大唐坡组的新元素证据

《Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology》：Paleoenvironmental changes and their controls on organic matter accumulation during the Late Cryogenian: New elemental insights from the Tiesiao and Datangpo formations, Nanhua Basin, South China

本研究系统分析南华盆地Tiesiao（TSA）和Datangpo（DTP）组六种岩相的地球化学数据，揭示冰川期（TSA）与非冰川期（DTP）古环境演变对有机质（OM）富集的主控机制。通过对比发现，TSA形成期气候变暖与热液活动促进OM积累，而DTP1锰质碳酸盐层因生产力高峰与缺氧环境耦合，OM保存效率高；DTP2黑页岩的OM富集源于持续缺氧条件；DTP3灰页岩TOC降低则与水体氧化相关。研究证实动态环境变化驱动OM富集，为后冰川碳封存机制提供了新证据。

　　在地球历史的长河中，地质环境的变化对有机质的形成和积累具有深远的影响。特别是在寒武纪冰期之后，南中国地区的古环境演变及其对有机质富集的调控机制一直是科学界探讨的热点。本研究聚焦于南中国南华盆地内的铁樵（TSA）组和其上覆的 datangpo（DTP）组，通过分析六个沉积相的地球化学数据，试图揭示这些沉积层在古环境演变过程中有机质积累的动态过程。

铁樵组作为冰期沉积层，主要由灰黑色泥页岩和黑色页岩构成，而 datangpo 组则包含了一系列非冰期沉积层，从下至上依次为 datangpo1 成员的含锰页岩和碳酸盐岩、datangpo2 成员的黑色页岩，以及 datangpo3 成员的灰页岩。通过对这些沉积层中古环境因素演变的记录，研究发现它们与有机质富集之间存在内在联系。在铁樵组中，有机质的积累主要受到气候变暖和热液活动的影响。而在 datangpo1 成员中，有机质富集则受益于水体中含铁和缺氧的环境条件。此外，含锰碳酸盐岩的沉积发生在初级生产力显著增强的时期，而含锰页岩的沉积则与初级生产力下降相对应。然而，在含锰碳酸盐沉积过程中，由于有机质在成岩阶段的消耗和降解，使得含锰碳酸盐岩与含锰页岩的总有机碳（TOC）含量相近。

值得注意的是，在 datangpo2 成员的沉积期间，缺氧条件的存在有效促进了有机质的保存，使其成为整个研究序列中最富有机质的沉积层。而在 datangpo3 成员的灰页岩中，有机质含量较低，这可能反映了当时水体中氧含量逐渐增加的趋势。综上所述，铁樵组和 datangpo 组中有机质的积累都受到动态变化的环境条件的影响，为理解冰期后的碳封存机制提供了一个新的框架。

在更广泛的背景下，晚期寒武纪时期是地球历史上一个重要的地质时期，标志着“雪球地球”假说所描述的两次全球冰期事件（Sturtian 和 Marinoan 冰期）以及由于罗迪尼亚超大陆解体引发的全球古环境和构造变动。这些事件共同塑造了这一独特的地质历史阶段。在这一时期，南华盆地内的非冰期沉积层，如 datangpo 组，开始形成。datangpo 组因其富含锰矿而受到广泛关注，但关于其有机质积累机制仍存在诸多疑问。目前，对于这些沉积层中有机质积累的驱动因素，尤其是关键环境条件的耦合效应，尚未有定量评估，这在一定程度上阻碍了对高品质源岩分布的准确预测，进而增加了对这些沉积层中页岩油和气资源勘探的风险。

现有研究表明，有机质的丰富程度主要受到两方面因素的影响：一是产有机质生物的初级生产力，二是沉积环境中有机质的保存效率。初级生产力为有机质的积累提供了基础，而有机质的保存效率则受到多种因素的共同作用。这些因素包括：一是陆源沉积物的稀释作用，二是水体中氧化还原条件的变化，三是有机质在含锰碳酸盐沉积过程中的消耗和降解。然而，关于 datangpo1 成员中底部水体氧化还原条件的性质及其与有机质富集之间的关系，仍然存在争议。

因此，本研究不仅结合了之前的研究成果，还引入了新的地球化学数据，以系统地分析南华盆地内从铁樵组到 datangpo 组的沉积历史中古环境的演变过程。通过这种方式，研究旨在明确南华盆地在这一地质时期内古环境的演变，并建立两个沉积组的有机质积累模型。这不仅有助于深入理解冰期后的碳封存机制，也为未来的资源勘探和开发提供了科学依据。

在地质设置方面，南中国地块作为罗迪尼亚超大陆的一部分，位于北纬 40° 至 50° 之间。在晚期寒武纪时期，该地区经历了约 8.2 亿年前的裂谷作用，形成了南华裂谷盆地。这个盆地与开阔海洋的连接性较低，类似于现今的波罗的海。裂谷作用伴随着一系列呈东北-西南走向的地垒和地堑结构的形成，这些结构在古环境演变过程中起到了重要作用。

在样品采集方面，本研究共分析了 85 个样本，这些样本来自近 lengshuixi 镇的 ZK513 钻井岩芯中的未风化样品。这些样本大部分为页岩，其分析工作在中核集团实验室完成。实验条件设定为 20°C 的温度和 35% 的相对湿度，这些条件有助于保持样品的稳定性，防止因环境波动导致的物理和化学变化。通过对这些样品的系统分析，研究能够更准确地评估古环境的演变及其对有机质积累的影响。

在总有机碳（TOC）的分析中，铁樵组的灰黑色泥页岩样本平均 TOC 含量为 0.35 wt%（范围 0.05 wt% - 0.74 wt%，n=7）。铁樵组中单个黑色页岩样本的 TOC 含量为 2.07 wt%（n=1）。而含锰页岩样本的平均 TOC 含量为 1.76 wt%（范围 1.45 wt% - 2.22 wt%，n=7）。datangpo1 成员的含锰碳酸盐岩样本的平均 TOC 含量为 1.79 wt%（范围 1.2 wt% - 2.58 wt%，n=16）。这些数据表明，不同沉积相中有机质的含量存在显著差异，这与它们所处的古环境条件密切相关。

在古气候和沉积速率的研究中，化学风化指数（CIA）被广泛用作评估沉积源区化学风化强度的关键指标。CIA 值小于 60 表示寒冷、干燥的环境和较弱的化学风化作用；60 到 80 的值反映温暖、湿润的环境和中等程度的化学风化作用；而大于 80 的值则表示高温、高湿的环境。通过对 CIA 值的分析，研究能够进一步了解古环境的变化趋势及其对有机质积累的影响。

本研究的结论表明，铁樵组的灰黑色泥页岩沉积发生在初级生产力较低的环境中，导致有机质含量较低。然而，铁樵组中有机质丰富的黑色页岩沉积则受益于短暂的气候变暖、增强的热液活动、提高的生产力以及底部水体缺氧条件的建立。在 datangpo1 成员沉积期间，冰川的消失伴随着陆源硫酸盐的减少，这可能对有机质的保存和积累产生重要影响。此外，datangpo2 成员的沉积环境具有良好的有机质保存条件，使其成为整个研究序列中最富有机质的沉积层。而在 datangpo3 成员的灰页岩中，有机质含量较低，这可能反映了当时水体中氧含量逐渐增加的趋势。

本研究的作者贡献声明显示，Wenpu Zhao 负责撰写原始稿件，Yifan Li 和 Gary Lash 负责审阅和编辑，Tailiang Fan 负责项目管理，Tan Zhang 提供了研究资源。此外，本研究未引用某些参考文献，如 Pope et al., 2007，这可能与研究重点或数据来源有关。最后，作者声明他们没有已知的与本研究相关的竞争性利益或个人关系，以确保研究的客观性和科学性。

在致谢部分，本研究得到了国家自然科学基金的资助（项目编号 U24B6001 和 42272173）。研究团队衷心感谢贵州省地质矿产资源局的 103 支队提供了核心样品。同时，研究感谢两位匿名评审者提供的关键意见，这些意见对提高论文质量起到了重要作用。此外，感谢 Prof. Bing Shen 提供的编辑帮助和评论。这些支持和帮助使得本研究得以顺利完成，并为未来的研究提供了宝贵的参考。

综上所述，本研究通过系统分析南华盆地内的沉积层，揭示了古环境演变对有机质积累的动态调控作用。这不仅有助于理解冰期后的碳封存机制，也为未来资源勘探和开发提供了科学依据。研究还强调了含锰页岩和碳酸盐岩在有机质保存和积累中的不同作用，以及不同沉积相中有机质含量的差异。通过对这些因素的深入探讨，研究为古环境与有机质积累之间的关系提供了新的视角，并为进一步的研究奠定了基础。