《Sedimentary Geology》：Tectonic and hydrothermal controls on environmental change and oceanic anoxia in the Miaolingian–Tremadocian Alum Oceanic Anoxic Episode of Baltoscandia
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几个显生宙时期以与所谓大洋缺氧事件（Oceanic Anoxic Events, OAEs）相关的富角质层地层堆积为特征，这些事件是由增强的有机生产力和广泛的底层水缺氧共同作用导致的。著名的实例包括早侏罗世（托阿尔期）和中白垩世的OAEs，以及若干古生代事件，
几个显生宙时期以与所谓大洋缺氧事件（Oceanic Anoxic Events, OAEs）相关的富角质层地层堆积为特征，这些事件是由增强的有机生产力和广泛的底层水缺氧共同作用导致的。著名的实例包括早侏罗世（托阿尔期）和中白垩世的OAEs，以及若干古生代事件，尤其是志留纪和泥盆纪期间的事件。这些事件通常与全球性海平面上升有关，后者扩大了浅海环境，增强了营养循环，并有利于深水环境中缺氧条件的发展。其他控制因素包括扰动营养循环从而引发浮游植物水华的机制，以及涉及大型火成岩省中耦合构造与岩浆活动的地球动力学过程。盆地结构通过调节水体交换、循环模式和营养循环，对缺氧条件的形成、范围和持续性施加额外控制。受限制和半封闭的盆地，例如那些形成于裂谷、弧前和弧后环境的盆地，通常经历减弱的循环和不良的通风条件，导致底层水中氧气耗尽。特别是，以有限内部环流为特征的平底盆地可能促进停滞底层水的发展，从而有利于有机质沉积物的积累和保存。
波罗的海明矾页岩序列提供了一个平底、受限的陆表海盆地的非凡自然档案，以其原始广阔的沉积范围、高有机质含量和氧化还原敏感元素的富集而著称，所有这些都受到一个极其可靠的生物地层框架的约束。其漫长的地层记录，跨越苗岭世至特马豆克期，进一步提供了研究长期和较短时间尺度环境变化的机会。重要的是，有机质相和氧化还原敏感元素在整个盆地中的分布表明，海洋氧化作用受到古地理配置、构造过程、热液活动和海洋学循环之间相互作用的影响，而非单一的环境控制因素。苗岭世-特马豆克期明矾大洋缺氧事件（Miaolingian–Tremadocian Alum Oceanic Anoxic Episode, AOAE）仅在波罗的海地区发育，时限约为513至484 Ma。与全球分布的OAEs不同，AOAE主要由区域地球动力学条件控制，因此缺乏全球分布。尽管由于极低的沉积速率，明矾黑色页岩序列具有凝缩性质，但已建立了一个高分辨率的生物地层框架，并辅以基于来自整个盆地的钻孔岩心的众多化学地层学和地球化学研究。然而，围绕波罗的海沉积中心的露头和钻孔中，局部到区域规模的沉积间断普遍存在。这些不连续性与以下特征相关：（i）不同于典型黑色页岩的岩性，包括（巨）角砾岩、砾岩和一套不纯碳酸盐岩；（ii）影响碳酸盐岩基底的局部岩溶化作用；以及（iii）与多金属矿床发展有关的同生Pb-Zn-Fe脉状网脉。
在这篇贡献中，研究人员评估了从AOAE起始于苗岭世到其在特马豆克期终止的波罗的海盆地的演化。研究人员首先回顾了AOAE基底、狭义明矾页岩以及环绕沉积中心的盆地边缘序列中所记录的相组合和沉积条件。这些序列被短暂的构造诱发事件间歇性地打断，这些事件由角砾岩、砾岩、独特的碳酸盐岩工厂和自生矿物沉淀所记录。然后研究人员探讨了这些事件与同时期的裂隙作用和热液活动之间的关系。最后，研究人员提出了一个综合的古地理模型，该模型提供了对苗岭世-特马豆克期波罗的海盆地内洋流通道和障碍物开启与关闭的最新重建，这构成了AOAE期间海洋环流的主要控制因素。
2. 地质背景与地层学
在寒武纪至特马豆克期，波罗的海地区被一片位于温带至亚热带南纬度的浅水陆表海覆盖，纬度从约50°S迁移至35°S。波罗的海盆地作为一个陆表海，发育于西北波罗的地块的被动大陆边缘上。寒武纪沉积作用主要发生在前寒武纪结晶基底上继承下来的准平原面上，该基底在瑞典南部由被称为跨斯堪的纳维亚火成岩带的广泛延伸的岩基复合体主导。寒武纪沉积序列表现出明显的厚度变化，最大堆积发生在盆地沉积中心，向边缘逐渐变薄。在这些单元中，明矾页岩组包含从苗岭世到早特马豆克期沉积的富含有机质的黑色页岩。该组的沉积伴随着一次穿越波罗的地块的长期海侵，原始沉积面积超过800,000 km2。这个广阔的陆表海从挪威/瑞典加里东造山带向南延伸进入波兰，向东进入爱沙尼亚和因格里亚。相邻地区相同相的对比地层被赋予了不同的岩石地层学术语。
明矾页岩组的厚度在整个盆地中变化很大，从瑞典中南部的20-25米到斯科讷和奥斯陆中部地区的80-100米，在丹麦海上Terne-1井达到最大厚度178米。该单元向南波罗的地区变薄。其底部接触面是海侵性的且穿时的，在卡特加特海峡和斯科讷的沉积中心区域最老，向爱沙尼亚和因格里亚的东部边缘逐渐变年轻，那里的明矾页岩完全属于特马豆克期。
该组以富含有机质、黄铁矿和氧化还原敏感微量金属的块状至细纹层状黑色粘土岩为主。干酪根含量可变，总有机碳值范围为5%至25%，在芙蓉统的Olenus和Peltura超带达到最大值。该组还含有丰富的组内角砾岩和砾岩透镜体，以及不纯的、含沥青的碳酸盐岩夹层和结核。明矾页岩组在整个寒武纪含有丰富但多样性相对较低的底栖到远洋三叶虫、球接子类和牙形石动物群，而在特马豆克期笔石变得越来越常见。这一丰富的化石记录使得能够建立一个高分辨率的生物地层框架。
明矾页岩组应与AOAE区分开来，后者代表一组特定的区域环境和氧化还原条件，而不是一个岩石地层单位。在此，研究人员使用术语AOAE专门指代该组内记录广泛贫氧至缺氧沉积条件的黑色页岩夹层。高TOC值通常表明有机质保存增强，这在贫氧条件下是有利的。某些微量元素的行为对氧的可利用性敏感。基于为斯堪的纳维亚明矾页岩组汇编的地球化学数据集，研究人员提出贫氧黑色页岩的特征是TOC值约1-4%，U/Al比值约1-5，V/Al比值小于23，Mo/Al比值小于5，以及Mo富集因子小于10；而缺氧黑色页岩的特征是TOC值大于3%，U/Al比值大于5，V/Al大于23，以及U富集因子超过Mo富集因子。因此，尽管AOAE在明矾页岩序列中被广泛记录，但明矾页岩组和AOAE这两个术语不应同义使用。
3. 明矾页岩的基底
如前所述，明矾页岩组是一个海侵单元，逐渐上超到跨斯堪的纳维亚火成岩带和邻近元古代基底岩石的古地貌之上。在苗岭世，波罗的海盆地的主要沉积中心位于西兰岛西北部。苗岭世明矾页岩沉积尚未在一条大致经过格但斯克、哥特兰岛和厄兰岛以及瑞典东海岸的线东北方向有记录。超出此界限，明矾页岩仅限于芙蓉统和下特马豆克阶地层。
3.1. 波罗的海沉积中心的基底
临时性寒武系第二统与苗岭统之间的界线以一个区域性的重要不整合面为标志，该不整合面与海退事件相关。由于这段非沉积间隔不能明确地与劳伦大陆东部的海退联系起来，引入了术语“波罗的海盆地海退”来指代波罗的地区相应的这一事件，以及“波罗的海盆地沉积间断”来指代由此产生的地层缺失。在波罗的海沉积中心内，这个不整合面包含一个穿时的沉积间断，代表了长达6 Myr的时间间隔。在斯科讷，该沉积间断被解释为一次急剧的相对海平面下降及相关侵蚀的结果，随后是海侵对早期胶结的碳酸盐岩基底的磨蚀作用。沉积间断持续时间和范围的差异表明，与波罗的海盆地海退相关的广泛隆升之后是逐渐的、差异性的沉降。同时，沉降从挪威西部向东推进，而波罗的地块的西缘记录了加里东造山运动芬马克阶段的影响。
在波罗的海沉积中心内重新建立海相条件是同样穿时的。从沉积中心向东北盆地边缘，沉积作用始于黑色页岩的沉积。绿色页岩相富含毫米级至厘米级的粘土岩-粉砂岩和极细粒砂岩对偶层，记录了正常氧化的、强烈生物扰动的细粒基底，这先于富含干酪根的明矾页岩沉积系统的建立。
3.2. 波罗的海东北边缘的断块倾斜基底
随着向东北方向上超到继承性基底杂岩之上，波罗的海盆地的海岸线在特马豆克期迁移到横跨爱沙尼亚北部和因格里亚的一条线上。这条沿岸带容纳了芙蓉统至下特马豆克阶的、淘洗充分的、富含磷灰石的石英质滩坝复合体的沉积。这些序列可以追溯近600公里。已经为此段建立了岩石地层框架。单个单元通常只有几米厚，代表由石英砂和粉砂组成的透镜状沉积体。这种继承性的海岸古地貌最终被上覆的特马豆克阶黑色页岩所封盖。
这些透镜状的细粒至中粒石英砂到砂岩显示出多向交错层理，局部与泥裂、砾岩透镜体、低角度和人字形构造以及页岩夹层和披盖互层，共同指示了周期性的潮汐改造和间歇性的暴露。岩石地层边界通常由侵蚀面、同生张性断层、海神岩墙或其组合所限定。这些不整合面从缓波状冲刷到深达2米的明显切割，并通常覆盖着厘米级至分米级的滞留沉积物。这些滞留物包括：舌形贝类腕足动物和多成分碎屑的堆积；铁质、次球状鲕粒到豆粒；以及分选差的、多成分的、砾石级至漂砾级的砾岩和角砾岩沉积。多个侵蚀面侧向上变为同生正断层的下盘陡坎。断层层面通常是光滑和缓曲的。海神岩墙的宽度从厘米级到米级不等。这些裂缝通常由角砾岩充填。在爱沙尼亚北部，一个突出的巨角砾岩层值得特别关注。这个不整合面将寒武系第二统与芙蓉统-特马豆克阶分开。冲刷面之上覆盖着高达2米的多成分巨角砾岩和砾岩。碎屑主要来源于下伏地层，而基质中含有不同时代的微体化石组合。基质部分由氟磷灰石、方解石和黄铁矿胶结。
4. 明矾页岩的相组合
4.1. 富含干酪根的页岩及相关Olenid生物相
明矾页岩组的独特相由单调至精细纹层的黑色页岩组成。其底部过渡是渐变至截然的，伴随着TOC和黄铁矿的逐渐增加，以及生物扰动强度的相应降低。绿色到黑色页岩的转变大约发生在5% TOC阈值处，反映了从低强度到高强度有机质降解的急剧转变。生物标志物分布表明有机质主要为藻类来源。波罗的海盆地的大部分区域变得富营养化。在芙蓉统和特马豆克期，黑色页岩沉积与沿着爱沙尼亚-因格里亚边缘的富含磷灰石的堆积物的淹没同时发生。增强的远洋藻类生产力可能通过水柱沉降控制了沉积作用，随后发育了底栖微生物席。嵌入的玫瑰花形结核和栅栏状碳酸盐岩壳局部丰富。层状至块状黑色页岩局部含有以Olenid三叶虫和球接子类为主的壳体富集层。Olenid三叶虫被解释为适应贫氧至缺氧底质的底栖-游泳食底泥动物。球接子类是另一个主要组成部分，许多被认为是远洋的。普遍存在的黄铁矿结核和莓球体反映了在贫氧至缺氧海底条件下的同生至最早成岩作用。最近的地球化学和同位素数据支持“死亡区”的幕式发育。明矾页岩组以多种微量元素的大幅富集为特征。Mo和U的富集在芙蓉统最为显著，而V的富集在特马豆克期变得尤为突出。叠加在这些长期趋势之上的是毫米尺度的氧化事件。
4.2. Forsem?lla灰岩层
Forsem?lla灰岩层是一个生物碎屑灰屑岩，通常厚度小于1米，以低角度纹理和交织的冲刷面为特征。碎屑矿物组分粒度变化很大。独特的毫米级至厘米级海绿石球粒和磷酸盐碎屑局部丰富。其余骨架由异化粒灰泥支撑的异化石灰岩构成。所有异化颗粒可能被一层或多层磷灰石和/或方解石栅栏状壳完全包裹。该层的顶面部分白云石化，并富含自生黄铁矿和磷灰石。它局部被与溶解作用形成的相互连接的次生洞穴相交切的近垂直裂缝切割。这些洞穴被多期沉积物充填。次生孔隙和洞穴系统及其充填物局部被再次破裂。Forsem?lla灰岩层的底部以一个不规则的不整合面为标志。上述沉积结构与幕式淘洗一致。多相碎屑的存在表明海底的部分区域在再改造时已经石化。该层的顶部被另一个不连续面截切，解释为一个主要的硬底表面。硬底发育及其顶部的岩溶特征被解释为逐步淹没的结果。
4.3. Exsulans灰岩层
Exsulans灰岩层由生物碎屑泥岩到异化石灰岩组成。壳层组合以三叶虫为主。生物碎屑不同程度地脱节。近水平的板片状裂隙呈夹层产出。识别出两期主要的方解石胶结物。多边形裂隙网络切割了整个组构，并为循环流体和铁质胶结物的沉淀提供了通道。该层的顶部再次白云石化并富含自生黄铁矿和磷灰石。高的泥质含量、完整到脱节的骨骼材料的丰度以及冲刷特征或内部纹理的缺失，表明是在低能量、氧化的滨外环境中沉积的。
4.4. Andrarum灰岩层
Andrarum灰岩层是一个独特的碳酸盐岩段，通常被认为是一个凝缩段。该单元以泥晶为主，由粒泥岩到泥岩相组成，局部因混合有机质而呈深灰色至黑色。它可过渡为结核状组构和离散的灰岩结核。该层含有数量不等的海绿石球粒、黄铁矿以及磷酸盐结核和壳。化石组合包括部分铰合到脱节的三叶虫等。一些三叶虫壳片上的栅栏状包壳特征将被详细描述。Andrarum灰岩层记录了一个陆源碎屑输入减少和壳质碳酸盐生产及堆积增强的阶段，并伴有风暴引起的壳质堆积。
4.5. Exporrecta砾岩层
Exporrecta砾岩层是一个异化碎屑的、多成分的单元。该层由多个叠置的亚层组成，它们共享冲刷的底面。这些边界面不平整至宽泛的凹凸状，并被多相碎屑的滞留沉积物覆盖。较大的碎屑主要是棱角状的组内碎屑，而细砾大小的碎屑通常是次圆状至次棱角状。值得注意的是，再改造的glendonite结核和与热液网脉相关的硫化物碎屑局部出现在该砾岩层中。在厄兰岛南部，该砾岩层侧向变为所谓的“M?rbylilla砾岩”。这个楔形的砾岩单元含有次圆状至次棱角状的磷酸盐化卵石和漂砾。在某些地方，砾岩和相关角砾岩被相互连接的裂隙网络和断层损伤带叠加改造。多相碎屑的出现表明在再改造之前已经发生了石化。总体而言，内碎屑组合记录了反复的再改造和对部分石化底质的“同类相食”式侵蚀。
4.6. Kakeled灰岩层
Kakeled灰岩层是一个复合单元，由嵌入黑色页岩中的多层和透镜状深灰色至黑色灰岩组成。其地层范围跨越了几个化石带。SPICE事件已在Kakeled灰岩层的对比序列中被识别出来。该灰岩高度富含化石，以Olenid三叶虫和球接子类为主。在V?sterg?tland，三叶虫序列是不完整的。Orsten型保存最初就是在Kakeled灰岩层中被认识的。
