扬子地块早寒武世碳酸盐结核成因对比：海水 - 孔隙水氧化还原剖面的启示

《Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology》：Contrasting genesis of lower Cambrian carbonate concretions in the Yangtze Block: Insights into seawater–porewater redox profiles

　　

摘要

寒武纪早期海洋广泛处于缺氧状态，局部发育富硫化物环境，水体氧化还原分层特征显著。然而，底层水与沉积物孔隙水之间的氧化还原耦联关系仍缺乏有效约束。本研究聚焦于扬子地块南华下寒武统灯影组中两种类型碳酸盐结核及其围岩黑色页岩，对方解石进行了原位微量元素分析，对硫化物和硫酸盐矿物进行了δ³⁴S分析。研究结果表明：(1) 围岩页岩地球化学记录主要反映了缺氧的底层水，并间歇性发育富硫化物环境。Z-2结核形成于水体硫化度增强阶段，而Z-1结核则形成于随后硫化度减弱阶段。(2) 黄铁矿尽管经历了后期流体改造，仍主要保留了早期成岩硫同位素信号。两种结核类型的早期形成分别主要与细菌硫酸盐还原（BSR）和微生物铁还原（MIR）相关。从弥散状黄铁矿到边缘状黄铁矿聚集体的δ³⁴S值逐渐富集，记录了在硫酸盐供给受限条件下孔隙水中持续进行的BSR过程。相比之下，黄铁矿较低且相对均一的δ³⁴S值表明H₂S主要来自富硫化物底层水，孔隙水中的BSR过程受到限制。(3) 将围岩页岩的氧化还原演化与结核黄铁矿记录相结合，揭示了两种海水—孔隙水氧化还原剖面。一种是以孔隙水BSR为主导的正常剖面，另一种则是以富硫化物底层水和MIR主导的含铁孔隙水为特征的反向剖面。这些发现将底层水氧化还原变化与孔隙水微生物过程联系起来，并为低硫酸盐环境下寒武纪早期海洋的生物地球化学循环及底部氧化还原异质性提供了新约束。

引言

寒武纪早期是地球上生物进化与环境演变的关键过渡期，见证了寒武纪生命大爆发、剧烈气候波动以及复杂海洋生态系统的建立（Valentine, 2002; Shu, 2008; Babcock et al., 2015; Wei et al., 2020a; Zhuravlev et al., 2023）。这一时期的海洋环境以广泛缺氧为特征，局部发育富硫化物条件（Sperling et al., 2013; Liu et al., 2020）。学者们提出了分层海洋氧化还原模型，即"富硫化物楔形模型"，用以解释富氧表层水、富硫化物中层水和含铁深层水的共存现象（Li et al., 2015; Och et al., 2016）。该氧化还原分层的重建得到了多种地球化学指标的支持与完善，包括铁的地球化学赋存状态、氧化还原敏感微量元素以及钼和铀同位素（Goldberg et al., 2005; Canfield et al., 2007; Xu and Mao, 2021; Chen et al., 2022; Ai et al., 2024; Fu et al., 2025）。以往基于黑色页岩记录的重建工作主要关注水柱氧化还原状态及其时空变异性。相比之下，底层水与沉积物孔隙水之间的氧化还原耦联关系仍缺乏有效约束，这限制了我们对于沉积物—水体界面生物地球化学过程的理解。

这种底层水—孔隙水耦联关系可通过沉积物—水体界面附近微生物还原带的垂向分布加以反映。在海洋沉积物中微生物氧化还原分带的常规序列中，微生物铁还原（MIR）带通常位于细菌硫酸盐还原（BSR）带之上（Canfield and Thamdrup, 2009; Fike et al., 2015）。除这种常规模式外，富硫化物底层水覆盖含铁孔隙水的反向氧化还原剖面已在现代富硫化物类环境和早期寒武纪地层中被报道（Xiong et al., 2019; Xing et al., 2021）。扬子地块寒武纪早期海水硫酸盐浓度显著低于现代海洋水平（Li et al., 2020）。在这种低硫酸盐背景下，硫酸盐供给与底层水硫化度对沉积物孔隙水中BSR与MIR相对重要性的影响仍缺乏充分约束。

碳酸盐结核广泛发育于寒武纪黑色页岩中（Gaines and Vorhies, 2016; Venugopal et al., 2023; Zhou et al., 2024a），并通常含有同沉积至早期成岩阶段形成的黄铁矿（Raiswell et al., 2002; Gaines and Vorhies, 2016; Xing et al., 2021; Fang et al., 2024）。这种早期形成的黄铁矿能够保存沉积物孔隙水微生物过程的矿物尺度记录，其S和Fe同位素组成已被用于研究海水—孔隙水氧化还原关系（Goldberg et al., 2006; Xing et al., 2021; Liu et al., 2022）。然而，这些微观尺度记录很少在围岩页岩所记录的同时期底层水氧化还原条件下得到评估。因此，整合碳酸盐结核与其围岩页岩的记录对于约束沉积物—水体界面的氧化还原关系具有重要意义。本研究调查了扬子地块南华下寒武统灯影组的碳酸盐结核及其围岩黑色页岩。我们利用矿物学和地球化学证据，区分早期成岩信号与后期流体改造特征，并约束结核形成过程。随后，将结核中黄铁矿的δ³⁴S记录与围岩页岩的底层水氧化还原记录相结合，重建海水—孔隙水氧化还原剖面。

章节摘要

地质背景

华南地块由扬子地块（西北）和华夏地块（东南）在新元古代合并而成（Zhao, 2015）。受埃迪卡拉纪晚期构造抬升、岩溶侵蚀以及寒武纪早期伸展作用驱动，四川盆地发育了典型的大型裂谷槽（Zhu et al., 2015; Zou et al., 2024; Song et al., 2025a）。寒武纪早期，海平面快速上升导致海水侵入上扬子地区

预处理

样本切片并用去离子水清洗后，用预烧过的铝箔包裹并保存至后续处理。子样本用于制备抛光薄片，剩余部分用玛瑙研钵研磨至小于74 μm（200目）。为防止交叉污染，样品之间需用去离子水和无水乙醇彻底清洗研钵和研杵。

岩石学分析

岩石学观测与矿物鉴定

矿物组成与微观结构

XRD结果表明，结核主要由方解石组成。Z-1结核组成相对均一，包含约73.1%方解石，以及少量斜长石（14.3%）、黄铁矿（7.4%）和石英（5.1%）。Z-2结核表现出显著的内部非均质性和矿物分带：上部富集方解石（65.7%）和黄铁矿（13.1%），下部方解石和黄铁矿含量较低

灯影组的沉积条件

寒武纪早期，四川盆地中部发育深水陆棚环境，具有相对较高的古生产力和还原性底层水条件（Gao et al., 2021; Zhao et al., 2022; Liu et al., 2025; Xu et al., 2025）。这种环境为早期碳酸盐结核的形成提供了有利条件（Wei et al., 2020b）。自生铀富集在缺氧条件下更为有利，而显著的钼富集则与

结论

本研究调查了扬子地块南华下寒武统灯影组的碳酸盐结核及其围岩黑色页岩。区分了结核中黄铁矿保存的早期成岩硫同位素信号与后期热液改造特征。围岩页岩记录的底层水硫化度变化与结核中黄铁矿的δ³⁴S特征一致，将水柱氧化还原变化与早期成岩硫循环联系起来。在此基础上，

作者贡献声明

王文阳：撰写—初稿、可视化、资源、调查、经费获取、数据管理、概念构思。周一天：撰写—审阅与编辑、方法论、调查、形式分析、数据管理。陈冬霞：撰写—审阅与编辑、监督。杨书悦：调查、形式分析。郭一昊：调查、形式分析。王永立：撰写—审阅与编辑、监督。陈章新：撰写—审阅与编辑、监督。

利益冲突声明

作者声明不存在任何可能影响本文所报道工作的已知竞争经济利益或个人关系。

致谢

本研究得到国家自然科学基金（批准号42572145）资助。

王文阳|周一天|陈冬霞|杨书悦|郭一昊|王永立|陈章新

中国科学院地质与地球物理研究所深部油气智能勘探开发重点实验室，北京 100029，中国