揚(yáng)子地區(qū)奧陶紀(jì)—志留紀(jì)轉(zhuǎn)折期多事件耦合關(guān)系及有機(jī)質(zhì)富集

梁超 劉雨迪 操應(yīng)長(zhǎng) 吳靖 韓豫 謝浩然 籍士超

摘要：從地質(zhì)事件的影響角度出發(fā)，討論揚(yáng)子地區(qū)奧陶紀(jì)—志留紀(jì)轉(zhuǎn)折期多地質(zhì)事件的耦合關(guān)系、地質(zhì)事件的環(huán)境響應(yīng)以及對(duì)富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖發(fā)育的影響。結(jié)果表明：構(gòu)造運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)的大陸硅酸鹽風(fēng)化作用以及火山事件增加的碳埋藏都導(dǎo)致大氣CO2濃度的下降，當(dāng)達(dá)到閾值以下便引發(fā)赫南特冰期事件；火山噴發(fā)出的硫會(huì)在平流層形成硫酸鹽氣溶膠，增加反射率，促進(jìn)冰期的發(fā)展；冰期增大緯度溫度梯度，促進(jìn)上升流的形成；冰期降溫的突發(fā)性、水體硫化缺氧環(huán)境的擴(kuò)張以及火山事件所輸入的汞和砷等有毒重金屬是導(dǎo)致晚奧陶世生物大滅絕事件（LOME）的主要機(jī)制；火山事件輸入的火山灰和上升流給海洋表層帶來(lái)大量營(yíng)養(yǎng)元素，以及冰期海平面迅速下降期間導(dǎo)致溶解性無(wú)機(jī)磷酸鹽（DIP）濃度的增加，增強(qiáng)海洋初級(jí)生產(chǎn)力，促進(jìn)有機(jī)質(zhì)的生產(chǎn)；大量有機(jī)質(zhì)在沉降過(guò)程中消耗氧氣導(dǎo)致深層形成最小含氧帶（OMZ），火山灰快速吸收溶解氧以及冰期結(jié)束海平面快速上升都會(huì)導(dǎo)致水體缺氧條件的擴(kuò)張，從而有利于有機(jī)質(zhì)的保存；主要的沉積作用是懸浮沉積，但局部也因構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、水體變淺以及陸源輸入增強(qiáng)等因素發(fā)育部分重力滑塌、濁流、碎屑流、風(fēng)暴流沉積。

關(guān)鍵詞：奧陶紀(jì)—志留紀(jì)轉(zhuǎn)折期； 地質(zhì)事件； 耦合關(guān)系； 環(huán)境響應(yīng)； 有機(jī)質(zhì)富集； 頁(yè)巖發(fā)育

中圖分類號(hào)：TE 122 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

引用格式：梁超，劉雨迪，操應(yīng)長(zhǎng)，等.揚(yáng)子地區(qū)奧陶紀(jì)—志留紀(jì)轉(zhuǎn)折期多事件耦合關(guān)系及有機(jī)質(zhì)富集［J］.中國(guó)石油大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2023，47（6）：1-12.

LIANG Chao， LIU Yudi， CAO Yingchang， et al. Coupling relationship of multiple events and enrichment of organic matter during Ordovician-Silurian transition period in Yangtze region［J］. Journal of China University of Petroleum（Edition of Natural Science）， 2023，47（6）：1-12.

Coupling relationship of multiple events and enrichment of organic

matter during Ordovician-Silurian transition period in Yangtze region

LIANG Chao1，2， LIU Yudi1，2， CAO Yingchang1，2， WU Jing3，

HAN Yu1，2， XIE Haoran1，2， JI Shichao1，2

（1.National Key Laboratory of Deep Oil and Gas， China University of Petroleum （East China）， Qingdao 266580， China；

2.School of Geosciences in China University of Petroleum （East China）， Qingdao 266580， China；

3.College of Earth Science and Engineering， Shandong University of Science and Technology， Qingdao 266590， China）

Abstract： From the perspective of geologic events， this study explores the interconnections between various geological occurrences， their environmental repercussions， and their influence on the development of organic-rich shale during the Ordovician-Silurian transition period in the Yangtze area. The findingsindicate that continental silicate weathering intensified by tectonic movements and increased carbon burial due to volcanic events both contributed to a decline in atmospheric CO2 concentration. This decrease in CO2 concentrationtriggered the Hirnantian glaciation when it fell below a certain threshold. Sulfur released from volcanic eruptions formed sulfate aerosols in the stratosphere， increasing albedo and promoting the Hirnantian glaciation. The Hirnantian glaciation amplified the latitudinal temperature gradient， fostering upwelling. The abrupt cooling during the Hirnantian glaciation， the expansion of euxinia environments in the water column， and the introduction of toxic heavy metals like mercury and arsenicfrom volcanic events were the primary mechanisms leading to the Late Ordovician Mass Extinction （LOME）. Volcanic ash input and upwelling from volcanic events brought substantial nutrients to the ocean surface. The rapid decline in sea level during the Hirnantian glaciation increased the concentration of dissolved inorganic phosphate （DIP）， boosting oceanic primary productivity and organic matter production. The consumption of oxygen by abundant organic matter during subsidence resulted in the formation of an oxygen minimum zone （OMZ） in deeper layers. The swift uptake of dissolved oxygen by volcanic ash and the rapid rise in sea level at the end of the Hirnantian glaciation expanded anoxic conditions in the water column， aiding organic matter preservation. The primary sedimentation process was suspended sedimentation， although locally， gravity slumping， turbidity currents， clastic flows and storm surge deposits were also developed due to tectonic movement， shallow water columns， and increased terrigenous input.

Keywords： Ordovician-Silurian transition period; geological events; coupling relationship; environmental response; enrichment of organic matter; development of shale

奧陶紀(jì)—志留紀(jì)過(guò)渡期是地質(zhì)歷史關(guān)鍵轉(zhuǎn)折期，該時(shí)期發(fā)生了一系列的地質(zhì)事件，包括火山活動(dòng)［1-2］、冰期［3］、上升流［4-5］以及生物大滅絕事件［6-7］。這些事件之間相互作用、相互影響，對(duì)古氣候、海平面變化以及古海洋環(huán)境產(chǎn)生重大影響。這一特殊時(shí)期，全球廣泛沉積富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖，揚(yáng)子地區(qū)五峰組—龍馬溪組富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖是中國(guó)頁(yè)巖氣勘探的主要目標(biāo)，為缺氧深水環(huán)境中沉積的黑色頁(yè)巖，總有機(jī)碳TOC含量高、成熟度和有機(jī)質(zhì)類型適宜，是良好的烴源巖，具有可觀的頁(yè)巖氣資源潛力［8-9］。控制有機(jī)質(zhì)富集的3個(gè)主要因素包括初級(jí)生產(chǎn)力、古氧化還原條件以及沉積速率，這3個(gè)因素均受氣候與環(huán)境的影響。多種地質(zhì)事件控制著頁(yè)巖的沉積環(huán)境，導(dǎo)致不同環(huán)境下發(fā)育的頁(yè)巖的有機(jī)質(zhì)含量、含氣量等儲(chǔ)層性質(zhì)存在顯著差異。因此筆者依據(jù)前人研究成果，力圖從地質(zhì)事件的影響角度出發(fā)，討論奧陶紀(jì)—志留紀(jì)轉(zhuǎn)折期的多地質(zhì)事件的耦合關(guān)系、地質(zhì)事件的環(huán)境響應(yīng)以及對(duì)富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖發(fā)育的影響，不僅可以為奧陶紀(jì)—志留紀(jì)轉(zhuǎn)折期的氣候變化以及地質(zhì)事件的耦合關(guān)系提供重要認(rèn)識(shí)，也對(duì)此時(shí)期有機(jī)質(zhì)的富集和頁(yè)巖沉積作用加深理解，為油氣勘探的有利層段預(yù)測(cè)提供理論依據(jù)。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

在奧陶紀(jì)—志留紀(jì)轉(zhuǎn)折期，由東南的華夏地塊和東北的揚(yáng)子地塊組成的華南板塊位于岡瓦納大陸邊緣的古赤道附近［10］（圖1（a））。揚(yáng)子地塊被廣闊的陸緣海—揚(yáng)子海覆蓋，被華夏大陸、顛黔隆起和成都隆起圍限形成一個(gè)局限海盆（圖1（b）），揚(yáng)子海被九江海峽分為兩部分：西部的上揚(yáng)子海以及東部的下?lián)P子海［11］。震旦紀(jì)—志留紀(jì)，受加里東運(yùn)動(dòng)影響，揚(yáng)子地區(qū)經(jīng)歷寒武紀(jì)末的郁南運(yùn)動(dòng)、奧陶紀(jì)末的都勻運(yùn)動(dòng)和志留紀(jì)末的廣西運(yùn)動(dòng)3次成盆階段，形成裂谷盆地—裂陷盆地、坳陷盆地的成盆演化階段（圖1（c））。從晚奧陶世到早志留世，加里東運(yùn)動(dòng)達(dá)到最高強(qiáng)度，華南地塊經(jīng)歷強(qiáng)烈的造山活動(dòng)，從被動(dòng)邊緣盆地演變?yōu)閾P(yáng)子地塊東南邊緣的前陸盆地［12］。

受海侵以及構(gòu)造活動(dòng)的影響，奧陶紀(jì)—志留紀(jì)轉(zhuǎn)折期沉積五峰組—龍馬溪組富有機(jī)質(zhì)黑色頁(yè)巖。上奧陶統(tǒng)五峰組主要由黑色硅質(zhì)頁(yè)巖組成，并含有豐富的筆石、放射蟲和海綿骨針等化石。晚奧陶世，觀音橋段主要沉積介殼灰?guī)r，被認(rèn)為是冰期海平面短暫下降的結(jié)果［13］。在志留紀(jì)早期，海平面快速上升，導(dǎo)致龍馬溪組主要沉積黑色硅質(zhì)頁(yè)巖、灰色泥質(zhì)粉砂巖以及灰色黏土質(zhì)泥巖。

2 地質(zhì)事件及耦合關(guān)系

2.1 火山事件

在奧陶紀(jì)—志留紀(jì)轉(zhuǎn)折期，全球范圍內(nèi)都發(fā)生強(qiáng)烈的火山活動(dòng)。在揚(yáng)子地區(qū)的火山活動(dòng)由斑脫巖記錄下來(lái)。斑脫巖在巖心中呈淺灰色—深灰色，部分與黃鐵礦伴生，有時(shí)也呈淺黃色，厚度大多數(shù)在0.5～2 cm，其含大量黏土礦物，硬度較低，手感細(xì)膩而光滑。光學(xué)顯微鏡以及電鏡下觀察到其由黏土礦物、黃鐵礦、棱角狀石英、橢球狀長(zhǎng)石晶屑、水白云母、黑云母晶屑等組成。對(duì)斑脫巖的分布與厚度分析發(fā)現(xiàn)，其層數(shù)與厚度在垂向上具明顯的分段性（圖2），集中分布在凱迪階中上部和魯?shù)るA下部，主要分為兩個(gè)階段，多數(shù)學(xué)者認(rèn)為第一階段開始的范圍在449.3～447.62 Ma，第二階段開始的范圍在443.83～430.7 Ma［16］。

Yang等［2］根據(jù)斑脫巖的微量元素特征以及構(gòu)造環(huán)境判別圖解指示，其源巖主要為中酸性火山巖，其分布在粗面巖到流紋英安巖范圍內(nèi)，并有少量流紋巖和安山巖（圖2（a）），其產(chǎn)出的主要構(gòu)造背景為板內(nèi)花崗巖（圖2（b））。w（Eu）/w（Eu*）和Hf含量的比值表明，火山灰中的鋯石經(jīng)歷不同程度的巖漿演化（圖2（c）），母巖漿經(jīng)歷2個(gè)階段的明顯分異和結(jié)晶溫度，早期階段，五峰組的樣品形成于洋殼，來(lái)自于分異程度較弱的巖漿，結(jié)晶溫度較高；晚期階段，龍馬溪組的樣品形成于陸殼，來(lái)自分異程度較高的巖漿，結(jié)晶溫度較低［2］。w（Eu）/w（Eu*）與w（Th）/w（U）呈正相關(guān)（圖2（d）），這表明地殼熔體的貢獻(xiàn)大于幔源熔體，因?yàn)閹r漿演化的過(guò)程中發(fā)生斜長(zhǎng)石和含Th礦物的分餾［2］。關(guān)于火山灰的來(lái)源，一種觀點(diǎn)認(rèn)為這些火山灰來(lái)源于南面，可能與華夏地塊與揚(yáng)子地塊之間的匯聚相關(guān)（圖1（b））［17］，華夏地塊中存在大量同生火成巖，包括長(zhǎng)英質(zhì)和鎂鐵質(zhì)巖石，這與火山灰的母巖漿一致，且下?lián)P子地區(qū)的火山灰層比中—上揚(yáng)子地區(qū)同期的火山灰層多，因此相關(guān)的火山口可能更靠近下?lián)P子地區(qū)［2］。另一種觀點(diǎn)認(rèn)為火山灰起源于秦嶺造山帶，揚(yáng)子地臺(tái)北面的北秦嶺地區(qū)廣泛發(fā)育早古生代的島弧巖漿活動(dòng)［17］（圖1（b））。

2.2 赫南特冰期事件

發(fā)生在晚奧陶世赫南特期的冰川事件，持續(xù)約為1 Ma，導(dǎo)致熱帶表層海水溫度下降約5 ℃［3］。期間全球海平面經(jīng)歷大范圍的波動(dòng)，在冰期開始時(shí)下降約70～100 m［14］。同時(shí)全球碳循環(huán)也經(jīng)歷強(qiáng)烈的波動(dòng)，δ13Ccarb存在顯著正漂（約+3‰～+7‰）［11］。對(duì)于碳同位素正漂原因的解釋有2種觀點(diǎn)：①碳埋藏增強(qiáng)或生產(chǎn)力增強(qiáng)所致；②是冰期海平面降低，碳酸鹽臺(tái)地增加風(fēng)化的結(jié)果［18-19］。赫南特期δ34Spyrite也發(fā)生顯著的正漂（約+10‰），有學(xué)者認(rèn)為擴(kuò)大的硫化條件增加黃鐵礦的埋藏比例，降低海洋中的硫酸鹽濃度，進(jìn)而導(dǎo)致海水和黃鐵礦中的δ34S更加富集［20］。而Jones等［19］通過(guò)模擬發(fā)現(xiàn)增加黃鐵礦的埋藏量并不能達(dá)到實(shí)際的偏移量，有機(jī)質(zhì)埋藏量的增加導(dǎo)致csSRR（細(xì)胞特異性硫酸鹽還原率）增強(qiáng)，從而進(jìn)一步導(dǎo)致εpyr（微生物分餾指數(shù)）下降才是δ34Spyrite正漂的真正原因［19］。

大氣CO2濃度的快速下降是導(dǎo)致氣候變冷的直接原因［18］。晚奧陶世，大氣CO2濃度迅速下降，從當(dāng)前大氣濃度的14～22倍下降到8倍［21］。全球構(gòu)造體系向碰撞和造山運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變，造山區(qū)域的化學(xué)侵蝕速率因地形起伏的增強(qiáng)而加快。硅酸鹽風(fēng)化導(dǎo)致大氣CO2濃度下降。有研究表明陸生維管植物的出現(xiàn)對(duì)加速硅酸鹽礦物風(fēng)化方面有重要作用［22］。Kump等［18］利用數(shù)值模擬證實(shí)風(fēng)化作用對(duì)于大氣CO2濃度的影響?；鹕阶饔靡部梢越档痛髿庵械腃O2濃度，方式主要有2種：①火山灰攜帶的大量營(yíng)養(yǎng)元素進(jìn)入海水中，使海洋浮游植物大量繁衍［23］，在光合作用的過(guò)程中，CO2被消耗并轉(zhuǎn)化為有機(jī)碳，在浮游植物死后，有機(jī)碳被固定在沉積巖中；②火山噴發(fā)時(shí)形成許多新鮮巖石，很容易被風(fēng)化，釋放出鈣離子和鎂離子，在水中與碳酸根離子結(jié)合形成碳酸鹽沉淀，將溶解在水中的CO2固定在沉積地層中［21］。相對(duì)于大氣CO2的巨大規(guī)模，火山噴發(fā)所排出的CO2體量較小，對(duì)于溫室效應(yīng)的貢獻(xiàn)有限。在赫南特早期大氣CO2分壓就已經(jīng)降低至閾值以下，出現(xiàn)全球降溫，大陸冰蓋開始形成并迅速增長(zhǎng)，同時(shí)冰川反射率正反饋加速了這一過(guò)程［18］。

2.3 上升流事件

上升流是海洋水體循環(huán)的重要過(guò)程，對(duì)氣候變化和海洋生產(chǎn)力有極大的影響。氣候變化和信風(fēng)通常是上升流的主要原因，風(fēng)和表層洋流之間的相互作用將富含營(yíng)養(yǎng)的亞溫躍層水和CO2輸送到海洋表層［5］。上升流主要發(fā)生在現(xiàn)代海洋的狹窄區(qū)域，沿低緯度或中緯度大陸的西海岸垂直于赤道，與海岸平行的表層風(fēng)通過(guò)埃克曼運(yùn)輸將水從海岸帶走，隨后下層溫度較低的、營(yíng)養(yǎng)豐富的水被補(bǔ)充到表層。在冰期，緯度溫度梯度更大，結(jié)合信風(fēng)能增強(qiáng)溫鹽環(huán)流的強(qiáng)度，產(chǎn)生更強(qiáng)烈的上升流［4］。

受持續(xù)上升流影響的地區(qū)比受短暫/季節(jié)性上升流影響的地區(qū)通常具更高的w（Cd）/w（Mo）比值、更低的w（Co）×w（Mn）和w（CoEF）×w（MnEF）值。揚(yáng)子地區(qū)從晚凱迪階開始直到早魯?shù)るAw（Co）×w（Mn）和w（CoEF）×w（MnEF）下降至上升流閾值以下，指示上升流主要發(fā)生在晚凱迪階到赫南特階［5］（圖3）。橫向上，上升流的強(qiáng)度在地理位置上具有差異，且一般在揚(yáng)子地區(qū)相對(duì)較深的水域更為強(qiáng)烈［5］。研究世界范圍內(nèi)包含奧陶紀(jì)的硅質(zhì)頁(yè)巖，發(fā)現(xiàn)上升流是晚奧陶世生物硅質(zhì)頁(yè)巖沉積的重要因素，并在晚凱迪階到赫南特階之后硅質(zhì)頁(yè)巖豐度開始下降，這與華南發(fā)育的上升流一致。

2.4 生物大滅絕事件

晚奧陶世生物大滅絕（LOME）是顯生宙“五大”生物滅絕事件中的第一次，發(fā)生在445～443 Ma。學(xué)界普遍認(rèn)為，LOME分為兩幕，第一幕發(fā)生在冰期的起始階段，全球海平面下降，隨著海水的降溫以及缺氧硫化的擴(kuò)張，大量暖水動(dòng)物群滅絕［7］；隨后冰蓋融化，海平面迅速上升，伴隨著全球變暖和海洋缺氧硫化的擴(kuò)張，引發(fā)第二幕生物滅絕［7］。LOME期間大多數(shù)造礁動(dòng)物、腕足動(dòng)物、棘皮動(dòng)物、軟體動(dòng)物、介形蟲和三葉蟲等約22%～26%的科、49%～61%的屬以及86%的物種在此次事件中遭到滅絕［6］。

由于奧陶紀(jì)—志留紀(jì)轉(zhuǎn)折期間環(huán)境發(fā)生劇變，所以LOME可能是多因素共同作用的結(jié)果。赫南特早期是冰期的最大值，其持續(xù)時(shí)間僅為0.2 Ma，因此有學(xué)者認(rèn)為赫南特冰期的突發(fā)性以及嚴(yán)重性是LOME的重要機(jī)制［11］。但冰川作用所引起的溫度下降幅度能否引發(fā)生物滅絕事件是一個(gè)值得探討的問(wèn)題，在赫南特冰期熱帶地區(qū)，表層海水溫度下降約5 ℃［3］，這與更新世冰期熱帶表層海水溫度變化相當(dāng)，然而更新世冰期并沒(méi)有造成大規(guī)模的生物滅絕［20］。也有學(xué)者認(rèn)為，硫化缺氧環(huán)境的擴(kuò)張可能才是晚奧陶世生物滅絕的主要滅絕機(jī)制［20］。在滅絕第一幕，硫化缺氧環(huán)境在海洋混合層以下擴(kuò)張，加上海平面快速下降，使得中上層的物種的棲息地嚴(yán)重喪失并且增大物種之間的競(jìng)爭(zhēng)，當(dāng)超過(guò)其生態(tài)的承載能力時(shí)就可能導(dǎo)致物種滅絕（圖4）。在冰期結(jié)束后全球快速變暖岡瓦納冰蓋融化，導(dǎo)致海洋化學(xué)梯度的快速上升和增強(qiáng)，這意味著缺氧硫化環(huán)境的擴(kuò)張也是生物滅絕第二幕的重要機(jī)制［24-25］?；鹕絿姲l(fā)會(huì)向海水輸入大量的汞、砷等有毒重金屬元素，是導(dǎo)致LOME的重要因素之一（圖5）［26］。也有學(xué)者認(rèn)為強(qiáng)烈的火山活動(dòng)將大量CO2釋放到大氣中，約30%的CO2可被海洋吸收造成海洋酸化［6］，這可以解釋鈣化海洋生物的滅絕和生態(tài)系統(tǒng)的失衡［16］。

2.5 耦合關(guān)系

地質(zhì)事件并非相互孤立，而是相互作用、相互影響，有著復(fù)雜的耦合關(guān)系（圖5）。

（1）構(gòu)造運(yùn)動(dòng)和冰期：中晚奧陶世強(qiáng)烈的造山運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)大陸硅酸鹽的風(fēng)化作用，導(dǎo)致大氣CO2濃度下降［18］。

（2）火山事件和冰期：一方面火山活動(dòng)向海洋輸入豐富的鐵、磷、氮等營(yíng)養(yǎng)元素，增加初級(jí)生產(chǎn)力，從而增加有機(jī)碳的埋藏［23］；另一方面火山灰風(fēng)化后釋放出豐富的鈣鎂離子，碳酸根離子結(jié)合后形成碳酸鹽沉積物，進(jìn)一步降低大氣CO2的濃度，當(dāng)大氣CO2濃度降低到閾值以下時(shí)便引發(fā)冰期［21］。同時(shí)火山噴發(fā)出的SO2和H2S在平流層形成硫酸鹽氣溶膠，增加反射率，導(dǎo)致地表降溫［1］。同時(shí)冰期在岡瓦納大陸形成大面積的冰蓋，增強(qiáng)的反射率是冰期的良好正反饋［18］。

（3）冰期和上升流：冰期表層海水溫度的下降增大緯度溫度梯度，促進(jìn)上升流的形成。上升流將深水的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)輸送到表層，增強(qiáng)初級(jí)生產(chǎn)力，從而增加有機(jī)碳的埋藏，降低大氣CO2的濃度。

（4）冰期和生物滅絕：冰期海水迅速降溫，因此認(rèn)為赫南特冰期的突發(fā)性以及嚴(yán)重性是LOME-1的重要機(jī)制［11］，同時(shí)迅速下降的海平面增加DIP的濃度，使生產(chǎn)力得到增強(qiáng)，有機(jī)質(zhì)的增加導(dǎo)致耗氧量的提升，從而導(dǎo)致缺氧硫化環(huán)境的擴(kuò)張，這也是引發(fā)LOME-1的機(jī)制之一［20］。冰期結(jié)束海平面上升導(dǎo)致的海洋缺氧硫化擴(kuò)張，是引發(fā)LOME-2的機(jī)制［25］。

（5）火山事件和生物滅絕：火山噴發(fā)時(shí)向海洋輸入的汞和砷等有毒重金屬是引發(fā)生物大滅絕的另一重要機(jī)制［26］。

3 地質(zhì)事件的環(huán)境響應(yīng)

3.1 古氣候

化學(xué)蝕變指數(shù)CIA值已經(jīng)被廣泛的作為化學(xué)風(fēng)化強(qiáng)度以及指示氣候的指標(biāo)，上揚(yáng)子地區(qū)，奧陶紀(jì)—志留紀(jì)轉(zhuǎn)折期細(xì)粒沉積物CIA值大多在70～75，指示當(dāng)時(shí)氣候較為溫暖濕潤(rùn)；而赫南特階沉積物的CIA值大多在60～70，表明當(dāng)時(shí)處于寒冷干旱的氣候［28］（圖6）。氣候的頻繁變化主要受大氣CO2濃度的控制（見2.2中的描述）。火山噴發(fā)的火山灰會(huì)遮擋部分陽(yáng)光，可能會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的局部效應(yīng)，但由于固體成分沉降速度較快，因此這種效應(yīng)是短暫的?；鹕絿姲l(fā)的SO2或H2S被氧化為SO2-4，在對(duì)流層SO2-4被降雨迅速移除，但在平流層中，硫酸鹽氣溶膠的半衰期可能大于1 a，硫酸鹽氣溶膠吸收太陽(yáng)輻射，從而增加太陽(yáng)輻射反射率，導(dǎo)致平流層升溫以及地表降溫［1］。1991年皮納圖博火山噴發(fā)向平流層注入2 000萬(wàn)t SO2，導(dǎo)致全球氣溫在3 a內(nèi)連續(xù)下降0.5 ℃［6］。

3.2 海平面變化

Li等［28］通過(guò)高分辨率地球化學(xué)數(shù)據(jù)以及沉積證據(jù)揭示早凱迪階到晚魯?shù)るA的多個(gè)海平面旋回（圖6）。第一次海平面旋回在凱迪階—赫南特階邊界，陸源碎屑指標(biāo)w（Zr）/w（Al）以及w（Al）+w（K）+w（Ti）的值增加，CIA值同期下降表明，冰川作用導(dǎo)致硅酸鹽風(fēng)化強(qiáng)度降低，解釋冰蓋擴(kuò)張導(dǎo)致海平面下降的開始。隨后的海侵可能是由于高緯度大陸上的冰蓋消退，從而導(dǎo)致海平面上升，w（Zr）/w（Al）以及w（Al）+w（K）+w（Ti）的值也從峰值回落。第二次海平面旋回開始于赫南特中期，海平面下降期間碎屑輸入增加，w（Zr）/w（Al）以及w（Al）+w（K）+w（Ti）的值也相應(yīng)增加。隨后CIA值出現(xiàn)峰值，海平面也在短時(shí)間內(nèi)上升，表明存在間冰期。最后一次海平面旋回開始于觀音橋地層內(nèi)M.persculptus帶底界面附近，沉積層中密集的貝殼碎片與分選較差的顆?？赡苁怯捎诤Ｆ矫嫦陆灯陂g的風(fēng)暴事件造成，海退最低點(diǎn)代表最后一次冰川作用的最大值，與溫度和硅酸鹽風(fēng)化的轉(zhuǎn)折點(diǎn)在時(shí)間上一致［3，18，28］。

3.3 海洋水體性質(zhì)

Hammarlund等［20］的模型顯示，海平面下降100 m可導(dǎo)致海洋溶解性無(wú)機(jī)磷酸鹽（DIP）濃度增加50%以上，因此更多的磷可增加海洋初級(jí)生產(chǎn)力，有機(jī)質(zhì)的增加導(dǎo)致氧氣消耗量的增加，從而導(dǎo)致缺氧環(huán)境的擴(kuò)張?；鹕交顒?dòng)向海洋輸入大量火山灰，所促進(jìn)的浮游植物的大量繁殖會(huì)消耗水中過(guò)多的溶解氧［16］，并且大量沉積到海底的火山灰會(huì)通過(guò)耦合電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)氧化與硅酸鹽結(jié)合的FeⅡ，快速吸收溶解氧［29］，造成缺氧條件。Liu等［30］對(duì)大田壩、雙河以及王家灣地區(qū)的研究發(fā)現(xiàn)，大田壩以硫化環(huán)境為主，雙河大部分以鐵化環(huán)境為主，有短暫的硫化環(huán)境，王家灣則以鐵化環(huán)境為主（圖7）。最明顯的差異在赫南特早期至中期的冰川低海平面期，王家灣地區(qū)屬于氧化環(huán)境，而大田壩和雙河地區(qū)屬于缺氧環(huán)境。這表明在奧陶紀(jì)—志留紀(jì)轉(zhuǎn)折期間，海洋環(huán)境具很強(qiáng)的空間差異性，這可能與古地理的控制有關(guān)［30］。除此之外，上升流對(duì)海洋元素的循環(huán)具有重要影響，如Si、C、N、P和Fe的循環(huán)［4］。一般來(lái)說(shuō)，Si在海水中是不飽和的，大部分Si的沉積可能發(fā)生在大陸邊緣、上升流區(qū)或由于大陸物源不足而限制Fe濃度的開闊海域。Fe/Si值與上升流指數(shù)較強(qiáng)的相關(guān)性表明揚(yáng)子地區(qū)局部的缺鐵環(huán)境可能是上升流活動(dòng)和間歇性火山活動(dòng)造成［5］（圖3）。

4 地質(zhì)事件與富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖發(fā)育

4.1 有機(jī)質(zhì)富集

4.1.1 對(duì)生產(chǎn)力的影響

Cu與Ni常常與有機(jī)物一起保存在沉積物中，是良好的古生產(chǎn)力指標(biāo)［31］。Wu等［32］研究發(fā)現(xiàn)，火山作用越強(qiáng)，非碎屑Cu和Ni的質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高，指示古生產(chǎn)力越高。研究證實(shí)火山灰是表層海水的營(yíng)養(yǎng)元素的重要來(lái)源，當(dāng)火山灰落入海水中時(shí)，釋放出大量的微量營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，有利于浮游植物的大量繁殖［23］。隨后以浮游植物為食的放射蟲也開始繁衍，在短時(shí)間內(nèi)積累大量有機(jī)質(zhì)。但并不明確的是火山活動(dòng)對(duì)初級(jí)生產(chǎn)力是否有長(zhǎng)期的影響［13］。現(xiàn)代的火山環(huán)境記錄表明，火山灰沉降區(qū)引發(fā)大規(guī)模的浮游植物繁殖，一般只能持續(xù)數(shù)周到數(shù)月，這與百萬(wàn)年的地質(zhì)時(shí)間尺度相比差別較大。也有研究表明，當(dāng)火山灰落入海水中時(shí)，大量的鐵離子在短時(shí)間內(nèi)被釋放到海水中并形成鐵絡(luò)合物，這些絡(luò)合物可以吸附磷［33］，海水中磷濃度的下降可能會(huì)抑制浮游生物的生長(zhǎng)［21］。海洋酸化、釋放有毒物質(zhì)并破壞海洋環(huán)境，也會(huì)進(jìn)一步導(dǎo)致海洋浮游生物以及底棲生物快速死亡。因此火山活動(dòng)對(duì)生產(chǎn)力的促進(jìn)或減弱目前仍沒(méi)有明確的結(jié)論。

赫南特冰期期間，海平面的迅速下降可能會(huì)導(dǎo)致DIP濃度的增加，因此更多的磷可增加初級(jí)生產(chǎn)力［20］（圖8）。冰期結(jié)束后發(fā)生大規(guī)模海侵，w（Mo）/w（TOC）比值升高，指示此時(shí)局限封閉的水體系統(tǒng)變得更加開放（圖8），溫暖且富氧的表層海水促進(jìn)海綿骨針及筆石等成烴生物的大量繁殖［32］。上升流也是提高生產(chǎn)力的重要驅(qū)動(dòng)因素，富含營(yíng)養(yǎng)的深水可在上升流的作用下被帶到表層海水，從而提高表層海水的初級(jí)生產(chǎn)力，溶解硅也由深層帶到表層，為硅質(zhì)生物繁盛提供物質(zhì)基礎(chǔ)。

4.1.2 對(duì)保存條件的影響

火山活動(dòng)、上升流以及在冰期海平面快速下降期間均能促進(jìn)生產(chǎn)力的發(fā)展，大量有機(jī)質(zhì)在沉降的過(guò)程中，降解所消耗氧氣的速率超過(guò)表層含氧水向深層水體輸送氧氣的速率，從而導(dǎo)致深層形成最小含氧帶（OMZ），促進(jìn)有機(jī)質(zhì)的保存［13，34］。且大量沉積到海底的火山灰也會(huì)快速吸收溶解氧形成缺氧硫化條件［29］，降低有機(jī)質(zhì)的分解速度，給有機(jī)質(zhì)的快速埋藏和高保存率提供保證。在赫南特階海平面處于低位時(shí)，水體富氧，不利于有機(jī)質(zhì)的保存，雖然生源Ba和P含量較高，但TOC含量較低（圖8）。而在凱迪階上部，海平面較高，MoEF值較高，底層水體缺氧，以及魯?shù)るA氣候回暖，發(fā)生大規(guī)模海侵，海平面迅速上升，導(dǎo)致底層水體轉(zhuǎn)變?yōu)槿毖鯒l件，MoEF和UEF值升高（圖8），促進(jìn)有機(jī)質(zhì)的保存［32］。

4.2 頁(yè)巖沉積作用

揚(yáng)子地區(qū)頁(yè)巖沉積作用類型多樣，包括懸浮沉積、濁流、碎屑流、風(fēng)暴流和重力滑塌。綜合地質(zhì)事件、沉積環(huán)境演化、巖相及沉積作用類型，建立奧陶紀(jì)—志留紀(jì)轉(zhuǎn)折期間的沉積模式（圖9）。在五峰組沉積期間，上揚(yáng)子海是一個(gè)半局限盆地，受古地塊以及古隆起限制，與秦嶺洋隔絕。沉積水體較為安靜、局限且缺氧，陸源輸入影響較少，因此有利于有機(jī)質(zhì)的保存［16］。在上升流的作用下海水中的放射蟲、海綿等生物比較繁盛，主要是在懸浮沉積的作用下發(fā)育富有機(jī)質(zhì)的生物硅質(zhì)頁(yè)巖以及黏土質(zhì)頁(yè)巖，生物硅質(zhì)頁(yè)巖鏡下可見放射蟲化石豐富（圖10（a）），硅質(zhì)主要是微晶自生石英，其主要來(lái)源于硅質(zhì)生物碎屑的部分溶解［5，35］。黏土質(zhì)頁(yè)巖巖心黑色—灰黑色（圖10（b）），部分鏡下可見黏土透鏡體（圖10（c））。懸浮沉積是五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖主要的沉積過(guò)程，其沉積時(shí)水體較深，水動(dòng)力條件較弱，沉積速率較慢，粗碎屑顆粒較少（圖10（c））。

隨后赫南特冰期全球氣溫顯著下降，風(fēng)化速度明顯降低，岡瓦納大陸形成大量冰蓋，全球海平面快速下降，氣候變得寒冷干旱［11］。發(fā)育少量風(fēng)暴流沉積，常具底沖刷面結(jié)構(gòu)，夾有疑似生物逃逸的粉砂夾層（圖10（d）），可見丘狀交錯(cuò)層理、平行層理以及水平層理等層理構(gòu)造，指示其為風(fēng)暴成因。

冰期結(jié)束后，全球海平面快速上升，生物也在富氧表層水體大量復(fù)蘇［32］。低頻的火山活動(dòng)以及缺氧的水體為有機(jī)質(zhì)提供有利的保存條件，主要沉積生物硅質(zhì)頁(yè)巖。隨后盆地周緣古陸進(jìn)一步抬升，陸源物質(zhì)的供給速率加快，可見濁流、重力滑塌以及碎屑流沉積。黑色頁(yè)巖中可見粉砂巖夾層，往往與頁(yè)巖有明顯的突變接觸，具槽模構(gòu)造和正粒序結(jié)構(gòu)（圖10（e）），底部發(fā)育的波狀層理和水平層理，到頂部發(fā)育的塊狀層理，這一沉積序列符合鮑瑪序列的C、D、E段，為濁流沉積。碎屑流沉積巖相之間突變接觸，可見高角度的侵蝕面及懸浮的泥巖撕裂屑（圖10（f））。重力滑塌一般是水下發(fā)生滑坡，沉積層內(nèi)發(fā)生變形、揉皺、巖性混雜（圖10（g）），由于水體變淺以及陸源碎屑輸入使得粉砂質(zhì)含量增多。底流作用的增強(qiáng)以及大量陸源物質(zhì)稀釋有機(jī)質(zhì)，再加上此時(shí)沉積環(huán)境演變?yōu)槿跹趸趸癁橹鳎?2］，不利于有機(jī)質(zhì)的保存，沉積貧有機(jī)質(zhì)的粉砂質(zhì)頁(yè)巖。粉砂質(zhì)頁(yè)巖發(fā)育平行層理、透鏡狀層理（圖10（h）），粉砂質(zhì)含量較高，可見粉砂質(zhì)與泥質(zhì)紋層相間（圖10（i））。

5 結(jié) 論

（1）奧陶紀(jì)—志留紀(jì)轉(zhuǎn)折期發(fā)生包括火山活動(dòng)、赫南特冰期、上升流事件以及生物大滅絕等多個(gè)地質(zhì)事件，有著復(fù)雜的耦合關(guān)系。構(gòu)造運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)的大陸硅酸鹽風(fēng)化作用和火山活動(dòng)促進(jìn)海洋初級(jí)生產(chǎn)力增加有機(jī)碳的埋藏都導(dǎo)致大氣CO2濃度的下降，當(dāng)大氣CO2濃度到達(dá)閾值便引發(fā)赫南特冰期事件?；鹕絿姲l(fā)的硫所形成的硫酸鹽氣溶膠與冰川作用形成的冰蓋增強(qiáng)反射率，促進(jìn)冰川作用的發(fā)展。冰川作用增大緯度溫度梯度，促進(jìn)上升流的形成。冰期導(dǎo)致的海水降溫、水體缺氧環(huán)境的擴(kuò)張以及火山噴發(fā)輸入的大量有毒重金屬是生物大滅絕事件的主要機(jī)制。

（2）晚奧陶世—早志留世有機(jī)質(zhì)的富集很大程度上受地質(zhì)事件的影響?；鹕交顒?dòng)輸入的火山灰以及上升流給海洋表層帶來(lái)大量營(yíng)養(yǎng)元素，增強(qiáng)海洋初級(jí)生產(chǎn)力的繁榮，促進(jìn)有機(jī)質(zhì)的生產(chǎn)。火山灰快速吸收溶解氧、冰川作用控制的海平面升降以及有機(jī)質(zhì)分解對(duì)于溶解氧的消耗都會(huì)造成海洋缺氧環(huán)境的擴(kuò)張，從而有利于有機(jī)質(zhì)的保存。

（3）五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖主要是在低能條件下懸浮沉積，在五峰組受上升流影響，主要發(fā)育生物硅質(zhì)頁(yè)巖以及富有機(jī)質(zhì)的黏土質(zhì)頁(yè)巖；頂部由于水體變淺，沉積介殼灰?guī)r以及泥質(zhì)灰?guī)r，發(fā)育少量風(fēng)暴流沉積；龍馬溪組下部海侵主要沉積生物硅質(zhì)頁(yè)巖；上部由于構(gòu)造運(yùn)動(dòng)以及陸源輸入的增加，沉積貧有機(jī)質(zhì)的粉砂質(zhì)頁(yè)巖，發(fā)育重力滑塌、碎屑流以及濁流。

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