華南埃迪卡拉紀(jì)陡山沱組物源風(fēng)化對(duì)全球性成磷事件的啟示

陸 卓，朱煜翔，陶 璐，殷 科，劉振東

(1. 滇西應(yīng)用技術(shù)大學(xué) 珠寶學(xué)院，云南 騰沖 679100； 2. 中國地質(zhì)大學(xué)(武漢) 地球科學(xué)學(xué)院，湖北 武漢 430074)

埃迪卡拉紀(jì)(約635～542 Ma)是地球演化歷史上最為關(guān)鍵的轉(zhuǎn)折期之一，地表各圈層在此期間發(fā)生了一系列重大的地質(zhì)和生物演化事件，如岡瓦納超大陸的聚合與大型后生動(dòng)物的輻射(Hoffman，1998； Lentonetal.，2014)，地球-生命系統(tǒng)由以單細(xì)胞微生物為主體而構(gòu)成的較為低等而簡單的隱生宙系統(tǒng)，轉(zhuǎn)變?yōu)橐院牦w多細(xì)胞動(dòng)植物作為主體的高等而復(fù)雜的顯生宙系統(tǒng)(Xiao and Laflamme，2009； Xiaoetal.，2016)，并且全球各大板塊在該時(shí)期的地層中均出現(xiàn)了大規(guī)模磷礦沉積(Pufahl and Hiatt，2012)，尤其在我國華南貴州、湖北兩省，磷礦產(chǎn)量巨大、品質(zhì)良好，具有重大工業(yè)價(jià)值。

磷是所有生命體必需的營養(yǎng)元素之一，也是動(dòng)物骨骼及早期海洋生物外殼的主要成分。顯生宙以來的磷酸鹽沉積模型認(rèn)為，富磷沉積多出現(xiàn)于副熱帶高氣壓帶的大陸西海岸上升流發(fā)育的斜坡環(huán)境中，如加利福尼亞海岸帶(Jahnkeetal.，1983)和秘魯-智利海岸帶(Veehetal.，1973)等，由上升流所帶來的含磷有機(jī)質(zhì)被認(rèn)為是該地區(qū)磷的主要來源(Baturin，1989)。然而，埃迪卡拉紀(jì)的磷沉積分布特征與顯生宙相比具有明顯差異，富磷沉積的出現(xiàn)并不僅僅局限于上升流發(fā)育的大陸斜坡環(huán)境，而是在該時(shí)期沉積的各種沉積相中均有記錄(黃永建等，2005； Drummondetal.，2015；lvaroetal.，2016)。此外，前寒武紀(jì)缺氧分層的海洋化學(xué)結(jié)構(gòu)與顯生宙整體氧化的海洋化學(xué)環(huán)境也有較大差異(Lietal.，2010； Sahooetal.，2016)，故顯生宙以來的磷酸鹽富集沉積模型并不適用于解釋發(fā)生于埃迪卡拉紀(jì)-寒武紀(jì)之交的全球大規(guī)模成磷事件(黃永建等，2005)。近20年以來，國內(nèi)外學(xué)者在我國華南地區(qū)埃迪卡拉紀(jì)磷礦床沉積模式方面開展了大量工作，但絕大多數(shù)工作僅針對(duì)于研究磷礦床的沉積模式、勘探與開發(fā)，對(duì)年代久遠(yuǎn)的新元古代-寒武紀(jì)成磷事件的研究，則需要從風(fēng)化-輸入-轉(zhuǎn)化-埋藏等多個(gè)環(huán)節(jié)對(duì)古海洋磷循環(huán)進(jìn)行深入研究，尤其是對(duì)磷的來源與陸地風(fēng)化作用之間的關(guān)系需要更多的數(shù)據(jù)支撐。

我國華南地區(qū)埃迪卡拉紀(jì)陡山沱組(約635～551 Ma)地層記錄了舉世聞名的大型-超大型海相磷塊巖礦床，它們主要分布在鄂西和黔中的兩個(gè)聚磷盆地，這為研究全球大規(guī)模成磷事件提供了得天獨(dú)厚的地質(zhì)條件。本文選取華南地區(qū)埃迪卡拉紀(jì)不同沉積相區(qū)的鄉(xiāng)黨坪和四斗坪兩個(gè)代表性剖面，對(duì)其中關(guān)鍵沉積單元的主、微量元素含量進(jìn)行了測試，并結(jié)合現(xiàn)有的地球化學(xué)數(shù)據(jù)資料，恢復(fù)沉積盆地的物源體系及其風(fēng)化作用過程，以反演不同巖石類型的風(fēng)化對(duì)磷的輸送作用，總結(jié)陸源碎屑輸入在時(shí)間-空間上的二維演化規(guī)律，探索陸地風(fēng)化對(duì)古海洋磷循環(huán)過程的影響，最后結(jié)合埃迪卡拉紀(jì)古海洋化學(xué)與古生物學(xué)特征，試圖重建新元古代-寒武紀(jì)大規(guī)模磷塊巖沉積事件的地球化學(xué)模式。

圖 1 華南埃迪卡拉紀(jì)陡山沱組巖相古地理圖及研究剖面位置[據(jù)Jiang等(2011)修改]

1 地質(zhì)背景與研究剖面

埃迪卡拉紀(jì)陡山沱組沉積期內(nèi)的上揚(yáng)子地區(qū)位于華南板塊的被動(dòng)大陸邊緣，由成冰紀(jì)的裂谷盆地演化而來(Zhuetal.，2007； Lietal.，2008)。自北西向南東，揚(yáng)子地臺(tái)的水深依次加深，陸架內(nèi)沉積與開闊海洋沉積被發(fā)育于臺(tái)地邊緣的碳酸鹽巖高地分隔(Jiangetal.，2003； Lietal.，2008； Jiangetal.，2011； Zhangetal.，2015)(圖 1)。陡山沱組上覆于南沱組，下伏于燈影組/留茶坡組，巖層組成主要包括代表浪基面以下沉積的黑色頁巖、代表淺水沉積的碳酸鹽巖和磷塊巖以及代表深水沉積的硅質(zhì)巖。已有的LA-ICP-MS鋯石U-Pb同位素年齡顯示，揚(yáng)子地臺(tái)陡山沱組自底部蓋帽白云巖到頂部含廟河生物群的黑色頁巖之間共歷時(shí)約80 Ma(635.2±0.6～551±0.7 Ma)，占埃迪卡拉紀(jì)時(shí)間跨度的絕大部分(Condonetal.，2005)。多種地球化學(xué)證據(jù)表明，在陡山沱組沉積期間，地球表層系統(tǒng)發(fā)生了劇烈變動(dòng)，同時(shí)多細(xì)胞真核藻類和后生動(dòng)物迅速興起，大量化石在南華盆地內(nèi)被發(fā)現(xiàn)(Xiao and Laflamme, 2009; Xiaoetal.，2016)。在鄂西盆地，磷塊巖沉積和磷礦層主要分布在陡山沱組第2段，其沉積類型主要為致密的塊狀泥晶質(zhì)磷塊巖以及與白云巖條帶相互層的磷質(zhì)條帶，沉積晚期形成中厚層狀、透鏡狀或結(jié)核狀泥晶質(zhì)磷塊巖，具有層紋狀構(gòu)造、團(tuán)粒狀結(jié)構(gòu),團(tuán)粒為被黏土質(zhì)和白云質(zhì)組分基質(zhì)基底式膠結(jié)的膠磷礦，偶見生物球粒(黃永建等，2005)。

本文研究剖面為我國湖北三峽地區(qū)的鄉(xiāng)黨坪(原稱九龍灣)剖面(Zhuetal.，2007； Mcfaddenetal.，2008； Jiangetal.，2011； Lietal.，2017)和湖南張家界地區(qū)的四斗坪剖面(Zhuetal.，2007； Wangetal.，2016； Lietal.，2017)(圖2)。兩個(gè)剖面的沉積序列整體相似，頂?shù)捉缇€明顯，對(duì)比良好(Lietal.，2017)。屬于陸架盆地沉積相的鄉(xiāng)黨坪剖面位于湖北省秭歸縣鄉(xiāng)黨坪村東北200 m處，剖面坐標(biāo)為30°48′01″N，110°59′38″E，剖面中陡山沱組巖層總厚度約154 m，自下而上可分為4個(gè)巖性段： ① 約5 m厚的蓋帽碳酸巖鹽，發(fā)育有帳篷構(gòu)造、平底晶洞構(gòu)造和鈣化扇狀重晶石，往往被解釋為甲烷逃逸所致(Jiangetal.，2003); ② 約75 m厚的粉砂質(zhì)白云巖夾黑色泥頁巖，富含磷質(zhì)條帶或磷礦層，發(fā)育水平層理； ③ 約60 m厚的厚層狀白云巖和灰?guī)r夾燧石層和燧石結(jié)核； ④ 約14 m厚的黑色頁巖夾碳酸鹽巖透鏡體，含磷灰石(圖 2)(Zhuetal.，2007； Mcfaddenetal.，2008)。屬于上斜坡沉積相的四斗坪剖面位于湖南省張家界市西北部，剖面坐標(biāo)為28°54′56″N，110°26′54″E，剖面中陡山沱組巖層總厚度約167 m，自下而上的4個(gè)巖性段分別為：① 約6 m厚的蓋帽碳酸鹽巖，上覆于南沱組冰磧巖，發(fā)育有帳篷構(gòu)造、平底晶洞構(gòu)造和鈣化扇狀重晶； ② 約62 m厚的粉砂質(zhì)白云巖夾磷質(zhì)條帶； ③ 約75 m厚的厚層狀白云巖和灰?guī)r夾燧石層和燧石結(jié)核； ④ 約25 m厚的黑色頁巖和硅質(zhì)頁巖(Wangetal.，2016； Lietal.，2017)(圖 2)。

碳酸鹽無機(jī)碳同位素(δ13Ccarb)記錄了海洋碳庫的變化，具有全球同步變化的特征，往往是進(jìn)行地層對(duì)比的主要化學(xué)地層學(xué)依據(jù)。Mcfadden等(2008)、Wang等(2016)以及Li等(2017)分別報(bào)道了鄉(xiāng)黨坪剖面與四斗坪剖面陡山沱組的無機(jī)碳同位素?cái)?shù)據(jù)，兩者之間可以進(jìn)行良好的對(duì)比，均記錄到了3次明顯的碳同位素負(fù)異常事件(EN1～EN3)(圖 2)： ① 位于陡山沱組底部蓋帽碳酸鹽巖段的CANCE(蓋帽白云巖碳同位素負(fù)漂移)事件，相當(dāng)于Zhou和Xiao(2007)的EN1負(fù)異常； ② 位于陡山沱組中部第2段和第3段界線處的WANCE(甕安生物群碳酸鹽碳同位素負(fù)漂移)事件，相當(dāng)于Gaskiers區(qū)域性冰期及Zhou和Xiao(2007)的EN2負(fù)異常； ③ 位于陡山沱組第3段的DOUNCE(陡山沱碳同位素負(fù)漂移)事件，相當(dāng)于Shuram Excursion/EN3負(fù)漂移事件，也即整個(gè)地質(zhì)歷史時(shí)期負(fù)偏幅度最大、持續(xù)時(shí)間最長的碳同位素負(fù)偏事件(圖 2)。在鄉(xiāng)黨坪和四斗坪剖面的陡山沱組第2段發(fā)現(xiàn)了大量的磷質(zhì)條帶和磷質(zhì)結(jié)核，相當(dāng)于貴州-鄂西磷礦區(qū)的下磷礦層，在碳同位素地層序列上介于EN1和EN2之間； 但在EN2和EN3之間并沒有與貴州-鄂西磷礦區(qū)的上磷礦層相對(duì)應(yīng)的富磷沉積(Zhangetal., 2019)。

圖 2 研究剖面綜合柱狀圖及地層對(duì)比[碳同位素?cái)?shù)據(jù)引自Mcfadden等(2008)、Wang等(2016)、Li等(2017)]

2 樣品處理、實(shí)驗(yàn)方法及數(shù)據(jù)處理

鄉(xiāng)黨坪剖面與四斗坪剖面陡山沱組的樣品巖性主要為白云質(zhì)泥巖和頁巖，野外采樣間距基本為2～5 m/個(gè)，部分樣品的采樣間距會(huì)根據(jù)野外露頭情況進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。本研究共挑選了77件樣品進(jìn)行全巖主量元素和微量元素測試。測試前先將樣品切割成大約1 cm3的小塊，去除風(fēng)化表層及后生巖脈保留新鮮部分粉碎至200目。根據(jù)GB/T14506. 28-93《硅酸鹽巖石化學(xué)分析方法X射線熒光光譜法測定主、次元素》標(biāo)準(zhǔn)，使用飛利浦PW2404型X射線熒光光譜儀進(jìn)行主量元素分析，稱取2 g粉末樣品并加入Li2B4O7-LiBO2助熔劑，經(jīng)充分混合后放置于自動(dòng)熔煉儀中，在1 000℃環(huán)境下熔融； 之后將熔融物倒出并壓扁制成玻璃片，使用光譜儀進(jìn)行分析，測試結(jié)果以%為單位，標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)為GBW07104，標(biāo)準(zhǔn)偏差小于5%。微量元素分析使用Finnigan MAT公司的HR-ICP-MS(Element Ⅰ)型質(zhì)譜儀，測試方法根據(jù)DZ/T0223-2001《電感耦合等離子體質(zhì)譜(ICP-MS)方法通則》： 稱取50 mg粉末樣品，加入濃度為1 mol/L的鹽酸3 mL，溶解12 h至無氣泡，離心后取上清液至電熱板上經(jīng)130℃蒸至濕鹽狀，加入1 mL濃硝酸溶解，再蒸至濕鹽狀以去除殘余的鹽酸； 最后加入0.5 mL濃硝酸溶解，最后轉(zhuǎn)移至10 mL離心管中并加入0.2 mL 500 ng/mL的Rh，加水定容至10 mL并上機(jī)測定。上述所有前處理過程和測試均在武漢上譜分析科技有限責(zé)任公司完成，采用線性回歸及Pearson雙變量分析方法(SPSS Statistics 26)對(duì)樣品的特征化學(xué)元素進(jìn)行相關(guān)性檢驗(yàn)。

3 分析結(jié)果與討論

華南上揚(yáng)子地區(qū)埃迪卡拉紀(jì)陡山沱組鄉(xiāng)黨坪剖面和四斗坪剖面的部分全巖主、微量元素?cái)?shù)據(jù)及參數(shù)計(jì)算結(jié)果見表1和表2。

表 1 鄉(xiāng)黨坪剖面和四斗坪剖面主、微量元素?cái)?shù)據(jù)

續(xù)表 1 Continued Table 1

表 2 華南埃迪卡拉紀(jì)陡山沱組鄉(xiāng)黨坪剖面和四斗坪剖面巖石地球化學(xué)組成

3.1 磷的來源分析

線性回歸分析結(jié)果表明，鄉(xiāng)黨坪剖面和四斗坪剖面陡山沱組全巖P2O5含量與Al2O3、Fe2O3含量之間均呈正相關(guān)關(guān)系，且相關(guān)性良好(圖 3)，其中P2O5含量與Al2O3含量之間的r2分別為0.55(圖 3a)(r=0.739，P<0.001，Pearson檢驗(yàn))和0.53(圖 3b)(r=0.725，P<0.001，Pearson檢驗(yàn))，而P2O5含量與Fe2O3含量之間的r2分別為0.67(圖 3c)(r=0.820，P<0.001，Pearson檢驗(yàn))和0.41(圖3d)(r=0.642，P<0.001，Pearson檢驗(yàn))，說明該地層中磷的主要來源是陸地鋁硅酸鹽的風(fēng)化輸入。根據(jù)對(duì)現(xiàn)代海洋研究的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，陸表河流每年帶入海洋的溶解磷為1.5×106t(其中2/3為有機(jī)磷，1/3為無機(jī)磷)，而含磷碎屑物每年帶入海洋的磷約為10×106t(黃永建等，2005)。陡山沱組沉積于南沱冰期之后，該時(shí)期的地球氣候迅速回暖，冰川融化，導(dǎo)致地表新鮮巖石暴露并遭受化學(xué)風(fēng)化，大量冰雪融水在攜帶碎屑元素Al、Si、Fe、Ca、K等元素的同時(shí)，也會(huì)攜帶溶解態(tài)磷和含硫碎屑物進(jìn)入海洋(Zhuetal.，2007)。不過海洋中磷酸鹽的沉淀需要經(jīng)過高度的富集才可實(shí)現(xiàn)，這與Fe的氧化和氫氧化物的強(qiáng)烈吸附作用息息相關(guān)(Algabrietal., 2020)。大量研究表明陡山沱組沉積期間海洋的氧化還原環(huán)境主要處于缺氧分層狀態(tài)，即表層海洋氧化，下部水體缺氧鐵化或硫化(Lietal.，2010)。這一海洋化學(xué)結(jié)構(gòu)有利于磷的富集，即進(jìn)入海洋的磷首先被鐵的氧化物和氫氧化物吸附并隨之沉積到下部水體，隨著水環(huán)境由氧化狀態(tài)過渡到還原狀態(tài)，磷在鐵被還原的過程中被重新釋放并參與再循環(huán)，這一過程將導(dǎo)致磷在氧化還原界面處高度富集至飽和。在本研究中，位于上斜坡沉積相的四斗坪剖面，其P2O5-Fe2O3相關(guān)性(r2= 0.41)明顯低于陸架盆地沉積相的鄉(xiāng)黨坪剖面(r2= 0.67)，表明隨著磷由近岸向遠(yuǎn)洋的輸送量減少，在遠(yuǎn)離陸地的深水區(qū)鐵的沉積與磷的富集逐漸脫耦，這解釋了前寒武紀(jì)磷礦多沉積于淺海區(qū)而非顯生宙的上升流發(fā)育區(qū)。在整個(gè)地質(zhì)歷史時(shí)期，冰期與間冰期的環(huán)境變遷對(duì)成磷事件有一定作用，黃永健等(2005)認(rèn)為在間冰期的溫暖條件下，海洋磷的埋藏速率會(huì)大幅度增加，這是因?yàn)榇藭r(shí)陸地風(fēng)化速率增強(qiáng)，陸源磷質(zhì)輸入明顯增多，而在冰期環(huán)境下則相反。

圖 3 鄉(xiāng)黨坪剖面和四斗坪剖面的P2O5與Al2O3、Fe2O3的線性關(guān)系

3.2 物源體系重建

在陡山沱組沉積期內(nèi)的海洋磷元素主要來源于陸地而非上升流，但對(duì)該磷源的母巖體系仍然缺乏深入研究。陸地母巖巖性體系與海洋沉積物中的碎屑成分之間存在著密切關(guān)系，不同母巖的風(fēng)化產(chǎn)物具有不同的碎屑成分和比例，因此可以根據(jù)沉積物碎屑元素的變化特征來判定物源區(qū)巖性、環(huán)境與構(gòu)造背景等(McLennan，1993)。一般而言，泥頁巖因其顯著的均質(zhì)性和沉積后的低滲透性，被普遍認(rèn)為是最適合用于地球化學(xué)物源分析的巖石(Wronkiewiczetal.，1989)，故陡山沱組頁巖是進(jìn)行地球化學(xué)物源研究的理想對(duì)象。根據(jù)金屬元素在熔融結(jié)晶過程的遷移特征，Ti應(yīng)賦存于鐵鎂質(zhì)礦物中，而Zr賦存于鋯石中，代表長英質(zhì)組分，故TiO2-Zr之間的線性關(guān)系能很好地反映物源區(qū)鎂鐵質(zhì)與長英質(zhì)組分的相對(duì)比例(Wronkiewicz and Condie，1989)。在本研究的兩個(gè)剖面陡山沱組頁巖中，TiO2含量范圍為0.20% ～3.53%，Zr含量介于0.80×10-6～222.99×10-6之間(圖4a、表1)，二者之間具有良好的相關(guān)性[四斗坪r2= 0.92(r=0.959，P<0.001，Pearson檢驗(yàn))、 鄉(xiāng)黨坪r2= 0.89(r=0.944，P<0.001，Pearson檢驗(yàn))]。根據(jù)TiO2-Zr關(guān)系圖可知，陡山沱組頁巖的物源主要以鎂鐵質(zhì)火山巖為主，部分偏向中性火山巖(Hayashietal.，1997)(圖4a)。相對(duì)于基性巖，在酸性巖中明顯富集La、Th而貧Sc、Co(Cullers，1994)，因此La/Sc和Th/Cr等微量元素比值現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于物源體系的重建(Cullers，1994，2000； Cullers and Podkovyrov，2000)。由圖4b和表2可知，鄉(xiāng)黨坪剖面的La/Sc=0.15～0.70(平均0.46)，Th/Co=0.08～2.46(平均0.50)，這與基性巖來源的細(xì)粒沉積物比值范圍(0.36～0.47，Cullers, 1994)比較吻合； 而Cr/Zr=0.28～4.08(平均1.31)，La/Th=1.72～13.98(平均3.56)，Co/Y=0.25～3.98(平均0.98)，也反映了陡山沱組物源區(qū)的主要巖性為基性巖。在Th-Hf-Co三角圖(圖5a)和La-Th-Sc三角圖(圖5b)中可以看出，相對(duì)于花崗巖和花崗閃長巖，陡山沱組物源巖性更接近于玄武巖或拉斑玄武巖。這些證據(jù)均表明陡山沱組的物源體系主要是基性巖而非酸性巖，與同時(shí)期華南神農(nóng)架地區(qū)廣泛分布的大規(guī)模鎂鐵質(zhì)侵入體相關(guān)(Lietal.，2003)。除此之外，益陽高鎂鐵質(zhì)玄武巖和碧口玄武巖也可能是揚(yáng)子地區(qū)陡山沱組沉積物的物質(zhì)來源(Wangetal.，2007)。

圖 4 華南埃迪卡拉紀(jì)陡山沱組TiO2-Zr[a，據(jù)Hayashi等(1997)修改]和Th/Co-La/Sc[b，據(jù)Cullers(1994)修改]物源判別圖

圖 5 華南埃迪卡拉紀(jì)陡山沱組Th-Hf-Co[a，據(jù)Jahn 等(1995)修改]和La-Th-Sc物源判別圖[b，據(jù)Cullers和Podkovyrov(2000)修改]

3.3 玄武巖風(fēng)化與海洋磷循環(huán)

作為最基本的地質(zhì)過程之一，陸地巖石的風(fēng)化過程是連接巖石圈、水圈、大氣圈和生物圈的橋梁，對(duì)全球環(huán)境與元素生物地球化學(xué)循環(huán)具有十分重要的調(diào)控作用(Rothman，2002； Millsetal.，2011)。在巖石地球化學(xué)風(fēng)化過程中，比較活潑的堿金屬和堿土金屬元素(Na、K、Ca、Mg等)被優(yōu)先淋濾出來，而碎屑元素(Al等)則由于化學(xué)性質(zhì)相對(duì)穩(wěn)定而主要?dú)埩粲陲L(fēng)化殼中，部分以顆粒態(tài)或膠體被搬運(yùn)至海洋中(Mclennan and Taylor，1991； Maynard，1992； Nesbitt and Wilson，1992； Ziemniaketal.，1993)。基于風(fēng)化過程中的穩(wěn)定氧化物和不穩(wěn)定氧化物，Nesbit和Young(1982)提出化學(xué)蝕變指數(shù)(CIA)這一指標(biāo)來評(píng)價(jià)物源區(qū)化學(xué)風(fēng)化程度，即長石向黏土礦物(如高嶺石)轉(zhuǎn)化的程度，具體計(jì)算公式見文獻(xiàn)(McLennan，1993)。由表1和表2可見，鄉(xiāng)黨坪剖面的CIA值分布范圍為44.93～69.74，平均值為61.27； 四斗坪剖面的CIA值分布范圍為42.72～92.27，平均值為64.25，兩個(gè)剖面的CIA值均較高，表明研究區(qū)在該時(shí)期位于亞熱帶-溫帶，主要在溫暖濕潤條件下遭受中等強(qiáng)度的化學(xué)風(fēng)化； 而Sr/Cu值較低(<5)，在鄉(xiāng)黨坪剖面介于0.02～3.28之間，平均值為0.35，在四斗坪剖面介于0.01～1.74之間，平均值為0.39，與新元古代岡瓦納超大陸時(shí)期揚(yáng)子板塊位于北緯20°～30°的亞熱帶-溫帶的特征(Lietal.，2008； Zhangetal.，2015)相一致，說明其具有溫?zé)岢睗竦臍夂驐l件，進(jìn)一步揭示了陡山沱組沉積時(shí)期溫暖潮濕的氣候條件下較為強(qiáng)烈的化學(xué)風(fēng)化作用。溫暖潮濕的氣候條件有助于火山巖的化學(xué)風(fēng)化作用，母巖中的磷等營養(yǎng)元素遭受風(fēng)化后隨河流進(jìn)入海洋，促進(jìn)了近岸海水因初級(jí)生產(chǎn)力提高而產(chǎn)生大量有機(jī)質(zhì)。由于磷的生物地球化學(xué)循環(huán)是磷富集的主要途徑，較高的海洋生產(chǎn)力將增加磷進(jìn)入沉積物中的比例，而埃迪卡拉紀(jì)缺氧分層的底部水體環(huán)境會(huì)促使沉積物中磷進(jìn)行再循環(huán)，這將大大提高無機(jī)-有機(jī)系統(tǒng)之間磷循環(huán)效率。

根據(jù)上述研究可知，陡山沱組磷元素來源為同時(shí)期廣泛分布的玄武巖遭受較為強(qiáng)烈的化學(xué)風(fēng)化作用所致。然而玄武巖相對(duì)于其他類型的火山巖風(fēng)化，對(duì)磷通量的貢獻(xiàn)尚不清楚。為了闡明地表火山巖巖性差異對(duì)陸地磷的風(fēng)化通量的影響，我們對(duì)GEOROC數(shù)據(jù)庫(http://georoc.mpch-mainz.gwdg.de/georoc/Start.asp)1 789個(gè)火山巖全巖元素含量進(jìn)行了大數(shù)據(jù)分析編譯，解析了不同火山巖類型與磷含量之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)隨著SiO2含量的升高，P2O5含量逐漸下降，其峰值位于SiO2含量45% ～50%處，整體與鎂鐵質(zhì)火山巖的組分相對(duì)應(yīng)，即磷在玄武巖中的含量高于在花崗巖等長英質(zhì)火山巖中的含量(圖6)。值得注意的是，P2O5的峰寬對(duì)應(yīng)SiO2的分布，這與玄武巖分離結(jié)晶路徑密切相關(guān)，玄武巖結(jié)晶于磷灰石過飽和之前，這使得玄武巖在分離結(jié)晶過程中將更多地溶解磷(Toplisetal.，1994)。在現(xiàn)代島弧玄武巖和大洋中脊玄武巖中也有類似的規(guī)律，而且由于火山玻璃的存在以及次生礦物析出程度較低，玄武巖較花崗巖更容易風(fēng)化。前寒武紀(jì)的初級(jí)生產(chǎn)力和有機(jī)碳埋藏速率對(duì)大陸硅酸鹽地殼風(fēng)化向海洋輸入的磷通量高度敏感。在Rodinia超大陸裂解過程中，經(jīng)常出現(xiàn)含有大量磷且易受化學(xué)風(fēng)化作用的大火山省(LIPs)，其中低緯度大陸溢流玄武巖約有3.4×106～3.7×106km3，大大加速了全球大陸風(fēng)化磷通量(Horton，2015)。假設(shè)該時(shí)期大陸化學(xué)風(fēng)化作用向海洋中釋放了溢流玄武巖中的大部分磷，則約有1×1017～4×1017mol的生物可利用磷在900～500 Ma之間進(jìn)入海洋，這大大促進(jìn)了海洋的初級(jí)生產(chǎn)力和有機(jī)碳埋藏速率。而火山噴發(fā)前富磷的LIPs巖漿可能更有效地向海洋輸送活性磷，這是由于克拉通巖石圈下的分餾結(jié)晶和交代的磷更趨向于富集在新元古代LIPs巖漿中。因此，埃迪卡拉紀(jì)期間超大陸解體和匯聚、大量含磷的基性火山作用、低緯度的大陸結(jié)構(gòu)可能使活性磷通量增加一倍以上，并在數(shù)千萬年里保持較高的通量，這可能觸發(fā)該時(shí)期海洋-大氣系統(tǒng)的氧化，并加速生物多樣化。在生物富集作用下，磷更容易富集為富磷條帶，最后為磷礦的形成提供物質(zhì)條件。

圖 6 不同類型的火山巖中磷含量的大數(shù)據(jù)解析圖

3.4 對(duì)埃迪卡拉紀(jì)生物演化的影響

新元古代Marinoan冰期結(jié)束后，低緯度地區(qū)冰川融化且導(dǎo)致地表巖石不斷暴露，導(dǎo)致以玄武巖為主的硅酸鹽巖風(fēng)化作用不斷增強(qiáng)，風(fēng)化產(chǎn)物(如磷)被搬運(yùn)到海水中。同時(shí)，解凍的海洋中大洋環(huán)流增強(qiáng)，使海洋從滯留的封閉體系向開放體系轉(zhuǎn)化，有利于海水倒轉(zhuǎn)并形成上升洋流，刺激了淺海陸架區(qū)旺盛的初級(jí)生產(chǎn)力。埃迪卡拉紀(jì)全球性大規(guī)模成磷事件與最早的大型后生動(dòng)物的出現(xiàn)耦合(Cook and Shergold，1984)。在全球范圍內(nèi)，以阿瓦隆生物群、甕安生物群及廟河生物群為代表的最早的后生動(dòng)物群落的輻射很可能與該時(shí)期大氣-海洋中升高的氧含量有關(guān)(Javauxetal.，2001； Mcfaddenetal.，2008)。氧含量的提高源于低等藻類進(jìn)行的光合作用，而磷作為重要的營養(yǎng)元素，促進(jìn)了低等藻類的繁盛，從而導(dǎo)致較高的初級(jí)生產(chǎn)力和大量的有機(jī)碳埋藏，向大氣中釋放大量的自由氧直到突破大型動(dòng)物呼吸需要的氧濃度閾值。因此，磷在新元古代地球上簡單脆弱的生態(tài)系統(tǒng)中極為重要，而本研究中埃迪卡拉紀(jì)大規(guī)模的玄武巖遭受了中等程度的化學(xué)風(fēng)化，保障了海洋磷元素的供應(yīng)，改善了早期海洋生態(tài)系統(tǒng)，進(jìn)而推動(dòng)了地球-生命系統(tǒng)的協(xié)同演化。

4 結(jié)論

本文通過對(duì)華南鄉(xiāng)黨坪剖面和四斗坪剖面埃迪卡拉紀(jì)陡山沱組的全巖主、微量元素特征的分析與探討，得出以下結(jié)論：

(1) 鄉(xiāng)黨坪剖面和四斗坪剖面陡山沱組中較低的Th/Co、La/Sc、Th/Cr等比值、TiO2-Zr相關(guān)性以及Th-Hf-Co、La-Th-Sc三角圖分布關(guān)系，表明研究區(qū)內(nèi)的陡山沱組沉積地層的物源體系主要為玄武巖； 較高的化學(xué)蝕變指數(shù)(CIA)和較低的Sr/Cu值，表明物源區(qū)以溫暖濕潤氣候?yàn)橹鳎?jīng)歷了中等程度的化學(xué)風(fēng)化作用；

(2) 鄉(xiāng)黨坪剖面和四斗坪剖面的陡山沱組全巖P2O5含量與Al2O3、Fe2O3含量之間均呈正相關(guān)關(guān)系，且相關(guān)性良好，其中P2O5含量與Al2O3含量之間的r2分別為0.55(r=0.739，P<0.001，Pearson檢驗(yàn))和0.53(r=0.725，P<0.001，Pearson檢驗(yàn))，而P2O5含量與Fe2O3含量之間的r2分別為0.67(r=0.820，P<0.001，Pearson檢驗(yàn))和0.41(r=0.642，P<0.001，Pearson檢驗(yàn))，說明該地層中磷的主要來源是陸地鋁硅酸鹽(玄武巖)的風(fēng)化輸入；

(3) 研究區(qū)埃迪卡拉紀(jì)大規(guī)模的玄武巖遭受中等程度的化學(xué)風(fēng)化，保障了海洋磷元素供應(yīng)，改善了早期海洋生態(tài)系統(tǒng)，進(jìn)而推動(dòng)了地球-生命系統(tǒng)的協(xié)同演化。