“富碳”沉積巖發(fā)育機(jī)制及其碳循環(huán)意義

特約主編

韋恒葉，男，1980年12月生，西南石油大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師，《沉積學(xué)報(bào)》青年編委。主要從事沉積學(xué)和地球化學(xué)教學(xué)與研究。目前研究主要集中在華南中二疊世古氣候古海洋與生物滅絕事件、暗色沉積巖有機(jī)質(zhì)富集機(jī)理以及層序巖相古地理等方面。

嚴(yán)德天，男，1977年12月生，中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）教授，博士生導(dǎo)師。主要從事沉積學(xué)、沉積地球化學(xué)和盆地分析等方面的教學(xué)和科研工作；目前主要研究方向?yàn)橹卮蟮刭|(zhì)事件與有機(jī)質(zhì)富集機(jī)制、細(xì)粒沉積巖沉積—成巖作用以及構(gòu)造—層序—沉積耦合關(guān)系研究等。

陳代釗，男，1963年4月生，中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所研究員（兼中國科學(xué)院大學(xué)崗位教授），博士生導(dǎo)師。主要從事沉積學(xué)（特別是海相碳酸鹽巖、細(xì)粒碎屑巖以及硅質(zhì)巖沉積學(xué)）和沉積地球化學(xué)的基礎(chǔ)理論和應(yīng)用研究；對南方泥盆系碳酸鹽巖沉積學(xué)、旋回—層序地層與臺—盆演化，揚(yáng)子、塔里木地塊震旦系—下古生界碳酸鹽沉積相與沉積演化，深層—超深層白云巖儲層發(fā)育與保持機(jī)制，古生代重要地質(zhì)時(shí)期（E?C，O?S，F(xiàn)?F，P）古海洋環(huán)境與生物協(xié)同演化以及有機(jī)質(zhì)富集機(jī)理開展過系統(tǒng)研究。曾主持多項(xiàng)國家自然科學(xué)基金委員會項(xiàng)目（面上、重點(diǎn)）和大型企業(yè)委托項(xiàng)目，參加多項(xiàng)國家重大基礎(chǔ)研究項(xiàng)目（973 或重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目）和國家（油氣）重大專項(xiàng)的研究工作；現(xiàn)主持重點(diǎn)基金項(xiàng)目“晚泥盆世生態(tài)危機(jī)與跨圈層耦合作用”。中國礦物巖石地球化學(xué)學(xué)會沉積學(xué)專業(yè)委員會和中國地質(zhì)學(xué)會沉積地質(zhì)專業(yè)委員會委員，F(xiàn)acies 雜志副主編，《沉積學(xué)報(bào)》等期刊編委，在Science Advances， Nature Communications， Geology， Earth and Planetary Science Letters，Sedimentology 等國內(nèi)外學(xué)術(shù)刊物發(fā)表論文130 余篇（其中第一或通信作者SCI 期刊論文50 余篇，H?index = 35，被引4 000 余次）。

碳是地球上最重要的元素，也是生命的基礎(chǔ)元素，它與地球演化、生命起源、氣候變遷和資源利用等密切相關(guān)。碳酸鹽巖與富有機(jī)質(zhì)（泥狀）巖均是重要的富“碳”沉積（巖），其規(guī)?；练e（聚集）會造成碳的大規(guī)模封存及全球碳循環(huán)異常，進(jìn)而造成地球氣候、海洋環(huán)境、生態(tài)及生命過程的異常響應(yīng)，影響地球的宜居性與可持續(xù)性；但二者的環(huán)境效應(yīng)是不同的。

碳酸鹽巖是自然界中重碳酸鈣溶液過飽和引發(fā)沉淀而形成的，或者是通過玄武巖和橄欖巖的碳酸鹽化作用而形成［1］。沉積碳酸鹽巖是地球表層碳酸鹽礦物的主要存在形式。碳酸鹽巖具有快速溶解反應(yīng)動力學(xué)過程，通過消耗大氣或土壤CO2，在地質(zhì)時(shí)間尺度上調(diào)節(jié)大氣CO2濃度，在地球表層形成碳酸鹽巖—水—?dú)猓–O2）—土—生的巖溶碳循環(huán)過程（巖溶動力系統(tǒng)）［2］。全球碳酸鹽巖廣泛分布，出露面積約2 200×104 km2［3］。在漫長的地質(zhì)歷史中，這些沉積碳酸鹽巖和蝕變洋殼中的碳酸鹽大部分可能隨板塊俯沖作用循環(huán)進(jìn)入深部地幔［4］，并引起殼—幔組成物質(zhì)的物理性質(zhì)和化學(xué)組成變化［5］。在地幔楔內(nèi)，碳酸鹽巖由于富水流體的注入而發(fā)生分解，使得流體富CO2注入上覆地層，CO2被移除并以碳酸鹽礦物沉積下來［6?8］。目前研究推測碳酸鹽化的弧前地幔是長期碳庫，可能發(fā)生熔融，通過火山噴發(fā)輸出大量CO2［9?10］。這是一個(gè)緩慢卻持續(xù)不斷地影響大氣二氧化碳濃度進(jìn)而調(diào)控地球氣候的過程。這一過程作為地球碳循環(huán)的“緩沖器”，協(xié)助調(diào)節(jié)了大氣二氧化碳含量，揭示了地球內(nèi)部與外部環(huán)境之間微妙而深刻的聯(lián)系，為我們理解地球宜居條件的維持提供新視角［11?12］。

富有機(jī)質(zhì)頁巖廣泛沉積于地質(zhì)歷史的各個(gè)時(shí)期，作為地球演化過程中的重要碳匯，是碳循環(huán)研究關(guān)注的重要對象；同時(shí)，富有機(jī)質(zhì)頁巖較好地記錄了地質(zhì)歷史時(shí)期的重大生物—環(huán)境—地質(zhì)事件，也是認(rèn)識地球氣候、環(huán)境和生命曲折演化的重要載體［13?14］。沉積有機(jī)質(zhì)的堆積有賴于水體營養(yǎng)水平、含氧水平以及有機(jī)質(zhì)接受分解的時(shí)間長短等條件變化［15］。而這些條件的變化與沉積環(huán)境的變化密切相關(guān)，特別是沉積環(huán)境的劇變經(jīng)常引起營養(yǎng)水平輸入的突變以及古水體含氧水平的突然下降，例如海平面與體系域的變化［16?17］、大型不整合界面、構(gòu)造裂陷深水相記錄的熱液活動以及極熱事件強(qiáng)陸地風(fēng)化作用等［18］。營養(yǎng)物質(zhì)輸入促進(jìn)浮游生物繁榮形成的有機(jī)質(zhì)是沉積物有機(jī)質(zhì)堆積富集的基礎(chǔ)。沉積有機(jī)質(zhì)的超常富集（有機(jī)碳含量介于5 wt. %～6 wt.%）一般形成于富營養(yǎng)化水體［19?20］。超高的初級生產(chǎn)力在提高有機(jī)質(zhì)分解耗氧過程中降低了水體總體氧的含量，即使水體存在源源不斷的氧輸入以保持水體暫時(shí)性氧輸入，但是這些輸入的氧最終被有機(jī)質(zhì)分解而消耗完畢。水體中氧的動態(tài)平衡過程能維持底部生態(tài)系統(tǒng)較為健康的運(yùn)行與發(fā)展，該過程常記錄在富含底棲動物的油頁巖等富碳沉積物中，特別是鈣質(zhì)泥巖或水平層理泥灰?guī)r。即使在分層缺氧的環(huán)境中，維持較高的有機(jī)質(zhì)通量也需要增強(qiáng)營養(yǎng)物質(zhì)的重復(fù)利用與循環(huán)［21］。沉積物在缺氧環(huán)境下硫酸鹽還原分解有機(jī)質(zhì)與氧化環(huán)境下喜氧分解有機(jī)質(zhì)的數(shù)量是相等的［22?23］，說明缺氧環(huán)境下有機(jī)質(zhì)的有利保存并不是通過降低細(xì)菌分解有機(jī)質(zhì)的能力，而是通過其他的途徑。低生產(chǎn)力水平背景下硫化或鐵化缺氧環(huán)境有機(jī)質(zhì)富集的實(shí)例分析表明，有機(jī)質(zhì)的硫化是實(shí)現(xiàn)缺氧環(huán)境大量保存有機(jī)質(zhì)的重要途徑［24］，即通過提高有機(jī)質(zhì)埋藏的比例而不是降低細(xì)菌分解能力進(jìn)而富集有機(jī)質(zhì)。在有機(jī)質(zhì)埋藏比例通常低于1% 初級生產(chǎn)力的條件下，該途徑是實(shí)現(xiàn)有機(jī)質(zhì)超常富集的有效方式。

碳酸鹽巖可以作為重要的油氣儲集體或沉積—層控礦床的容礦層，而富有機(jī)質(zhì)巖常作為油氣烴源巖或自生自儲的非常規(guī)油氣儲集體，具有優(yōu)異的資源（或能源）效應(yīng)。本專輯聚焦這些深時(shí)富“碳”沉積，介紹通過沉積學(xué)（包括沉積相分析）、沉積地球化學(xué)等方法的綜合約束，恢復(fù)碳酸鹽巖沉積和/或成巖（流體）環(huán)境、富有機(jī)質(zhì)巖石形成的異常海洋—?dú)夂虮尘?，揭示地質(zhì)時(shí)間尺度內(nèi)的巖石圈—生物圈—水圈—大氣圈之間的碳循環(huán)過程，并為“富碳”類巖石的資源潛力評估提供理論依據(jù)。本專輯收集的13 篇論文從上述幾個(gè)方面對碳酸鹽巖以及富有機(jī)質(zhì)沉積巖進(jìn)行了論述。張力鈺等［25］分析晚泥盆世弗拉—法門（F?F）轉(zhuǎn)折期古海洋特征，發(fā)現(xiàn)快速氣候波動引起大陸風(fēng)化作用增強(qiáng)會造成淺海的富營養(yǎng)化，形成較高初級生產(chǎn)力進(jìn)而導(dǎo)致海洋缺氧。李娟等［26］和葛小瞳等［27］均認(rèn)為陸源的輸入對有機(jī)質(zhì)堆積有較為重要的影響，前者認(rèn)為存在正反兩方面的影響，而后者認(rèn)為在上二疊統(tǒng)富碳頁巖中是正面的影響。韋恒葉等［28］通過層序地層學(xué)和元素地球化學(xué)的約束，發(fā)現(xiàn)上二疊統(tǒng)有機(jī)質(zhì)超常富集主要形成于廣旺—開江—梁平海槽快速發(fā)展和高潮穩(wěn)定時(shí)期，裂陷槽形成過程中熱液活動和陸地風(fēng)化帶來營養(yǎng)物質(zhì)是有機(jī)質(zhì)富集的主控因素。而熱液活動也同樣記錄在中二疊統(tǒng)孤峰組黑色硅質(zhì)巖中，很可能是該時(shí)期有機(jī)質(zhì)富集的主控因素之一［29］。劉牧等［30］研究藏北羌塘盆地上侏羅統(tǒng)索瓦組紅色灰?guī)r成因時(shí)發(fā)現(xiàn)，該時(shí)期淺海存在較多的陸源物質(zhì)輸入，同時(shí)富含他形赤鐵礦，這或許是羌塘盆地索瓦組發(fā)育油頁巖的重要原因之一。魏小松等［31］利用自然伽馬曲線分析天文軌道旋回變化，并據(jù)此重構(gòu)相對海平面變化，認(rèn)為下寒武統(tǒng)牛蹄塘組有機(jī)質(zhì)富集與相對海平面變化沒有相關(guān)性，這可能與海平面的升與降均對營養(yǎng)物質(zhì)的輸入有較大影響有關(guān)。朱柏宇等［32］將沉積微相與元素地球化學(xué)相結(jié)合，推測準(zhǔn)噶爾盆地蘆草溝組富有機(jī)質(zhì)深湖相泥巖形成于較高初級生產(chǎn)力水平以及富氧的環(huán)境。王丹［33］、唐攀等［34］、丁一等［35］以及郭川等［36］從層序、白云巖沉積環(huán)境成因以及古地理格局方面論述了沉積環(huán)境對碳酸鹽沉積非均質(zhì)性的空間控制作用以及對上下富有機(jī)質(zhì)頁巖形成的啟示。孫鵬等［37］從沉積有機(jī)質(zhì)烴源巖的油源對比出發(fā)，重建了富碳烴源巖的沉積環(huán)境。

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