新元古代南華盆地Sturtian冰川沉積物中碳同位素負(fù)偏及其地質(zhì)意義

關(guān)鍵詞 Sturtian冰期；鐵絲坳組；碳同位素；南華盆地第一作者簡介 王萍，女，1991年出生，博士，講師，沉積地質(zhì)學(xué)，E-mail： wangping_2016@163.com

通信作者 杜遠(yuǎn)生，男，教授，E-mail： duyuansheng126@126.com

中圖分類號(hào) P534.3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A

0引言

新元古代記錄了兩次全球性的冰期事件，即Sturtian冰期（～717～660 Ma）和Marinoan冰期（～654～635 Ma）[1?3]。“雪球地球”假說[4?6]認(rèn)為在這兩次冰期事件過程中，地球表面完全被冰川覆蓋，生態(tài)系統(tǒng)崩塌，水循環(huán)停滯，并且大陸風(fēng)化作用基本停止[5?6]。隨著對(duì)雪球地球的古氣候、生物標(biāo)志化合物以及古海洋氧化還原條件等研究的深入[7?9]以及氣候模擬[10]，有些學(xué)者認(rèn)為在冰期期間，水文循環(huán)和大陸風(fēng)化仍然活躍，地球并未被冰川完全覆蓋，尤其是赤道附近存在一定的開放水域，這就是著名的冰雪地球（hardSnowball Earth）和冰水地球（Slushball Earth）之爭(zhēng)[11]。目前對(duì)Marinoan冰期的研究比較深入，包括冰期之間小的冰期—間冰期旋回[12]，冰期海洋的氧化還原狀態(tài)及碳—氮循環(huán)過程[9，13?14]，生物標(biāo)志化合物及初級(jí)生產(chǎn)力[15?16]等，但是對(duì)Sturtian冰期的古海洋環(huán)境研究相對(duì)較少，尤其缺乏生物地球化學(xué)循環(huán)的研究。

地質(zhì)歷史時(shí)期出現(xiàn)多次無機(jī)碳同位素的正偏和負(fù)偏現(xiàn)象，但是目前對(duì)其偏移機(jī)制仍然存在不同的認(rèn)識(shí)，可能與成巖作用、生物生產(chǎn)力的增加/降低、有機(jī)質(zhì)埋藏比例等因素有關(guān)[17?18]。目前已有很多關(guān)于Sturtian冰期之前和冰期之后地層中碳同位素的報(bào)道[17?18]，但是對(duì)于Sturtian冰期期間碳同位素的組成以及碳循環(huán)過程仍然缺乏系統(tǒng)的研究。南華盆地完整地記錄了南華系的地層序列，包括Sturtian 冰期、Marinoan冰期以及兩個(gè)冰期之間的間冰期地層，是研究雪球地球的理想?yún)^(qū)域。選取南華盆地中黔東松桃地區(qū)高地錳礦區(qū)ZK2115鉆孔為研究對(duì)象，對(duì)Sturtian冰期沉積的鐵絲坳組進(jìn)行詳細(xì)的有機(jī)碳和無機(jī)碳同位素研究，結(jié)合地層中的TOC含量，旨在研究Sturtian冰期期間海洋中的碳同位素組成特征，并探討極端氣候條件下海洋中的碳循環(huán)過程。

1地質(zhì)背景

中元古代末期—新元古代早期（～1.3～0.9 Ga）形成一個(gè)全球性的超大陸—Rodinia 超大陸[19?21]。在Rodinia超大陸形成過程中，揚(yáng)子板塊與華夏板塊碰撞拼合，最終形成華南板塊（～820 Ma）[22]。新元古代中期，伴隨著Rodinia 超大陸的裂解，華南板塊在～ 820 Ma開始發(fā)生裂谷作用[23]，在揚(yáng)子板塊和華夏板塊之間形成南華裂谷盆地，在揚(yáng)子西緣形成康滇裂谷盆地[23]。

南華裂谷盆地沿北東東向展布[24?25]，盆地中發(fā)育武陵次級(jí)裂谷盆地和雪峰次級(jí)裂谷盆地，二者被天柱—懷化隆起隔開（圖1），在武陵次級(jí)裂谷盆地中包含一系列更次級(jí)的地壘和地塹盆地，在這些小的地塹盆地中發(fā)育一系列大型—超大型的錳礦床，被稱為“大塘坡式”錳礦床[24?25]。在南華盆地中發(fā)育的地塹盆地完整地記錄了南華系的地層序列，地層厚度變化較大。

研究區(qū)位于南華盆地的雪峰次級(jí)裂谷盆地，區(qū)內(nèi)南華紀(jì)地層出露較完整，自下而上分別為兩界河組、鐵絲坳組、大塘坡組和南沱組。兩界河組以中厚層巖屑砂巖和石英砂巖為主，含白云巖透鏡體，地層厚度變化大，在區(qū)域上呈零星分布，主要分布在貴州東北部的松桃—印江地區(qū)，屬于陸源碎屑沉積。一般認(rèn)為鐵絲坳組是Sturtian冰期冰海沉積的產(chǎn)物，主要由冰磧巖組成，冰磧巖中礫石的分選較差，粒徑大小不一，在0.1 cm×0.2 cm～1 cm×3 cm，磨圓也較差，并且礫石的含量自下而上逐漸變少。鐵絲坳組與下伏兩界河組整合接觸。大塘坡組代表Sturtian冰期和Marinoan冰期之間的間冰期沉積，下部由黑色頁巖組成，頁巖底部包含一套富錳頁巖層，是“大塘坡式”錳礦的富集層位，上部主要由灰綠色粉砂巖組成。錳礦層中的錳主要以菱錳礦（MnCO₃）的形式存在，從礦床的中心到邊緣，礦床品位逐漸降低，塊狀礦石逐漸變?yōu)闂l帶狀礦石。大塘坡組與下伏鐵絲坳組和上覆南沱組呈整合接觸。南沱組代表Marinoan冰期期間的冰海沉積，主要由砂泥質(zhì)冰磧巖組成。選取黔東松桃高地錳礦區(qū)ZK2115鉆孔為研究對(duì)象，該鉆孔到鐵絲坳組底部終止，與大塘坡組（約231 m）和南沱組（約284 m）相比，鐵絲坳組較?。s10 m）（圖2）。ZK2115鉆孔鐵絲坳組冰磧巖中可見大小不等的礫石，并且在冰磧巖基質(zhì)中發(fā)現(xiàn)很多細(xì)小的巖石碎屑，例如石英、長石等（圖3）。

Sturtian冰期的開始和結(jié)束在全球范圍內(nèi)是同步的[3，26]，精確的年代學(xué)研究將Sturtian冰期的初始時(shí)間限定在717 Ma左右[1?2，27]。目前普遍認(rèn)為Sturtian冰期包含兩幕冰期事件，在華南地區(qū)分別對(duì)應(yīng)年齡較老的長安冰期和較新的古城冰期[28]，并且越來越多的研究表明Sturtian冰期的第二幕冰期在全球范圍內(nèi)也是同步的，其開始的年齡在690 Ma左右[28?29]，結(jié)束的年齡對(duì)應(yīng)整個(gè)Sturtian冰期結(jié)束的年齡，即660 Ma左右[30?33]。在揚(yáng)子?xùn)|南緣南華裂谷盆地中兩界河組底部最年輕的單顆粒鋯石U-Pb年齡為708±15 Ma[34]，區(qū)域上相當(dāng)層位的渫水河組頂部凝灰質(zhì)粉砂巖中的鋯石SIMS U-Pb年齡為691.9±8.0 Ma[28]。這些年代學(xué)資料限定兩界河組的沉積時(shí)代介于708～690 Ma。除此之外，兩界河組的化學(xué)風(fēng)化指標(biāo)——CIA（Chemical Index of Alteration）整體上介于65～75[35]，代表了當(dāng)時(shí)溫暖濕潤的古氣候，同時(shí)也說明兩界河組屬于Sturtian冰期兩次幕式冰期之間的間冰期沉積，鐵絲坳組代表了Sturtian冰期的第二幕冰期沉積。

2 樣品測(cè)試和結(jié)果

研究的樣品均來自黔東松桃地區(qū)高地錳礦區(qū)ZK2115鉆孔，該鉆孔中鐵絲坳組地層厚度約為10 m，采集樣品的間隔為0.3～0.6 m，共采集鐵絲坳組樣品24件。由于鐵絲坳組樣品主要為Sturtian冰期期間沉積的冰磧巖，巖石中含有大小不等的礫石，因此將固體的巖石樣品研磨成粉末（200目）之前，需要剔除掉樣品中的礫石，地球化學(xué)測(cè)試的對(duì)象是冰磧巖的基質(zhì)部分。

δ¹³C_carb和δ¹⁸O的測(cè)試：首先稱量適量樣品置于反應(yīng)瓶中，連接至真空系統(tǒng)，然后與高純磷酸在70 °C反應(yīng)，將收集到的CO₂ 進(jìn)行C-O 同位素測(cè)試，該過程在kiel IV-MAT253連用系統(tǒng)上進(jìn)行，采用的國際標(biāo)樣為GBW04416（δ¹³C=+1.61‰，δ¹⁸O=-11.59‰）和GBW04417（δ¹³C=-6.06‰，δ¹⁸O=-24.12‰），分析結(jié)果以Vienna Pee Dee Belemnite（V-PDB）為標(biāo)準(zhǔn)，分析精度小于0.1‰。

在測(cè)試δ¹³Corg之前需要去除掉樣品中的無機(jī)碳部分，具體方法如下：首先取3～5 g樣品放到50 mL離心管中，然后少量多次加入4 mol/L的鹽酸，攪拌均勻，并靜置2 h，然后用離心機(jī)離心，去除上清液，重復(fù)上述過程2～3次，確保除掉樣品中的無機(jī)碳被完全去除。向殘余物中加入超純水，搖晃均勻，然后離心，去掉上清液，重復(fù)上述過程5～6次，直至離心之后的上清液呈中性。最后將水洗之后的殘余物放在65 °C的烘箱中，待樣品烘干后磨成粉末備用。稱量適量樣品，用錫紙杯包裹緊密之后在EA+MAT253上進(jìn)行測(cè)試。采用的國際標(biāo)樣為GBW04407（-22.43±0.07‰）和GBW04408（-36.91±0.10‰），國內(nèi)標(biāo)樣ACET（-26.33‰）分析結(jié)果以V-PDB為標(biāo)準(zhǔn)，分析精度小于0.06‰。

研究中涉及的無機(jī)碳—氧同位素和有機(jī)碳同位素的測(cè)試均在中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）地質(zhì)過程與礦產(chǎn)資源國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成，測(cè)試結(jié)果如表1所示。

鐵絲坳組δ¹³C_carb 介于-9.29‰～-3.37‰，平均值為-7.24‰，δ¹⁸O 介于-15.91‰～-7.37‰，平均值為-12.71‰；δ¹³C_org 介于-33.36‰～-23.35‰，平均值為-29.29‰。此外，鐵絲坳組的碳同位素分餾（△13C；δ¹³C_carb-δ¹³C_org）介于17.84‰～25.90‰。研究樣品整體上TOC含量相對(duì)較低（0.2±0.6%），但是在鐵絲坳組頂部個(gè)別樣品的TOC 含量相對(duì)較高，最高可達(dá)2.7%[36]（圖4）。在本研究的測(cè)試數(shù)據(jù)中，δ¹³C_carb和δ¹³C_org從鐵絲坳組底部開始存在一個(gè)明顯的上升趨勢(shì)，隨后又呈下降的趨勢(shì)，△¹³C從鐵絲坳組的底部到頂部具有明顯的上升趨勢(shì)（圖4）。δ¹³C_carb和δ¹⁸O顯示正相關(guān)關(guān)系（r=+0.55，p（α）lt;0.02，n=15；圖5a），δ¹³C_carb和δ¹³C_org也顯示正相關(guān)關(guān)系（r=+0.61，p（α）lt;0.01，n=15；圖5b），δ¹³C_carb和TOC沒有相關(guān)性（r=-0.12，p（α）lt;0.1，n=15；圖5c），δ¹³C_org 和TOC 顯示微弱的負(fù)相關(guān)性（r=-0.55，p（α）lt;0.01，n=24；圖5d）。δ¹³C_carb和△¹³C不顯示相關(guān)性（r=-0.06，p（α）lt;0.1，n=15；圖5e），但是δ13Corg和△13C顯示很好的負(fù)相關(guān)關(guān)系（r=-0.83，p（α） lt;0.001，n=15；圖5f）。

3 討論

3.1碳同位素?cái)?shù)據(jù)的可用性分析

沉積碳酸鹽巖記錄了當(dāng)時(shí)的古海洋環(huán)境信息，但是碳酸鹽巖在后期成巖過程中容易受到成巖作用的影響，導(dǎo)致其微量元素（Mn、Fe、Ca和Sr）含量以及δ¹³C_carb和δ¹⁸O值的變化[37?38]。因此，在利用碳酸鹽巖進(jìn)行古海洋環(huán)境研究之前，需要考慮成巖作用是否影響碳酸鹽巖中記錄的古海水初始信號(hào)。

在成巖過程中，沉積碳酸鹽巖晶格中的Ca和Sr會(huì)被Fe和Mn取代，導(dǎo)致Fe和Mn含量的增加，Ca和Sr含量的降低，因此Mn/Sr、Fe/Sr比值可以作為沉積碳酸鹽巖成巖蝕變的指標(biāo)[37，39]。一般認(rèn)為Mn/Srlt;2，F(xiàn)e/Srlt;50時(shí)，碳酸鹽巖仍然保存了原始的碳同位素組成特征[39?40]，但是在前寒武紀(jì)時(shí)期，原始沉積的碳酸鹽巖礦物中鐵、錳含量本來就比較高，并不是后期成巖作用導(dǎo)致的[41]。因此，對(duì)于本研究中的樣品，Mn/Sr和Fe/Sr不適合作為成巖作用的指標(biāo)。

成巖作用會(huì)導(dǎo)致碳酸鹽巖δ¹³C_carb和δ¹⁸O的降低，并且δ¹⁸O比δ¹³C_carb更容易受到成巖作用的影響[37，39?40]。碳酸鹽巖δ¹⁸O值可以作為成巖作用的判別指標(biāo)[40]，一般認(rèn)為當(dāng)δ¹⁸Ogt;-10‰時(shí)，碳酸鹽巖受到的成巖作用比較微弱[39]。此外，δ¹³C_carb和δ¹⁸O的相關(guān)性也被用來評(píng)估成巖作用對(duì)碳酸鹽巖的影響[37?39]，當(dāng)成巖作用較強(qiáng)烈時(shí)，會(huì)同時(shí)降低δ¹³C_carb和δ¹⁸O的值，δ¹³C_carb和δ¹⁸O顯示正相關(guān)關(guān)系。當(dāng)?shù)貙又谐霈F(xiàn)耦合的δ¹³C_carb 和δ¹³C_org時(shí)，也可以判定δ¹³C_carb記錄了原始的碳同位素信號(hào)，其碳同位素組成不受成巖作用的影響[42]?？偠灾?，判斷碳酸鹽巖是否經(jīng)歷了成巖作用，需要基于各種指標(biāo)的綜合分析，而不是使用某一項(xiàng)指標(biāo)來進(jìn)行判斷。

南華盆地Sturtian 冰期期間沉積的鐵絲坳組樣品中δ¹⁸O 值介于-15.91‰～-7.37‰（平均值為-12.71‰），大部分樣品的δ¹⁸O 都小于-10‰，并且δ¹³C_carb-δ¹⁸O呈現(xiàn)中等程度的正相關(guān)關(guān)系（圖5a），似乎預(yù)示著成巖作用對(duì)初始古海洋信號(hào)的改變。但是鐵絲坳組冰磧巖基質(zhì)δ¹³C_carb（-9.29‰～-3.37‰，平均值為-7.24‰）和δ¹³C_org（-33.36‰～-23.35‰，平均值為-29.29‰）顯示明顯的正相關(guān)關(guān)系（圖5b），這與成巖作用相悖，因?yàn)樵谇昂浼o(jì)時(shí)期沒有任何一種機(jī)制可能同時(shí)改變?chǔ)?sup>13C_carb和δ¹³C_org值[43]。因此，我們認(rèn)為鐵絲坳組記錄了原始的碳同位素組成信號(hào)，這與地質(zhì)歷史時(shí)期其他地層記錄一致[42?43]，但是δ¹⁸O可能受到了成巖作用的影響。

3.2Sturtian冰期期間的光合作用

在新元古代雪球地球期間，最開始認(rèn)為該時(shí)期整個(gè)地球幾乎完全被冰雪覆蓋，陸地、海洋和大氣之間的物質(zhì)循環(huán)受到阻礙，生態(tài)系統(tǒng)崩塌，光合作用停滯，海洋處于缺氧狀態(tài)[4?6]，并且認(rèn)為海洋中的DIC庫δ13C值在-5‰左右[5]，與地幔δ13C值接近[44]。隨著對(duì)冰期沉積地層越來越深入的研究以及氣候模型模擬，一些學(xué)者對(duì)雪球地球的冰川范圍產(chǎn)生了不同的意見，認(rèn)為在冰期期間，地球并未完全被冰川覆蓋，部分地區(qū)仍然存在開放水域[9?10]。化學(xué)風(fēng)化指標(biāo)（CIA）表明冰期期間化學(xué)風(fēng)化作用仍在進(jìn)行[8，45]，并且冰期期間水文循環(huán)并未停止[45]，陸地和海洋之間仍然存在物質(zhì)交換。

在雪球地球期間，全球生態(tài)系統(tǒng)并未完全崩潰，生命主要以微觀和軟體的形式存在[46]。有機(jī)分子證據(jù)以及生物標(biāo)志化合物的證據(jù)表明，在冰期期間存在微弱的透光帶，光合作用比較微弱，雖然生物生產(chǎn)力很低，但是從未停止，并且沉積有機(jī)質(zhì)主要來源于海洋中的光合自養(yǎng)生物[47?48]。在澳大利亞和斯瓦爾巴群島Sturtian冰期沉積的冰磧巖中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)有機(jī)壁微化石，盡管其多樣性很低，但是其分布廣泛且相當(dāng)豐富[49]。在巴西東南部Sturtian 冰期期間沉積地層中發(fā)育橫向上廣泛分布的黑色頁巖層（TOC 可達(dá)3.0%），遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于上下冰磧巖層的TOC 含量（lt; 0.5%），地層中提取出的生物標(biāo)志化合物表明Sturtian冰期期間，該地區(qū)存在一個(gè)復(fù)雜而多產(chǎn)的微生物生態(tài)系統(tǒng)，包括光合細(xì)菌和真核生物，光合作用仍在進(jìn)行，表層海水處于氧化狀態(tài)，當(dāng)時(shí)海洋中可能存在很薄的冰或者處于無冰狀態(tài)[7]。阿曼地區(qū)Marinaon冰期沉積物中發(fā)現(xiàn)了24-異丙基膽甾烷，該物質(zhì)被認(rèn)為是海洋中海綿動(dòng)物產(chǎn)生的C30甾醇的碳?xì)浠衔餁埩粑?，代表了化石記錄中最古老的?dòng)物證據(jù)[15]；華南Marinoan冰期冰磧巖中的頁巖層中首次發(fā)現(xiàn)了底棲大型藻類[16]。這些化石數(shù)據(jù)都表明真核生物在Marinaon冰期幸存下來，并未由于冰期惡劣的環(huán)境而消失。納米比亞Marinoan冰期沉積的Ghaub組和同時(shí)期的華南南沱組的鐵組分以及C-N同位素等地球化學(xué)數(shù)據(jù)的研究表明，冰期期間存在顯著的開闊水域，生物地球化學(xué)循環(huán)較為活躍，生物生產(chǎn)力以及產(chǎn)氧作用存在，并且表層海水含氧，深部水體缺氧[9，14]。

在新元古代南華盆地中，Sturtian冰期期間沉積的鐵絲坳組TOC含量很低，除了一個(gè)樣品（黑色頁巖）達(dá)到2.7%，其余樣品都小于1.0%。鐵絲坳組的低TOC含量也與其他地區(qū)Sturtian冰期期間沉積冰磧巖中的TOC含量一致，例如華南地區(qū)江口組[48]和澳大利亞Wilyerpa組[50]。Marinaon冰期期間，納米比亞地區(qū)沉積的Ghaub 組[14]和華南地區(qū)沉積的南沱組[9，47?48，51] 冰磧巖中TOC 含量也很低（lt;0.2%），與Sturtian冰期類似。沉積物中有機(jī)質(zhì)的來源一般分為兩種，一種是光合作用產(chǎn)生的有機(jī)質(zhì)，另外一種是陸源輸入的有機(jī)質(zhì)。鐵絲坳組δ¹³C_carb和δ¹³C_org具有明顯的正相關(guān)關(guān)系（圖5b），表明地層中的有機(jī)質(zhì)主要是水體中光合作用的產(chǎn)物，有機(jī)質(zhì)中的碳來源于海洋中的DIC庫。以上證據(jù)均表明Sturtian冰期期間的生態(tài)系統(tǒng)仍然存在，光合作用仍在進(jìn)行。有機(jī)質(zhì)的礦化作用是影響地層中有機(jī)質(zhì)保存的重要因素，在新元古代海水中硫酸鹽的濃度很低[52]，通過硫酸鹽還原等過程消耗的有機(jī)質(zhì)的量特別少，有機(jī)質(zhì)礦化作用比較微弱，地層中TOC的含量主要受到光合作用產(chǎn)生的有機(jī)質(zhì)的影響。Sturtian冰川沉積物中TOC的含量比間冰期低1～2個(gè)數(shù)量級(jí)[36，47?48]，盡管冰川沉積物的沉積速率相對(duì)較高，但是仍然可以說明冰室氣候條件下光合作用的速率比較緩慢，初級(jí)生產(chǎn)力水平較低，通過光合作用產(chǎn)生的有機(jī)質(zhì)十分有限。

3.3Sturtian冰期碳同位素的負(fù)偏移

黔東松桃地區(qū)高地ZK2115鉆孔鐵絲坳組冰磧巖基質(zhì)部分δ¹³C_carb值介于-9.29‰～-3.37‰（平均值為-7.24‰），與研究區(qū)臨近的ZK405鉆孔同一層位冰磧巖基質(zhì)的δ¹³C_carb 值（-11.3‰ 到-8.3‰，平均值為-9.6‰）[53]一致，存在明顯的碳同位素負(fù)偏。鐵絲坳組無機(jī)碳同位素代表原始的碳同位素組成信號(hào)，并且在冰期沉積物沉積過程中礦化的有機(jī)質(zhì)很少，因此該過程產(chǎn)生的無機(jī)碳對(duì)海洋DIC庫的影響很小，鐵絲坳組δ¹³C_carb可以代表當(dāng)時(shí)水體中DIC庫的碳同位素組成。桂西地區(qū)Sturtian冰期沉積的富祿組發(fā)育一套碳酸鹽巖夾層，可能代表了冰期期間一次小的間冰期沉積，碳酸鹽巖夾層δ¹³C_carb 介于-5.0‰～-3.0‰（平均值為-3.5‰）[54]，與Sturtian之后的蓋帽白云巖類似[30]，并且δ¹³C_carb與δ¹³C_org（-27.8‰～-22.2‰）呈現(xiàn)明顯的解耦現(xiàn)象[54]，這可能與環(huán)境變化導(dǎo)致的碳循環(huán)擾動(dòng)有關(guān)。此外，世界其他地區(qū)也報(bào)道了Sturtian冰期沉積的冰磧巖中無機(jī)碳同位素?cái)?shù)據(jù)。例如，在澳大利亞Sturtian冰期沉積的Wilyerpa組，沉積過程中形成的白云石δ¹³C_carb介于-5.3‰～+2.0‰（平均值為-1.7‰）[50，55]；在斯瓦爾巴特群島，Sturtian冰期沉積的Petrovbreen 段冰磧巖基質(zhì)δ₁₃C_carb介于-5.0‰～+2.0‰ [56]；在納米比亞，Sturtian冰期沉積的Chuos組，其泥晶白云巖和灰?guī)r層δ¹³C_carb介于-1.9‰～-9.2‰（平均值為-7.3‰）[57]。這些證據(jù)表明Sturtian冰期期間，海洋中的DIC庫存在負(fù)偏，其δ13C值低于現(xiàn)代海洋的δ¹³C_carb（0 左右）。此外，南華盆地Sturtian 冰川沉積物中δ¹³C_carb值低于Sturtian冰期之前（0～-5.0‰）[56?57]和冰期之后（-4.0‰～+4.0‰）[30，57]的地層（圖6）。南華盆地在Sturtian冰期期間海水DIC庫可能受到大氣CO₂的溶解，火山/熱液活動(dòng)的輸入以及有機(jī)質(zhì)礦化的影響，但是大氣中CO₂ 在水中溶解的δ¹³C_carb（ -4.0‰～-5.0‰）[5]，火山或者熱液活動(dòng)δ¹³C_carb（ -5.0‰～-7.0‰）[5]均高于水體中DIC庫的δ¹³C_carb，并且冰期期間有機(jī)質(zhì)礦化作用較微弱，可以忽略，因此冰期DIC庫碳同位素的負(fù)偏需要其他13C缺乏的碳源的輸入。Sturtian冰期期間δ¹³C_carb的負(fù)偏可能與DIC庫碳同位素的大規(guī)模擾動(dòng)有關(guān)，受到環(huán)境因素的制約，也可能受到全球碳循環(huán)過程的影響[43，58]，對(duì)于其負(fù)偏機(jī)制目前仍然無法確定，缺乏實(shí)質(zhì)性的證據(jù)。

3.4Sturtian冰期碳循環(huán)及對(duì)海洋狀態(tài)的啟示

Sturtian冰期沉積的鐵絲坳組δ¹³C_carb代表了當(dāng)時(shí)水體DIC庫的碳同位素組成信息，在-7‰左右，具有明顯的負(fù)偏。在冰期期間，全球處于冰室氣候狀態(tài)，生態(tài)系統(tǒng)并未完全崩塌，光合作用仍在進(jìn)行，但是光合作用的速率極低。此外，有機(jī)質(zhì)的礦化作用比較微弱，光合作用產(chǎn)生的有機(jī)質(zhì)大部分都在地層中保存下來，由于初級(jí)生產(chǎn)力很低，產(chǎn)生的有機(jī)質(zhì)有限，在地層中保存下來的TOC含量很低（0.2%）。隨著冰室氣候逐漸向溫室氣候轉(zhuǎn)變[8]，溫度的升高可能導(dǎo)致有機(jī)質(zhì)和DIC庫之間的碳同位素分餾逐漸增大，△¹³C值從鐵絲坳組底部到頂部具有明顯的上升趨勢(shì)。

在Sturtian冰期期間，有機(jī)碳和無機(jī)碳之間存在比較活躍的碳循環(huán)過程。此外，鐵絲坳組古氣候指標(biāo)——CIA介于45～67（平均值為58），并且從鐵絲坳組的底部到頂部整體上顯示上升的趨勢(shì)，表明在冰室氣候環(huán)境下，化學(xué)風(fēng)化作用并未完全停止[8]。鐵絲坳組δ¹³C_carb的升高—降低趨勢(shì)也反映了當(dāng)時(shí)的水體不是封閉的環(huán)境，而是開放的環(huán)境，海洋中的碳循環(huán)受到擾動(dòng)。如果是封閉的環(huán)境，那么隨著海水中的無機(jī)碳通過光合作用固定在有機(jī)質(zhì)中，那么水體中將會(huì)越來越富集¹³C，導(dǎo)致DIC庫的δ¹³C_carb 值逐漸升高，這與實(shí)際情況相悖。以上證據(jù)均支持“冰水地球”假說[10]，認(rèn)為在Sturtian 冰期這種極端氣候條件下，部分地區(qū)仍然存在開放水域，陸地和海洋之間的物質(zhì)交換仍然存在，生物地球化學(xué)循環(huán)仍然比較活躍。

4 結(jié)論

（1） Sturtian冰期期間，南華盆地中的DIC庫明顯缺乏¹³C，具有較低的δ¹³C值（-7‰左右），鐵絲坳組具有明顯的δ¹³C_carb負(fù)偏現(xiàn)象。

（2） Sturtian冰期期間，雖然光合作用在極端條件下仍在進(jìn)行，但光合速率極低，鐵絲坳組中保存下來的有機(jī)質(zhì)主要是通過光合作用產(chǎn)生的，并且有機(jī)質(zhì)中的碳主要來源于海洋中的DIC庫。

（3） Sturtian冰期期間，地球并未被冰川完全覆蓋，存在開放水域，生物地球化學(xué)循環(huán)過程仍然比較活躍。

致謝 感謝中國地質(zhì)大學(xué)（武漢） 生物地質(zhì)與環(huán)境地質(zhì)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室常標(biāo)副研究員和薛書雨博士在實(shí)驗(yàn)室測(cè)試過程中提供的幫助。感謝審稿專家在本文修改過程中提出的寶貴意見。