摘要
古元古代是地球历史上是关键的转折期之一，当时的地球表生系统发生了很多显著的变化，如大气圈从还原状态向氧化状态的转变（“大氧化事件”）、生命演化的飞跃、叠层石的爆发、红层的首次出现、Lomagundi碳同位素漂移事件、全球性的磷块岩及黑色页岩的沉积等，这些重大变化在时间上的同步性暗示了其在成因上可能存在密切联系。对古元古代沉积岩剖面的研究可提取“大氧化事件”及其后生物地质过程和地球化学变化的信息，为探讨该转折时期地球环境变化、地球化学循环扰动与生命活动的相互作用过程与机制提供资料。滹沱群作为华北克拉通古元古代的代表性剖面，记录了这一转折期生物地球化学变化的地质过程。它是一套厚度大于10000米的火山岩—碎屑岩—碳酸盐岩序列，仅经受了低绿片岩相变质作用，该群共分为三个亚群十四个组，从底向上，包含着一套向上变细的碎屑岩、一套叠层石大量发育的碳酸盐岩—泥岩序列和一套向上变粗的磨拉石建造，整体构成了一套沉积结构完整、沉积序列清晰的大型沉积旋回。滹沱群的独特之处在于其保存了中国最早的红层记录(2.14～2.09Ga)以及可能的最古老真核生物化石(2.09～2.03Ga)，而且其沉积时代(2.14～1.81Ga)正好对应于古元古代“大氧化事件”(2.4～2.1Ga)和全球性Lomagundi事件(2.22～2.06Ga)的晚期。通过研究滹沱群碳酸盐岩C同位素正负异常、反映海水氧化还原状态的REY特征发现，滹沱群记录了古元古代大氧化事件晚期及以后海洋从贫氧向氧化态转变的过程。 本文通过对滹沱群的沉积特征及沉积环境分析、系统的碳—氧同位素地层学和主微量元素地球化学研究，得出以下主要认识: 1.滹沱群是一套在裂谷背景下形成的沉积岩系，经历了地堑、拗陷和挤压三个演化阶段。该群内发育大量形态各异、大小不一的叠层构造、波痕构造、层理构造及风暴沉积等，根据这些沉积构造与岩性特征在垂向上的周期性交化可将滹沱群完整的一级旋回划分为三个二级沉积旋回，分别与三个亚群对应，其中豆村、东冶亚群两个沉积旋回对应于滹沱盆地发展过程中的总体海侵过程，而郭家寨亚群沉积为盆地关闭前的磨拉石堆积。滹沱群在沉积过程中水深具有周期性的变化，但主体显示为滨浅海相的沉积。 2.滹沱群碳酸盐岩碳同位素体系呈现明显扰动，尤其以下部的C同位素正异常和上部的负异常为特征。滹沱群下部的大石岭组南大贤段和纹山组表现为碳同位素的正异常，正异常最大值可达3.38‰;上部的河边村组、建安村组、大关洞组则出现了碳同位素的正负扰动，三个组之间碳同位素扰动范围在-3.57‰～+2.68‰之间，相对于南大贤段，正异常的幅度减小;在槐荫村组底部，碳同位素整体突变为负异常，在北大兴组出现了该剖面上最小的碳同位素值(-5.56‰)。滹沱群底部较重的碳同位素值明显高于海相碳酸盐岩的δ13C值，指示其并非形成于正常海水，与Lomagundi碳同位素漂移事件对应，但滹沱群碳同位正偏移幅度比世界其他典型地区(＞6‰)小，且其沉积时代略晚，表明该碳同位素异常可能对应于Lomagundi事件的尾声。 3.滹沱群底部大石岭组南大贤段和纹山组出现的C同位素正异常可能与高海洋初级生产力和有机碳的净埋藏有关。“大氧化事件”导致了大陆地壳的有氧风化，快速的风化作用把大量营养物质（如:P、S等）带入海洋，从而刺激海洋微生物的繁盛，高海洋初级生产力导致有机物的大量产生和埋藏，大量有机碳的净埋藏是碳酸盐岩碳同位素出现正异常的直接原因。 4.滹沱群中上部出现的C同位素正负扰动及显著负异常的原因可能与有机质的大规模氧化有关。当产氧光合微生物的繁盛导致浅海中出现游离氧时，这部分游离氧可使局部的有机质被氧化。由于蓝细菌的繁盛初期产生的氧含量没有得到充分储备富集，海洋微生物的周期性繁盛导致海水氧含量的周期性变化，从而使滹沱群中部的碳酸盐岩碳同位素达到了正负扰动的动态平衡。另外，根据本文对叠层白云岩的岩相学和拉曼显微光谱的研究发现，在叠层石中有细小分散的碳质和集群的球状体存在，碳质与白云石紧密共生，可能代表降解微体化石残留物，部分贫有机质的燧石样品中发现的磷灰石-赤铁矿组合也指示其沉积—成岩过程中可能发生了有机质的氧化。所以只有在“大氧化事件”晚期及期后，海洋中有相当程度的自由氧时，沉积物中埋藏的大量有机质才能被大规模氧化，使12C又重新回到海水中，进而导致滹沱群上部碳酸盐岩碳同位素的负异常。 5.微量元素分析显示滹沱群碳酸盐岩地球化学特征未受明显的杂质混染或沉积后过程影响，指示当时海水化学成分与现代海水显著不同。滹沱群碳酸盐岩的稀土元素配分模式基本表现出为LREE相对HREE富集，LREE相对MREE亏损，MREE相对HREE富集的特征。微量元素比值NdSN/YbSN（平均值1.08）、PrSN/SmSN（平均值0.84）、SmSN/YbSN（平均值1.36）、（La/La*）SN（平均值0.91）、(Gd/Gd*)SN（平均值0.95）、Y/Ho比（平均值34.41）均与现代海水成分不一致，地球化学判别显示其REY特征未受到沉积过程中杂质的混染及沉积后地质过程的显著影响。 6.氧化还原敏感元素分析表明滹沱群沉积环境由底部贫氧环境向上逐渐变为氧化环境。滹沱群碳酸盐岩大多数样品(Eu/Eu*)SN≤1.53（平均值1.32），接近现代微生物礁的相应比值，(Eu/Eu*)CN＜1（平均值0.79），SmCN/YbCN＞1（平均值1.36），明显不同于太古宙(＞2.33Ga)化学沉积物特征(EuSN/Eu*SN＞1.53，(EuCN/Eu*CN＞1，SmCN/YbCN＜1)。这些数据说明“大氧化事件”之后的滹沱群沉积环境和海洋化学与太古宙明显不同，指示滹沱群沉积受“大氧化事件”影响，主体形成于氧化环境。另外，滹沱群碳酸盐岩Ni/Co=0.05～2.15（平均值0.53），Uau=0.01～1.91ppm(平均值0.24ppm)，且从该群底部向上显示的Ce负异常逐渐增大的趋势，与δ13CCarb随地层的变化对应，进一步支持滹沱群底部沉积环境为贫氧的环境，逐渐向上变为氧化环境。
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