“富碳”沉积岩发育机制及其碳循环意义

特约主编

韦恒叶，男，1980年12月生，西南石油大学教授，博士生导师，《沉积学报》青年编委。主要从事沉积学和地球化学教学与研究。目前研究主要集中在华南中二叠世古气候古海洋与生物灭绝事件、暗色沉积岩有机质富集机理以及层序岩相古地理等方面。

严德天，男，1977年12月生，中国地质大学（武汉）教授，博士生导师。主要从事沉积学、沉积地球化学和盆地分析等方面的教学和科研工作；目前主要研究方向为重大地质事件与有机质富集机制、细粒沉积岩沉积—成岩作用以及构造—层序—沉积耦合关系研究等。

陈代钊，男，1963年4月生，中国科学院地质与地球物理研究所研究员（兼中国科学院大学岗位教授），博士生导师。主要从事沉积学（特别是海相碳酸盐岩、细粒碎屑岩以及硅质岩沉积学）和沉积地球化学的基础理论和应用研究；对南方泥盆系碳酸盐岩沉积学、旋回—层序地层与台—盆演化，扬子、塔里木地块震旦系—下古生界碳酸盐沉积相与沉积演化，深层—超深层白云岩储层发育与保持机制，古生代重要地质时期（E?C，O?S，F?F，P）古海洋环境与生物协同演化以及有机质富集机理开展过系统研究。曾主持多项国家自然科学基金委员会项目（面上、重点）和大型企业委托项目，参加多项国家重大基础研究项目（973 或重点研发项目）和国家（油气）重大专项的研究工作；现主持重点基金项目“晚泥盆世生态危机与跨圈层耦合作用”。中国矿物岩石地球化学学会沉积学专业委员会和中国地质学会沉积地质专业委员会委员，Facies 杂志副主编，《沉积学报》等期刊编委，在Science Advances， Nature Communications， Geology， Earth and Planetary Science Letters，Sedimentology 等国内外学术刊物发表论文130 余篇（其中第一或通信作者SCI 期刊论文50 余篇，H?index = 35，被引4 000 余次）。

碳是地球上最重要的元素，也是生命的基础元素，它与地球演化、生命起源、气候变迁和资源利用等密切相关。碳酸盐岩与富有机质（泥状）岩均是重要的富“碳”沉积（岩），其规模化沉积（聚集）会造成碳的大规模封存及全球碳循环异常，进而造成地球气候、海洋环境、生态及生命过程的异常响应，影响地球的宜居性与可持续性；但二者的环境效应是不同的。

碳酸盐岩是自然界中重碳酸钙溶液过饱和引发沉淀而形成的，或者是通过玄武岩和橄榄岩的碳酸盐化作用而形成［1］。沉积碳酸盐岩是地球表层碳酸盐矿物的主要存在形式。碳酸盐岩具有快速溶解反应动力学过程，通过消耗大气或土壤CO2，在地质时间尺度上调节大气CO2浓度，在地球表层形成碳酸盐岩—水—气（CO2）—土—生的岩溶碳循环过程（岩溶动力系统）［2］。全球碳酸盐岩广泛分布，出露面积约2 200×104 km2［3］。在漫长的地质历史中，这些沉积碳酸盐岩和蚀变洋壳中的碳酸盐大部分可能随板块俯冲作用循环进入深部地幔［4］，并引起壳—幔组成物质的物理性质和化学组成变化［5］。在地幔楔内，碳酸盐岩由于富水流体的注入而发生分解，使得流体富CO2注入上覆地层，CO2被移除并以碳酸盐矿物沉积下来［6?8］。目前研究推测碳酸盐化的弧前地幔是长期碳库，可能发生熔融，通过火山喷发输出大量CO2［9?10］。这是一个缓慢却持续不断地影响大气二氧化碳浓度进而调控地球气候的过程。这一过程作为地球碳循环的“缓冲器”，协助调节了大气二氧化碳含量，揭示了地球内部与外部环境之间微妙而深刻的联系，为我们理解地球宜居条件的维持提供新视角［11?12］。

富有机质页岩广泛沉积于地质历史的各个时期，作为地球演化过程中的重要碳汇，是碳循环研究关注的重要对象；同时，富有机质页岩较好地记录了地质历史时期的重大生物—环境—地质事件，也是认识地球气候、环境和生命曲折演化的重要载体［13?14］。沉积有机质的堆积有赖于水体营养水平、含氧水平以及有机质接受分解的时间长短等条件变化［15］。而这些条件的变化与沉积环境的变化密切相关，特别是沉积环境的剧变经常引起营养水平输入的突变以及古水体含氧水平的突然下降，例如海平面与体系域的变化［16?17］、大型不整合界面、构造裂陷深水相记录的热液活动以及极热事件强陆地风化作用等［18］。营养物质输入促进浮游生物繁荣形成的有机质是沉积物有机质堆积富集的基础。沉积有机质的超常富集（有机碳含量介于5 wt. %～6 wt.%）一般形成于富营养化水体［19?20］。超高的初级生产力在提高有机质分解耗氧过程中降低了水体总体氧的含量，即使水体存在源源不断的氧输入以保持水体暂时性氧输入，但是这些输入的氧最终被有机质分解而消耗完毕。水体中氧的动态平衡过程能维持底部生态系统较为健康的运行与发展，该过程常记录在富含底栖动物的油页岩等富碳沉积物中，特别是钙质泥岩或水平层理泥灰岩。即使在分层缺氧的环境中，维持较高的有机质通量也需要增强营养物质的重复利用与循环［21］。沉积物在缺氧环境下硫酸盐还原分解有机质与氧化环境下喜氧分解有机质的数量是相等的［22?23］，说明缺氧环境下有机质的有利保存并不是通过降低细菌分解有机质的能力，而是通过其他的途径。低生产力水平背景下硫化或铁化缺氧环境有机质富集的实例分析表明，有机质的硫化是实现缺氧环境大量保存有机质的重要途径［24］，即通过提高有机质埋藏的比例而不是降低细菌分解能力进而富集有机质。在有机质埋藏比例通常低于1% 初级生产力的条件下，该途径是实现有机质超常富集的有效方式。

碳酸盐岩可以作为重要的油气储集体或沉积—层控矿床的容矿层，而富有机质岩常作为油气烃源岩或自生自储的非常规油气储集体，具有优异的资源（或能源）效应。本专辑聚焦这些深时富“碳”沉积，介绍通过沉积学（包括沉积相分析）、沉积地球化学等方法的综合约束，恢复碳酸盐岩沉积和/或成岩（流体）环境、富有机质岩石形成的异常海洋—气候背景，揭示地质时间尺度内的岩石圈—生物圈—水圈—大气圈之间的碳循环过程，并为“富碳”类岩石的资源潜力评估提供理论依据。本专辑收集的13 篇论文从上述几个方面对碳酸盐岩以及富有机质沉积岩进行了论述。张力钰等［25］分析晚泥盆世弗拉—法门（F?F）转折期古海洋特征，发现快速气候波动引起大陆风化作用增强会造成浅海的富营养化，形成较高初级生产力进而导致海洋缺氧。李娟等［26］和葛小瞳等［27］均认为陆源的输入对有机质堆积有较为重要的影响，前者认为存在正反两方面的影响，而后者认为在上二叠统富碳页岩中是正面的影响。韦恒叶等［28］通过层序地层学和元素地球化学的约束，发现上二叠统有机质超常富集主要形成于广旺—开江—梁平海槽快速发展和高潮稳定时期，裂陷槽形成过程中热液活动和陆地风化带来营养物质是有机质富集的主控因素。而热液活动也同样记录在中二叠统孤峰组黑色硅质岩中，很可能是该时期有机质富集的主控因素之一［29］。刘牧等［30］研究藏北羌塘盆地上侏罗统索瓦组红色灰岩成因时发现，该时期浅海存在较多的陆源物质输入，同时富含他形赤铁矿，这或许是羌塘盆地索瓦组发育油页岩的重要原因之一。魏小松等［31］利用自然伽马曲线分析天文轨道旋回变化，并据此重构相对海平面变化，认为下寒武统牛蹄塘组有机质富集与相对海平面变化没有相关性，这可能与海平面的升与降均对营养物质的输入有较大影响有关。朱柏宇等［32］将沉积微相与元素地球化学相结合，推测准噶尔盆地芦草沟组富有机质深湖相泥岩形成于较高初级生产力水平以及富氧的环境。王丹［33］、唐攀等［34］、丁一等［35］以及郭川等［36］从层序、白云岩沉积环境成因以及古地理格局方面论述了沉积环境对碳酸盐沉积非均质性的空间控制作用以及对上下富有机质页岩形成的启示。孙鹏等［37］从沉积有机质烃源岩的油源对比出发，重建了富碳烃源岩的沉积环境。

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