冰碛岩地球化学特征示踪大陆地壳组成及风化作用

摘要

冰碛岩是上地壳重要组成岩石，是冰川与其刮取的冰碛物在地表或浅海沉积固结成岩形成的岩石，具有分布范围广，化学风化作用弱，分选差等特点。而且冰碛岩在地质历史时期广泛发育，可以追溯到2.9Ga前，除新生代冰期外，地质历史时期还发育中太古代（~2.9Ga）、古元古代（2.4~2.2Ga）、新元古代（750~550Ma）和古生代（450Ma和300Ma）四期冰川沉积。由于这些特点，冰川沉积物被认为可以作为限定大陆地壳组成的有效岩石，并为评估大陆地壳组成的时间演化提供可能性。因此，深入分析冰碛岩化学风化信号，以评估冰碛岩限定大陆地壳组成的有效性显得至关重要。在此基础之上，运用冰碛岩示踪陆壳组成及风化作用演化，并从中提取有用的古气候、古环境信息具有很关键性的前沿意义。 本研究冰碛岩样品取自北美、南美、南非、中国南部和北极格陵兰岛五个地区，涵盖了太古代、古元古代、新元古代、古生代和新生代五个地质时代。本论文主要包括三个方面的研究内容：第一，运用锂同位素组成（δ7Li）、化学蚀变指数（CIA）、锶亏损指数（Sr/Sr*）、Th/U值和钼亏损指数（Mo/Mo*），评估冰碛岩中发育的化学风化信号；第二，综合风化指标（δ7Li、Sr/Sr* 和CIA）和铅同位素证据，深入分析化学风化信号来源；第三，冰碛岩示踪上地壳组成及风化强度的时间演化。 大部分冰碛岩的化学蚀变指数（CIA）高于火成岩，锂同位素值（-3.9-+3.5）低于地幔来源的新鲜玄武岩(+3.7 ±2，2σ)，几乎所有的冰碛岩样品强烈亏损Sr元素，较低的δ7Li通常伴随着较高的CIA和较低的Sr/Sr*（Sr亏损指数）。这些特征均指示古冰碛岩样品中发育强烈的化学风化信号。 冰碛岩中普遍发育的化学风化信号可能来源于冰碛岩沉积前、沉积过程中或沉积后：可能继承冰碛岩沉积形成之前的大陆地壳化学风化信号；记录冰碛岩搬运、沉积过程中产生的化学风化信号；指示冰碛岩沉积后发生的后期风化作用。冰碛岩一般是水下沉积，在海平面下沉积后通常会被立即掩埋，几乎有很少的机会发生地表后期风化作用，冰碛岩野外露头和岩心剖面中也没有发现古土壤层（后期风化作用最明显、典型的证据）。三个冰碛岩剖面（Nantuo组野外露头、Timeball Hill组和Duitschland组岩心）δ7 Li、CIA和Sr/Sr*值自下而上的变化特征表明：Nantuo组和Duitschland组风化指标沿剖面没有系统性变化；Timeball Hill组剖面自下而上CIA值升高，Sr/Sr*降低，指示该组发育一定程度的后期风化作用。但综合考虑，即使是剖面最下方不易受后期风化作用影响的冰碛岩样品仍显示很强的化学风化信号，且该剖面的δ7Li 值在误差范围内保持一致，并未显示出系统性变化。我们认为冰碛岩中的化学风化信号主要不是来源于后期化学风化作用。格陵兰岛现代海洋冰碛沉积物发育较低的CIA和Th/U值，相对较高的δ7Li 值，中度Sr亏损，指示冰碛岩沉积过程中几乎没有发生化学风化作用。此外，铅同位素特征分析、Th/U测量值与时间积分值对比研究，也表明冰碛岩中的Th/U信号来自源区。因此，冰碛岩中普遍发育的化学风化信号主要是来源于冰碛岩沉积之前刮取的大陆地壳物质。 得出化学风化信号来自源区的结论后，就可以利用冰碛岩示踪上地壳组成及风化作用的演化。冰碛岩的常量元素、微量元素等地球化学特征，受源区控制明显，可以反映上地壳源区组成特征。其中，过渡金属元素记录地壳从太古代和早古元古代的基性、超基性岩为主，演变为到早古元古代之后以酸性岩石为主。除太古代具更低的δ7Li 均值外，冰碛岩示踪的上地壳 δ7Li 均值从古至今无显著变化，而锂元素浓度却显示上升的趋势。古元古代之后升高的Th/U值和普遍发育的钼亏损现象，共同指示源区强烈的氧化风化信号，与大气中氧气含量从太古代至今升高的趋势相符。Duitschland组冰碛岩发现的钼亏损和高Th/U值，暗示大氧化事件（GOE）之前可能已经存在氧气上升-下降的波动事件。笔者汇总了前人对页岩、黄土等细粒沉积物CIA和δ7Li值的研究结果，结合本研究冰碛岩样品，对较老年龄组（包括太古代和古元古代）地壳组成岩石（冰碛岩和页岩）和较年轻年龄组（古元古代之后）地壳组成岩石（冰碛岩、页岩和黄土）的风化作用指标进行了学生t检验，数值分析结果表明两个年龄组的化学风化强度具有显著差异。将冰碛岩、页岩和黄土的所有数据点（CIA、δ7Li和Th/U值）投点到时间轴上，得出大陆地壳风化强度从太古代至今是一个下降的趋势，表明太古代和古元古代地壳经历了更强烈的化学风化作用，指示了太古代的气候状态为温暖、潮湿，土壤可能以酸性为主。

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