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殷皓铭,July 22, 2022
中元古代古风化壳调研——隋佩珊
富含氧气是地球有别于太阳系其他行星的本质特征之一, 也被认为是各种复杂生命诞生并不断演化的关键.。在地球45.5亿年的演化历史中，有两个关键的增氧时期，分别是古元古代早期(2.45~2.10Ga)和新元古代晚期(0.80~0.54Ga)的两次大氧化事件。其中第一次增氧事件被认为是来自于进行产氧光合作用的原核细菌(蓝细菌)的产氧贡献，第二次增氧事件则对应了真核生物的辐射。而在两次增氧事件之间则是地球在构造、气候、环境等方面都经历的一个较为平静的时期——Boring Billion。
在这一时期, 1.8~0.8Ga期间的碳酸盐岩碳同位素记录较为稳定, 与GOE、NOE时期的剧烈振荡形成鲜明对比，而且0 . 8 G a 之前的真核生物演化似乎也陷入“停滞。1.8~0.8Ga的长期低氧环境(大气氧含量<1%PAL)成为国际学术界的普遍认知, 被认为是限制真核生物演化的核心要素。
华北克拉通在古元古代晚期(约1.85Ga), 内部和边缘出现强烈伸展运动，因此，在其内部和边缘地区发生了一系列的沉积作用。在北部燕辽盆地中元古界沉积物自下而上主体可划分为以碎屑岩为主的长城系、以碳酸盐岩为主的蓟县系、以细碎屑岩为主的下马岭组。其中在高于庄组、铁岭组、下马岭组沉积时期, 都发现有大气-海洋明显氧化的证据, 计算出的大气氧含量已在4%PAL之上, 显著高于Cole等(2016)所提出的1%PAL和Planavsky等(2014)提出的0.1%PAL阈值。
下马岭组的岩性主要为砂岩，页岩和硅质岩，底部一段为古风化壳、砂岩和杂色泥页岩,含海绿石砂岩和铁质沉积。最近的研究把下马岭组分为6个单元，第二第三单元TOC含量较高，第五第六单元比较富集Fe。在第六单元底部则发育了古风化壳。第三单元拥有较高氧含量的记录，主要的证据是Mo、U的富集和V的亏损。研究认为，该地区沉积环境是类似于OMZ下部的弱氧化环境。而在一般OMZ环境中，6价V会被吸附到Mn氧化物上进入到沉积物中，而随着Mn的还原性溶解，V回到水体中；而如果水体是还原的，V进一步还原成4价V又进入到沉积物中。这会造成V,MO,U在沉积物中的共同富集；只有当底层水被氧化时, V才有可能存在于水体中而不被沉淀下来, 造成沉积物中V相对的亏损。此处的研究根据TOC的含量15wt%建立模型估算大气氧含量3.8-6.2% PAL。第一单元中较高的I/(Ca+Mg)比值表明当时底层水为轻微氧化的。前人根据IO3-的含量推测当时大气氧气水平>6-9% PAL。
铁岭组是现今保留的蓟县纪, 也是华北中元古代的最后一次大规模碳酸盐岩沉积。其主要岩性为滨浅海相潮间带及潮下带灰岩和白云岩，夹少量碎屑岩。目前在铁岭组的研究中，已经有人用I/(Ca+Mg) 高达2.72 umol mol-1，氧含量 > 4%PAL。卫老师也利用偏正的δ53Cr推测当时大气氧含量 > 1%PAL。
在这下马岭组和铁岭组之间是一段古风化壳。它是岩石圈、大气圈、水圈以及生物圈之间相互作用的界面，能够直接记录风化壳形成时期的古环境和古气候。根据原岩的岩性，古风化壳可分为花岗岩风化壳、玄武岩风化壳和碳酸盐岩风化壳。根据风化的淋滤程度，古风化壳可分为碎屑型风化壳、硅铝型风化壳、粘土型风化壳和砖红壤型风化壳。目前对于古风化壳的研究已经有了很大的进展。比如利用Fe，Ce元素，C-O同位素研究古大气分压；利用O同位素研究古生代-新生代古降水量、古温度；利用次生矿物的K-Ar，Ar-Ar 的定年研究；利用古风化壳中稳定的Al、Fe、稀土元素的富集研究铝土矿、稀土矿、铁矿床；利用碳酸盐岩风化壳的溶洞、裂隙研究油气储藏；利用古风化壳的沉积间断的标志作用进行地层对比。
隋佩珊师妹的样品主要源自河北涞水紫石口剖面和天津蓟县剖面。为铁岭组与下马岭组之间的富Fe的古风化壳，年代在1.4Ga左右，原岩主要为铁岭组沉积的滨浅海碳酸盐岩。盐酸盐岩风化壳的特点是碳酸岩矿物快速溶蚀，体积较小；岩-土界面分界线清晰；界限处岩性、地球化学特征发生显著变化。
紫石口剖面的原岩是铁岭组泥晶白云岩，古风化壳的主要岩性是泥岩，粘土岩，粉砂岩，发育褐铁矿，粘土矿物（伊利石）。蓟县剖面的原岩是铁岭组泥晶灰岩，主要岩性与紫石口剖面一致。
这两个剖面中，原岩与古风化壳过渡处，元素含量发生剧烈变化，碳酸岩风化作用的典型特征。从主量元素的风化淋滤程度上来分析，紫石口古风化壳与蓟县古风化壳相同，都为典型的粘土含量高、中等－强烈淋滤程度，脱硅、富铝铁化的风化壳，属红壤型风化壳，二者都未达到热带气候下充分风化淋滤才能形成的砖红壤型风化壳的风化程度。
师妹后续的研究目标就是利用这两个剖面的样品来探讨V元素及其同位素在古风化壳中的地球化学行为，并且利用V同位素对中元古时期的氧含量水平进行制约。
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