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王嘉炜,March 31, 2022
利用鄂尔多斯湖相烃源岩重建三叠纪湖盆磷循环演化特征
鄂尔多斯盆地北起阴山、大青山，南抵陇山、黄龙山、桥山，西至贺兰山、六盘山，东达吕梁山、太行山，总面积37万平方公里，是我国第二大盆地。在中晚三叠世期间，勉略洋壳向南秦岭板块下俯冲并最终碰撞，秦岭造山带隆升。板块俯冲伴随着强烈的火山活动，
同期秦岭北部的鄂尔多斯盆地也受到了勉略洋壳俯冲的影响。盆地构造格局、沉积环境开始发生重大变化。盆地西南部陡坡地形出现，强烈拗陷，并发育冲积扇、扇三角洲沉积体系， 此时，湖盆面积和水体都达到鼎盛。同时，前人对中晚三叠纪古环境恢复表明，该时期盛行的古季风主要为南西至北东方向，可以将大量火山灰吹向鄂尔多斯盆地。
该时期鄂尔多斯盆地发育二叠—三叠生物大灭绝后全球最早且最广泛的湖相富机质烃源岩层系，具有异常高有机质含量。TOC含量最高可达30%以上，在我国陆相盆地中十分特殊。系内发育大量页岩油资源，是我国第一个百万吨整装页岩油示范区。因此，鄂尔多斯盆地有机质高度富集的机理研究，示踪有机质富集与页岩油成烃过程有重要的科学意义，丰富我国陆相页岩油气地质理论
大量发育的烃源岩反映了鄂尔多斯盆地在该时期有着旺盛的初级生产力。有关于火山活动促进生产力的繁盛，我们可以找到一些现代证据。2018年，夏威夷基拉韦厄火山爆发，释放了大量火山喷发物到周围的海里，造成了大量的浮游植物和海藻的疯狂生长，造成了海藻超级水华。
前人对此的研究仅仅限于火山活动输送营养物质以及造成的贫氧环境有利于有机质的生成和保存，并未对其机理进行深入探讨。因此，本工作得科学问题就是从机理上明确火山活动对鄂尔多斯湖盆的营养盐输送和生产力的影响历史是怎样的，以及营养盐循环的扰动是否影响了富有机质烃源岩的形成或保存？
有机质富集是生物与环境相互作用、协同演化的结果，反映地球生态系统初级生产力繁盛到有机质埋藏再到长期保存3个关键阶段的地质生物过程。磷被认为是现代及早期水体中关键的限制性营养元素，即磷的含量和地表循环通量决定了水体生物初级生产力水平。水体中的磷主要来源于陆地风化和河流输入，因此，磷循环也是连接地质过程和生命演化的关键。地表水中磷的地球化学行为也受生命活动、水体化学以及矿物吸附等多种因素控制，并形成多种多样的磷组分。了解沉积物中磷成分的组成以及含量，有助于我们重建磷循环的演化特征，并且厘清磷在地球-生命协同演化过程中发挥的重要作用。
然而，由于长期以来缺乏一种有效手段从古老沉积岩中获取磷的信息，限制了对鄂尔多斯盆地晚三叠纪磷循环的研究，特别是其与火山活动的关系。19年，Simon Poulton课题组对92年的现代沉积物样品的磷组分连续提取的经典方法做出了改进用于古老样品的磷组分提取。可以提取的磷组分包括：Fe结合磷、自生碳酸盐氟磷灰石（生物磷灰石,CaCO3伴生磷）、结晶磷灰石、磁铁矿结晶磷、铁矿物晶格磷以及有机磷。其中将生物可以利用的磷称为生物活性磷，包括：铁磷、自生磷灰石以及有机磷三种。事实上，自生碳酸盐岩氟磷灰石在深埋藏和变质过程中可能转化为结晶程度更好的磷灰石（即Reactive P向Detrital P的转换），因此我们得到的活性磷为总活性性磷库(Reactive P)的最小估计值。通过对活性磷的研究，可以得到古环境的生物活动以及初级生产力的信息。
本工作选择鄂尔多斯盆地延长组长7段为研究对象。由于其烃源岩的有机质含量最高，TOC含量可达30%以上；页岩层系发育多套岩性组合，主体以大段泥页岩夹砂岩为主，同时以夹多层凝灰岩为其重要特征。多套火山凝灰岩指示地质历史时期频繁的火山活动，为研究火山活动对有机质的生成与保存提供了典型的研究对象。而在其中选取的最底部的长73亚段，是是全盆地主力优质烃源层， 同时也是凝灰岩最发育的层段。
对该段的总磷、磷组分和TOC研究结果显示：不同磷组分在下层基本一致，而在上层出现显著差异；活性磷组分含量与TOC在上层呈反相关，而在下层呈正相关。
对于这种变化趋势的形成原因，我们可以提出一些猜想。对于下层正相关变化趋势：初级生产力较低时活性磷的沉积累计速率较低，有机碳沉积较少；当初级生产力提高，在浅水相相对氧化的环境中有机质基本不发生降解，TOC和活性磷的沉积基本同步。而对于下层的反相关变化趋势：有机质大量向水底沉降，首先在还相对氧化水底发生降解，释放出PO43-，PO43-被Fe吸附沉淀以及形成碳酸盐氟磷灰石沉淀，使得活性磷的累计增加，有机质沉积较少；该过程逐渐使水底转变为缺氧环境，当有机质向水底沉积时，有机质中的磷在缺氧-硫化环境中会被释放，活性磷的沉积反而会发生减少，有机质保存增加；同时缺氧水体不断扩大，使浅水相也转变为缺氧，发生发生有机质沉降和P的释放。而在地质历史上，是否确实发生过水深和水体氧化还原环境的变化，还需要更多地质信息和地球化学指标的制约。
在补充了氧化还原指标（如Mo同位素、Fe组分、微量元素等）分析，深水环境剖面磷组分数据对照、磷组分的同步辐射分析数据以及反映火山活动的镜下分析和Hg/TOC指标后，该工作将能更好地揭示鄂尔多斯盆地磷循环和受控于磷循环的生产力发展的历史，以及火山活动在该地区生产力发展和烃源岩发育中起到的作用。
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