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        科學研究

        楊濤:蘇門答臘俯沖前緣深海沉積物中膠黃鐵礦形成機理研究: 濁流與生物擾動的調控作用【JGR-SE,2022】
        2022-12-07 閱讀:1040

        膠黃鐵礦(Fe3S4)屬于鐵硫尖晶石,具有較強的亞鐵磁性。在厭氧沉積環境中,膠黃鐵礦通常被認為是黃鐵礦化不完全的中間產物,其形成通常涉及復雜的生物地球化學過程,包括有機質碎屑硫酸鹽還原或甲烷厭氧氧化以及鐵(氫)氧化物還原。其中,鐵(氫)氧化物(尤其是磁鐵礦)還原溶解是膠黃鐵礦形成所需鐵的最主要來源。由此可見,膠黃鐵礦的形成往往以犧牲鐵氧化物為代價,這將導致沉積物原始磁性記錄被部分甚至完全改造。此外,理論上只要存在所需的溶解鐵和硫化氫,膠黃鐵礦在整個成巖過程的各個階段均有可能形成且被長期保存下來;目前在埃迪卡拉至全新世地層中均有膠黃鐵礦出現的報道。這些將使含膠黃鐵礦沉積物磁學記錄變得非常復雜。因此,深入理解膠黃鐵礦形成的途徑和時間是解決含膠黃鐵礦沉積物(古)磁記錄可靠性的關鍵,對古地磁學和環境磁學研究至關重要。

        在位于蘇門答臘俯沖前緣的國際大洋發現計劃(IODP) 362航次U1480站位沉積物(上部約1310 m為尼科巴扇沉積)中發現,經過強烈生物擾動的濁流沉積層中含有大量膠黃鐵礦,并導致沉積物呈現高磁化率異常(圖1)。為了理解這些膠黃鐵礦的成因機制及對沉積物剩磁記錄可靠性的影響,我校地球物理與信息技術學院楊濤教授及其合作者選取部分代表樣品(1103.8–1108.8 m),通過系統的巖石磁學(包括磁滯回線、一階反轉曲線-FORC、熱磁分析和低溫磁性測量等;圖2)和古地磁分析,以及配套樣品掃描電鏡和能譜分析(SEM/EDS)、電子探針、總有機碳和總氮含量分析、磁選礦物的X射線衍射分析和SEM/EDS分析,取得了以下發現和認識:

        1)磁化率峰值通常出現在濁流沉積層頂部受生物擾動最為強烈的層位,并且伴隨大量粗顆粒膠黃鐵礦(可達50~75 μm;圖3)的出現。這些膠黃鐵礦可能是迄今報道的顆粒最粗的天然膠黃鐵礦。

        2)沉積物中粗顆粒膠黃鐵礦為濁流和生物強烈擾動共同調控下形成(圖4):伴隨濁流沉積,大量有機質進入海底,原始穩態沉積條件被破壞。強烈的生物擾動有利于上部沉積物中有機質、Fe氧化物和硫酸鹽向下遷移;與此同時,孔隙水中HS-Fe2+向上遷移,當在沉積物-水界面附近遇O2會再次氧化形成新的Fe氧化物和硫酸鹽。這些將會導致有機質、Fe氧化物和硫酸鹽以及HS-Fe2+在濁流沉積頂部的富集。接踵而至的濁流沉積會快速埋藏先前的濁流沉積層,在前一濁流沉積層頂部形成封閉的且富含有機質、Fe氧化物和硫酸鹽以及HS-Fe2+的環境。在該封閉環境中,有機質降解驅動的硫酸鹽和鐵的還原將會進一步造成HS-Fe2+一定程度的過飽和,為大量FeS的形成創造了有利條件。當HS-相對Fe2+供應不足時, FeS不能完全向黃鐵礦轉化, 大量粗顆粒的膠黃鐵礦將被保存下來,導致沉積物磁性的顯著增強。這可能代表了一種新的膠黃鐵礦形成途徑。

        3)通過樣品交變退磁和熱退磁分析發現,這些含膠黃鐵礦沉積物較好地記錄了沉積同期的古地磁場信息,可以為相關古地磁和環境磁學研究提供可靠的磁學記錄。

        4)由于大量膠黃鐵礦的出現,這些被生物強烈擾動的濁流沉積含有相當高含量的FeS元素,對全球Fe-C-S循環研究具有重要的啟示。全球其他類似的巨型沉積扇(如剛果扇、孟加拉扇和印度扇通常也伴有高有機質輸入,濁流沉積廣泛發育,且自寒武至奧陶紀早期以來,廣泛受到生物擾動的影響。因此,由濁流和生物擾動共同調控的膠黃鐵礦在這些巨型扇沉積物中也可能廣泛存在,對其沉積物中FeS的生物地球化學循環具有重要的影響。同時也表明,巖石磁學可為全球Fe-C-S循環研究提供一種有效手段。

         


        1 IODP 362航次站位分布圖以及U1480站位巖心巖性和磁化率隨深度變化圖

         


        2 代表巖心樣品巖石磁學特征

        MSS為高磁化率異常樣品,Host sediments為圍巖;圖a-e為磁滯回線,圖f-jFORC圖,圖k-o為熱磁曲線


         

        3  代表巖心樣品SEM照片,顯示大量粗顆粒膠黃鐵礦(Gr)的出現

         

         


        4  濁流與生物擾動共同調控下膠黃鐵礦形成與保存過程的概念模型

         

        上述成果近期發表在國際地學專業期刊Journal of Geophysical ResearchSolid Earth上:Tao Yang, Mark J. Dekkers, Xixi Zhao, Katerina E. Petronotis, and Yu-Min Chou (2022). Greigite formation modulated by turbidites and bioturbation in deep-sea sediments offshore Sumatra. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 127, e2022JB024734.

        論文日前被選為亮點論文,AGU會刊EOS (Earth & Space Science News)Editors’ Highlights專欄對該論文進行了報道與介紹(網址:https://eos.org/editor-highlights/new-mechanism-for-giant-greigite-growth-in-deep-sea-sediments。

        全文鏈接:https://doi.org/10.1029/2022JB024734

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