华南扬子地区南沱组和陡山沱组镁同位素研究：对新元古代全球冰期结束机制的制约

Methane release hypothesis and snowball earth hypothesis are two controversial hypothesis for explaining the termination of Neoproterozoic global glaciations. Their considerable debate focus on the greenhouse gas that is methane or carbon dioxide. The snowball earth hypothesis proposed that an accumulation of CO2 in atmosphere led to the global warming and an extreme chemical weathering during deglaciation. Chemical weathering therefore has key role in testing the snowball earth hypothesis and resolving the origin of cap carbonate, which is considered as the products of snowball termination. In South China, Nantuo and Doushantuo formations are one of best depositional records at the late Neoproterozoic Marinoan glaciation in the world. In this study, Mg isotopic composition of siliciclatic material in the Nantuo and Doushantuo formations in combination with mineralogical and elemental compositions are going to be used to rebuild the intensity of chemical weathering during termination of Marinoan glaication. Our results may provide new constrain on the mechanism of termination of the Neoproterozoic ice ages and the origin of cap carbonate.

对新元古代全球冰期结束机制一直存在争议，目前的解释主要有甲烷成因和雪球地球假说。它们争论的焦点是当时导致气温升高的温室气体是甲烷还是二氧化碳。大气二氧化碳的大量累积导致强烈的化学风化作用和盖帽碳酸盐岩的沉积是雪球地球假说的核心。因此，新元古代全球冰期结束时是否发生强烈的化学风化作用是检验雪球地球假说和揭示盖帽白云岩成因的关键。我国华南扬子地区完整保存了新元古代Marinoan全球冰期结束时的沉积记录南沱组和陡山沱组。本项目拟对贵州铜仁地区坝黄剖面的南沱组和陡山沱组中的碎屑沉积组分进行详细的矿物学、元素地球化学以及镁同位素分析，重建Marinoan全球冰期结束过程的化学风化强度变化特征，为新元古代全球冰期结束机制以及盖帽碳酸盐岩与大陆风化作用之间的成因联系提供制约。

项目对我国贵州省铜仁地区成冰系沉积地层进行了详细的沉积学和岩石学研究，在此基础上测试分析了南沱组沉积岩和陡山沱组盖帽碳酸盐岩中陆源碎屑组分的镁同位素组成。研究结果显示，南沱组上部地层镁同位素组成(δ26Mg)显著的正偏，而之上沉积的陡山沱组的镁同位素组成逐渐降低并接近正常上地壳的平均组成。由于陆源碎屑组分的镁同位素组成变化主要受控于化学风化作用强度，随风化作用强调增强镁同位素组成逐渐变重，所以南沱组出现显著的镁同位素(δ26Mg)正漂移指示在Marinoan冰期结束过程中经历了强烈的化学风化作用，进一步验证了雪球地球假说。然而，与雪球地球假说预测不同，盖帽碳酸盐岩沉积时并没有发生强烈的化学风化作用，表明盖帽碳酸盐岩沉积发生在全球冰期结束之后。通过定量模拟计算显示，全球冰期结束过程大陆风化作用消耗了约99%的大气CO2，使得海水pH从酸性逐渐升高达到碳酸盐岩沉积的范围，是导致盖帽碳酸盐岩在全球范围发生沉积的主要原因。通过三年的研究，项目系统建立了利用沉积岩碎屑组分镁同位素组成示踪古化学风化作用的方法。据此恢复了新元古代全球冰期结束过程中化学风化作用，为解决“雪球地球”事件的结束机制提供了新的制约。研究成果从另一个角度验证了新元古代全球冰期结束时具有极高的大气CO2浓度，经历了强烈的化学风化作用，有效的加深了对地球系统如何应对一种极端气候环境并恢复到新的平衡状态的认识。