从古生代开始,海水的Mg/Ca比随地质年代变化出现了较大的变化,在“方解石海”时期,海水的Mg/Ca比(摩尔比)小于2,沉淀的海洋非生物骨骼碳酸盐矿物主要为低镁方解石和高镁方解石;而在“文石海”时期,海水的Mg/Ca比大于2,沉淀的海洋非生物骨骼碳酸盐矿物以高镁方解石或文石为主。现代海洋正处于“文石海”时期(Mg/Ca≈5.2),陆架和陆坡海底发育的非生物骨骼碳酸盐矿物主要是文石和高镁方解石。最近在墨西哥湾海底多个站位发现大量以低镁方解石为主(在碳酸盐组分中可达100%)的碳酸盐岩,然而,这些低镁方解石是否是原生沉淀,它们是如何形成的?这些问题还有待解决。论文系统研究了墨西哥湾五个站位一Ship Shoal296(简称SS296;水深65米)、Green Canyon53(简称GC53;水深189米)、Garden Banks260(简称GB260;水深460米)、Garden Banks697(简称GB697;水深1281米)和Alaminos Canyon601(简称AC601;水深2340米)一发育的低镁方解石,通过岩石学、元素和同位素地球化学方法,在验证了它们是原生沉淀的基础上,阐明了低镁方解石的地质地球化学特征,揭示了低镁方解石的成因机制。 文石和高镁方解石在海底或埋藏过程中会转变为更稳定的低镁方解石或白云石,因此在利用低镁方解石的地球化学特征恢复流体来源和沉淀过程研究前,有必要确定这些矿物是否为原生沉淀。我们挑选了典型的低镁方解石样品开展了岩石学和元素地球化学研究,发现低镁方解石主要为泥微晶矿物,呈凝灰结构;部分位置存在填充裂隙和孔隙的微亮晶方解石,其中孔隙周围的微亮晶呈环带结构,两类结构均为自生碳酸盐矿物的原生结构。而且,微观观察没有发现明显的矿物转变形成的形态和结构。低镁方解石的Sr和Mn含量与现代原生高镁方解石相近,而且不存在成岩方解石中显示的继承文石的高Sr,低Mn含量,不存在文石转变的痕迹。微区元素分布特征中,低镁方解石具有较均一的Sr、Mn元素分布特征,不显示出成岩低镁方解石具有的继承文石或高镁方解石的元素特征的现象,而且也没有发现明显的成岩流体改造的痕迹。因此,我们认为墨西哥湾的低镁方解石是原生沉淀的,可以用于恢复其形成流体和沉淀过程。而微区元素分析的方法具有相比溶液元素分析方法更加直观和精细的优势,该方法也可以用于古代低镁方解石的原生性的判定。 GB260、GB697和AC601三个站位的低镁方解石样品在岩石学上显示出烃类渗漏影响的痕迹,如胶结有软体动物壳体,部分孔隙中存在充填的沥青质物质。它们显示与富烃渗漏卤水一致的高Sr、Ba元素含量和富集18O的特点,而卤水也满足低镁方解石沉淀的低Mg/Ca比的条件。结合各个站位的样品的87Sr/86Sr比值,我们认为低镁方解石的沉淀流体分别来自经历了盐溶过程的新生代和中生代的地层流体。低镁方解石样品中提取出的有机质相比现代海洋沉积物中有机质具有偏负的δ13Corg值,显示了富12C的渗漏油气的贡献。而广泛变化的无机碳δ13C值则显示低镁方解石的碳源主要是渗漏的甲烷和原油以及产甲烷作用残余的CO2,此外还可能存在海水和有机质降解的溶解无机碳贡献。海底烃类渗漏活动在清洁能源和气候变化研究方面具有重要意义,而高盐卤水被认为是海底生命生存的最极端环境之一,其微生物和生物地球化学过程研究可能为研究地球早期生命和星外生命的提供新的思路。因此,这类富烃卤水环境沉淀的低镁方解石在古环境、地球早期生命和星外生命研究方面具有重要意义。 富烃卤水渗漏环境可以沉淀出自生低镁方解石,那么是否存在贫烃卤水环境的低镁方解石?SS296和GC53站位的低镁方解石样品呈致密块状,与烃类成因的低镁方解石在形态和结构上具有明显的差异,没有显示明显渗漏烃类环境影响的痕迹。低镁方解石中提取的有机质显示与海洋有机质相近的δ13Corg值,并且δ13Corg值相对烃类渗漏碳酸盐岩中提取的有机质明显偏高。低镁方解石样品的无机碳同位素则整体偏正接近有机质降解形成或海水的溶解无机碳的δ13C值,这些碳同位素组成特征显示,SS296和GC3站位的低镁方解石没有受到富12C的渗漏油气的影响,碳源主要为有机质降解形成和海水的溶解无机碳。这些低镁方解石显示低Sr、Ba元素含量和高Fe、Mn元素含量的特征,显示与贫烃卤水一致的元素富集特征,此外其类似烃类成因的低镁方解石的87Sr/86Sr比值也反映了其与盐层之间的关系,而贫烃卤水也具有低Mg/Ca比的流体组成,满足低镁方解石的沉淀的必要条件。结合两个站位存在的下伏盐底辟和卤水渗漏现象,我们认为SS296和GC53站位的低镁方解石形成于贫烃的卤水环境。而两个站位样品的迥异的氧同位素(明显偏负或偏正)和叠锥结构的出现则显示低镁方解石的流体是受到盐溶影响的蒸发残余流体和大气水。 贫烃环境低镁方解石与烃类成因低镁方解石沉淀与相似的低Mg/Ca比卤水,但是地球化学过程和环境记录上则显示出明显差异,二者在地球化学上的差异可以为识别地质历史时期的烃类渗漏沉积物提供新的思路。贫烃环境低镁方解石与烃类成因碳酸盐岩的稀土元素配分模式、黄铁矿含量及其硫同位素值上均不存在明显差异,均存在硫酸盐还原作用形成的高黄铁矿含量和高黄铁矿硫同位素值。不同的是,烃类渗漏碳酸盐岩显示出更广泛的Ce异常特征和更高的Mo、U元素含量,显示烃类渗漏的间歇性导致的氧化还原的剧烈变化和烃类渗漏导致的甲烷硫酸盐界面变浅及其引起的海水Mo、U的供给效率的增高。 研究在初步论证了低镁方解石原生性的基础上,揭示了墨西哥湾低镁方解石的形成环境和沉淀过程,识别出了两类不同类型的低镁方解石,并对比了它们的环境记录的异同。文石海的低镁方解石可能普遍存在于盐底劈和盐溶流体渗漏发育的大陆边缘中,而地层中也同样可能出现类似的盐溶流体成因的古代低镁方解石,我们获得的地质地球化学的特征可以为识别现代和古代地层的低镁方解石及其沉积环境提供参考。