中国科学家发表大洋钻探新成果:揭示深海沉积物中胶黄铁矿的形成机理

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所属分类:研究成果

近日,国际地学专业期刊Journal of Geophysical Research:Solid Earth发表了中国地质大学(北京)地球物理与信息技术学院杨涛教授及其合作者基于IODP 362航次的最新成果:“Greigite formation modulated by turbidites and bioturbation in deep-sea sediments offshore Sumatra”。 

胶黄铁矿(Fe3S4)属于铁硫尖晶石,具有较强的亚铁磁性。在厌氧沉积环境中,胶黄铁矿通常被认为是黄铁矿化不完全的中间产物,其形成通常涉及复杂的生物地球化学过程,包括有机质碎屑硫酸盐还原或甲烷厌氧氧化以及铁(氢)氧化物还原。其中,铁(氢)氧化物(尤其是磁铁矿)还原溶解是胶黄铁矿形成所需铁的最主要来源。由此可见,胶黄铁矿的形成往往以牺牲铁氧化物为代价,这将导致沉积物原始磁性记录被部分甚至完全改造。此外,理论上只要存在所需的溶解铁和硫化氢,胶黄铁矿在整个成岩过程各个阶段均有可能形成且被长期保存;目前在埃迪卡拉至全新世地层中均有胶黄铁矿出现的报道。这些将造成含胶黄铁矿沉积物磁学记录非常复杂。因此,深入理解胶黄铁矿形成的途径和时间是解决含胶黄铁矿沉积物(古)磁记录可靠性的关键,对古地磁学和环境磁学研究至关重要。

中国科学家发表大洋钻探新成果:揭示深海沉积物中胶黄铁矿的形成机理

图1 IODP 362航次站位分布图以及U1480站位岩心岩性和磁化率随深度变化图

研究团队对位于苏门答腊俯冲前缘的国际大洋发现计划(IODP) 362航次U1480站位沉积物(上部约1310 m为尼科巴扇沉积)分析发现,经过强烈生物扰动的浊流沉积层中含有大量胶黄铁矿,并导致沉积物呈现高磁化率异常(图1)。为了理解这些胶黄铁矿的成因机制及对沉积物剩磁记录可靠性的影响,研究团队选取部分代表样品(1103.8–1108.8 m),通过系统的岩石磁学(包括磁滞回线、一阶反转曲线-FORC、热磁分析和低温磁性测量等;图2)和古地磁分析,以及配套样品扫描电镜和能谱分析(SEM/EDS)、电子探针、总有机碳和总氮含量分析、磁选矿物的X射线衍射分析和SEM/EDS分析,取得了以下发现和认识: 

中国科学家发表大洋钻探新成果:揭示深海沉积物中胶黄铁矿的形成机理

图2 代表岩芯样品岩石磁学特征。MSS为高磁化率异常样品,Host sediments为围岩;图a-e为磁滞回线,图f-j为FORC图,图k-o为热磁曲线

(1)磁化率峰值通常出现在浊流沉积层顶部受生物扰动最强烈的层位,并且伴随大量粗颗粒胶黄铁矿(可达50~75 μm;图3)的出现。这些胶黄铁矿可能是迄今报道中颗粒最粗的天然胶黄铁矿。 

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图3  代表岩芯样品SEM照片,显示大量粗颗粒胶黄铁矿(Gr)的出现

(2)沉积物中粗颗粒胶黄铁矿为浊流和生物强烈扰动共同调控下形成(图4):伴随浊流沉积,大量有机质进入海底,原始稳态沉积条件被破坏。强烈的生物扰动有利于上部沉积物中有机质、Fe氧化物和硫酸盐向下迁移;与此同时,孔隙水中HS-和Fe2+向上迁移,当在沉积物-水界面附近遇O2会再次氧化形成新的Fe氧化物和硫酸盐。这些将会导致有机质、Fe氧化物和硫酸盐以及HS-和Fe2+在浊流沉积顶部富集。接踵而至的浊流沉积会快速埋藏先前的浊流沉积层,在前一浊流沉积层顶部形成封闭且富含有机质、Fe氧化物和硫酸盐以及HS-和Fe2+的环境。在该封闭环境中,有机质降解驱动的硫酸盐和铁还原将会进一步造成HS-和Fe2+一定程度发生过饱和,为形成大量FeS创造了有利条件。当HS-相对Fe2+供应不足时, FeS不能完全向黄铁矿转化, 大量粗颗粒的胶黄铁矿将被保存下来,导致沉积物磁性显著增强。这可能代表了一种新的胶黄铁矿形成途径。

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图4  浊流与生物扰动共同调控下胶黄铁矿形成与保存过程的概念模型

(3)通过样品交变退磁和热退磁分析发现,这些含胶黄铁矿沉积物较好地记录了沉积同期的古地磁场信息,可为相关古地磁和环境磁学研究提供可靠磁学记录

(4)由于大量胶黄铁矿出现,这些被生物强烈扰动的浊流沉积含有相当高含量的Fe和S元素,对全球Fe-C-S循环研究具有重要启示。全球其他类似的巨型沉积扇(如刚果扇、孟加拉扇和印度扇等)中通常也伴有高有机质输入,浊流沉积广泛发育,且自寒武纪晚期至奥陶纪早期以来,广泛受生物扰动影响。因此,浊流和生物扰动共同调控的胶黄铁矿在这些巨型扇沉积物中也可能广泛存在,对其沉积物中Fe和S生物地球化学循环具有重要影响。同时也表明,岩石磁学可为全球Fe-C-S循环研究提供有效手段

论文第一作者和通讯作者为中国地质大学(北京)杨涛教授,南方科技大学赵西西教授为共同通讯作者。上述论文日前被选为亮点论文,AGU会刊EOS (Earth & Space Science News)在Editors’ Highlights专栏对该论文进行了报道与介绍(网址:https://eos.org/editor-highlights/new-mechanism-for-giant-greigite-growth-in-deep-sea-sediments)。

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.

原文链接:Greigite Formation Modulated by Turbidites and Bioturbation in Deep‐Sea Sediments Offshore Sumatra - Yang - 2022 - Journal of Geophysical Research: Solid Earth - Wiley Online Library