“富碳”沉積巖發育機制及其碳循環意義

特約主編

韋恒葉，男，1980年12月生，西南石油大學教授，博士生導師，《沉積學報》青年編委。主要從事沉積學和地球化學教學與研究。目前研究主要集中在華南中二疊世古氣候古海洋與生物滅絕事件、暗色沉積巖有機質富集機理以及層序巖相古地理等方面。

嚴德天，男，1977年12月生，中國地質大學（武漢）教授，博士生導師。主要從事沉積學、沉積地球化學和盆地分析等方面的教學和科研工作；目前主要研究方向為重大地質事件與有機質富集機制、細粒沉積巖沉積—成巖作用以及構造—層序—沉積耦合關系研究等。

陳代釗，男，1963年4月生，中國科學院地質與地球物理研究所研究員（兼中國科學院大學崗位教授），博士生導師。主要從事沉積學（特別是海相碳酸鹽巖、細粒碎屑巖以及硅質巖沉積學）和沉積地球化學的基礎理論和應用研究；對南方泥盆系碳酸鹽巖沉積學、旋回—層序地層與臺—盆演化，揚子、塔里木地塊震旦系—下古生界碳酸鹽沉積相與沉積演化，深層—超深層白云巖儲層發育與保持機制，古生代重要地質時期（E?C，O?S，F?F，P）古海洋環境與生物協同演化以及有機質富集機理開展過系統研究。曾主持多項國家自然科學基金委員會項目（面上、重點）和大型企業委托項目，參加多項國家重大基礎研究項目（973 或重點研發項目）和國家（油氣）重大專項的研究工作；現主持重點基金項目“晚泥盆世生態危機與跨圈層耦合作用”。中國礦物巖石地球化學學會沉積學專業委員會和中國地質學會沉積地質專業委員會委員，Facies 雜志副主編，《沉積學報》等期刊編委，在Science Advances， Nature Communications， Geology， Earth and Planetary Science Letters，Sedimentology 等國內外學術刊物發表論文130 余篇（其中第一或通信作者SCI 期刊論文50 余篇，H?index = 35，被引4 000 余次）。

碳是地球上最重要的元素，也是生命的基礎元素，它與地球演化、生命起源、氣候變遷和資源利用等密切相關。碳酸鹽巖與富有機質（泥狀）巖均是重要的富“碳”沉積（巖），其規模化沉積（聚集）會造成碳的大規模封存及全球碳循環異常，進而造成地球氣候、海洋環境、生態及生命過程的異常響應，影響地球的宜居性與可持續性；但二者的環境效應是不同的。

碳酸鹽巖是自然界中重碳酸鈣溶液過飽和引發沉淀而形成的，或者是通過玄武巖和橄欖巖的碳酸鹽化作用而形成［1］。沉積碳酸鹽巖是地球表層碳酸鹽礦物的主要存在形式。碳酸鹽巖具有快速溶解反應動力學過程，通過消耗大氣或土壤CO2，在地質時間尺度上調節大氣CO2濃度，在地球表層形成碳酸鹽巖—水—氣（CO2）—土—生的巖溶碳循環過程（巖溶動力系統）［2］。全球碳酸鹽巖廣泛分布，出露面積約2 200×104 km2［3］。在漫長的地質歷史中，這些沉積碳酸鹽巖和蝕變洋殼中的碳酸鹽大部分可能隨板塊俯沖作用循環進入深部地幔［4］，并引起殼—幔組成物質的物理性質和化學組成變化［5］。在地幔楔內，碳酸鹽巖由于富水流體的注入而發生分解，使得流體富CO2注入上覆地層，CO2被移除并以碳酸鹽礦物沉積下來［6?8］。目前研究推測碳酸鹽化的弧前地幔是長期碳庫，可能發生熔融，通過火山噴發輸出大量CO2［9?10］。這是一個緩慢卻持續不斷地影響大氣二氧化碳濃度進而調控地球氣候的過程。這一過程作為地球碳循環的“緩沖器”，協助調節了大氣二氧化碳含量，揭示了地球內部與外部環境之間微妙而深刻的聯系，為我們理解地球宜居條件的維持提供新視角［11?12］。

富有機質頁巖廣泛沉積于地質歷史的各個時期，作為地球演化過程中的重要碳匯，是碳循環研究關注的重要對象；同時，富有機質頁巖較好地記錄了地質歷史時期的重大生物—環境—地質事件，也是認識地球氣候、環境和生命曲折演化的重要載體［13?14］。沉積有機質的堆積有賴于水體營養水平、含氧水平以及有機質接受分解的時間長短等條件變化［15］。而這些條件的變化與沉積環境的變化密切相關，特別是沉積環境的劇變經常引起營養水平輸入的突變以及古水體含氧水平的突然下降，例如海平面與體系域的變化［16?17］、大型不整合界面、構造裂陷深水相記錄的熱液活動以及極熱事件強陸地風化作用等［18］。營養物質輸入促進浮游生物繁榮形成的有機質是沉積物有機質堆積富集的基礎。沉積有機質的超常富集（有機碳含量介于5 wt. %～6 wt.%）一般形成于富營養化水體［19?20］。超高的初級生產力在提高有機質分解耗氧過程中降低了水體總體氧的含量，即使水體存在源源不斷的氧輸入以保持水體暫時性氧輸入，但是這些輸入的氧最終被有機質分解而消耗完畢。水體中氧的動態平衡過程能維持底部生態系統較為健康的運行與發展，該過程常記錄在富含底棲動物的油頁巖等富碳沉積物中，特別是鈣質泥巖或水平層理泥灰巖。即使在分層缺氧的環境中，維持較高的有機質通量也需要增強營養物質的重復利用與循環［21］。沉積物在缺氧環境下硫酸鹽還原分解有機質與氧化環境下喜氧分解有機質的數量是相等的［22?23］，說明缺氧環境下有機質的有利保存并不是通過降低細菌分解有機質的能力，而是通過其他的途徑。低生產力水平背景下硫化或鐵化缺氧環境有機質富集的實例分析表明，有機質的硫化是實現缺氧環境大量保存有機質的重要途徑［24］，即通過提高有機質埋藏的比例而不是降低細菌分解能力進而富集有機質。在有機質埋藏比例通常低于1% 初級生產力的條件下，該途徑是實現有機質超常富集的有效方式。

碳酸鹽巖可以作為重要的油氣儲集體或沉積—層控礦床的容礦層，而富有機質巖常作為油氣烴源巖或自生自儲的非常規油氣儲集體，具有優異的資源（或能源）效應。本專輯聚焦這些深時富“碳”沉積，介紹通過沉積學（包括沉積相分析）、沉積地球化學等方法的綜合約束，恢復碳酸鹽巖沉積和/或成巖（流體）環境、富有機質巖石形成的異常海洋—氣候背景，揭示地質時間尺度內的巖石圈—生物圈—水圈—大氣圈之間的碳循環過程，并為“富碳”類巖石的資源潛力評估提供理論依據。本專輯收集的13 篇論文從上述幾個方面對碳酸鹽巖以及富有機質沉積巖進行了論述。張力鈺等［25］分析晚泥盆世弗拉—法門（F?F）轉折期古海洋特征，發現快速氣候波動引起大陸風化作用增強會造成淺海的富營養化，形成較高初級生產力進而導致海洋缺氧。李娟等［26］和葛小瞳等［27］均認為陸源的輸入對有機質堆積有較為重要的影響，前者認為存在正反兩方面的影響，而后者認為在上二疊統富碳頁巖中是正面的影響。韋恒葉等［28］通過層序地層學和元素地球化學的約束，發現上二疊統有機質超常富集主要形成于廣旺—開江—梁平海槽快速發展和高潮穩定時期，裂陷槽形成過程中熱液活動和陸地風化帶來營養物質是有機質富集的主控因素。而熱液活動也同樣記錄在中二疊統孤峰組黑色硅質巖中，很可能是該時期有機質富集的主控因素之一［29］。劉牧等［30］研究藏北羌塘盆地上侏羅統索瓦組紅色灰巖成因時發現，該時期淺海存在較多的陸源物質輸入，同時富含他形赤鐵礦，這或許是羌塘盆地索瓦組發育油頁巖的重要原因之一。魏小松等［31］利用自然伽馬曲線分析天文軌道旋回變化，并據此重構相對海平面變化，認為下寒武統牛蹄塘組有機質富集與相對海平面變化沒有相關性，這可能與海平面的升與降均對營養物質的輸入有較大影響有關。朱柏宇等［32］將沉積微相與元素地球化學相結合，推測準噶爾盆地蘆草溝組富有機質深湖相泥巖形成于較高初級生產力水平以及富氧的環境。王丹［33］、唐攀等［34］、丁一等［35］以及郭川等［36］從層序、白云巖沉積環境成因以及古地理格局方面論述了沉積環境對碳酸鹽沉積非均質性的空間控制作用以及對上下富有機質頁巖形成的啟示。孫鵬等［37］從沉積有機質烴源巖的油源對比出發，重建了富碳烴源巖的沉積環境。

參考文獻（References）

[1] Kelemen P B， Matter J， Streit E E， et al. Rates and mechanisms of mineral carbonation in peridotite： Natural processes and recipes for enhanced， in"situ CO2 capture and storage[J]. Annual Review of Earth and Planetary Sciences， 2011， 39： 545-576.

[2] 吳慶，郭永麗，肖瓊，等. 碳酸鹽巖默默地獻身于“雙碳”目標[J]. 中國礦業，2022，31（增刊1）：215-216，243. [Wu Qing， Guo Yongli， Xiao Qiong，et al. Carbonates devote themselves to the target of “Double Carbon” silently[J]. China Mining Magazine， 2022， 31（Suppl. 1）： 215-216， 243. ]

[3] 袁道先. 現代巖溶學和全球變化研究[J]. 地學前緣，1997，4（1/2）：17-25. [Yuan Daoxian. Modern karstology and global change study[J]. Earth"Science Frontiers， 1997， 4（1/2）： 17-25. ]

[4] Thomsen T B， Schmidt M W. Melting of carbonated pelites at 2. 5-5. 0 GPa， silicate-carbonatite liquid immiscibility， and potassium-carbon metasomatism of the mantle[J]. Earth and Planetary Science Letters， 2008， 267（1/2）： 17-31.

[5] Tsuno K， Dasgupta R， Danielson L， et al. Flux of carbonate melt from deeply subducted pelitic sediments： Geophysical and geochemical implications"for the source of Central American volcanic arc[J]. Geophysical Research Letters， 2012， 39（16）： L16307.

[6] Piccoli F， Vitale Brovarone A， Beyssac O， et al. Carbonation by fluid-rock interactions at high-pressure conditions： Implications for carbon cycling in"subduction zones[J]. Earth and Planetary Science Letters， 2016， 445： 146-159.

[7] Okamoto A， Oyanagi R， Yoshida K， et al. Rupture of wet mantle wedge by self-promoting carbonation[J]. Communications Earth amp; Environment，2021， 2（1）： 151.

[8] 李曙光，汪洋，劉盛遨. 大地幔楔的兩個深部碳循環圈：差異及宜居效應[J]. 地學前緣，2024，31（1）：15-27. [Li Shuguang， Wang Yang， Liu"Sheng’ao. Two modes of deep carbon cycling in a big mantle wedge： Differences and effects on Earth’s habitability[J]. Earth Science Frontiers，2024， 31（1）： 15-27. ]

[9] Gorman P J， Kerrick D M， Connolly J A D. Modeling open system metamorphic decarbonation of subducting slabs[J]. Geochemistry， Geophysics，Geosystems， 2006， 7（4）： Q04007.

[10] Mason E， Edmonds M， Turchyn A V. Remobilization of crustal carbon may dominate volcanic arc emissions[J]. Science， 2017， 357（6348）： 290-294.

[11] Li S G， Yang W， Ke S， et al. Deep carbon cycles constrained by a large-scale mantle Mg isotope anomaly in eastern China[J]. National Science Review，2017， 4（1）： 111-120.

[12] Farsang S， Louvel M， Zhao C S， et al. Deep carbon cycle constrained by carbonate solubility[J]. Nature Communications， 2021， 12（1）： 4311.

[13] 張興亮. 海洋惰性溶解有機碳庫與海侵黑色頁巖[J]. 科學通報，2022，67（15）：1607-1613. [Zhang Xingliang. Marine refractory dissolved organic"carbon and transgressive black shales[J]. Chinese Science Bulletin， 2022， 67（15）： 1607-1613. ]

[14] 謝樹成，羅根明，朱宗敏. 地球表層系統對深部圈層時空演變的影響[J]. 科學通報，2024，69（2）：149-159. [Xie Shucheng， Luo Genming， Zhu"Zongmin. Surface system impact on the spatiotemporal evolution of deep Earth[J]. Chinese Science Bulletin， 2024， 69（2）： 149-159. ]

[15] Sageman B B， Murphy A E， Werne J P， et al. A tale of shales： The relative roles of production， decomposition， and dilution in the accumulation of"organic-rich strata， Middle-Upper Devonian， Appalachian Basin[J]. Chemical Geology， 2003， 195（1/2/3/4）： 229-273.

[16] Langrock U， Stein R， Lipinski M， et al. Paleoenvironment and sea-level change in the Early Cretaceous Barents Sea： Implications from near-shore marine"sapropels[J]. Geo-Marine Letters， 2003， 23（1）： 34-42.

[17] Harris N B， McMillan J M， Knapp L J， et al. Organic matter accumulation in the Upper Devonian Duvernay Formation， western Canada sedimentary"basin， from sequence stratigraphic analysis and geochemical proxies[J]. Sedimentary Geology， 2018， 376： 185-203.

[18] Schulte P， Schwark L， Stassen P， et al. Black shale formation during the Latest Danian Event and the Paleocene-Eocene Thermal Maximum in central"Egypt： Two of a kind？[J]. Palaeogeography， Palaeoclimatology， Palaeoecology， 2013， 371： 9-25.

[19] Curiale J A， Gibling M R. Productivity control on oil shale formation： Mae Sot Basin， Thailand[J]. Organic Geochemistry， 1994， 21（1）： 67-89.

[20] Brasier M D. Fossil indicators of nutrient levels. 1： Eutrophication and climate change[M]//Bosence D W， Allison P A. Marine palaeoenvironmental"analysis from fossils. Geological Society Special Publication， 1995： 113-132.

[21] van Cappellen P， Ingall E D. Redox stabilization of the atmosphere and oceans by phosphorus-limited marine productivity[J]. Science， 1996， 271（5248）： 493-496.

[22] J?rgensen B B. Mineralization of organic matter in the sea bed： The role of sulphate reduction[J]. Nature， 1982， 296（5858）： 643-645.

[23] Canfield D E. Sulfate reduction and oxic respiration in marine sediments： Implications for organic carbon preservation in euxinic environments[J].Deep Sea Research Part A. Oceanographic Research Papers， 1989， 36（1）： 121-138.

[24] Hodgskiss M S W， Sansjofre P， Kunzmann M， et al. A high-TOC shale in a low productivity world： The Late Mesoproterozoic Arctic Bay Formation，Nunavut[J]. Earth and Planetary Science Letters， 2020， 544： 116384.

[25] 張力鈺，陳代釗，劉康. 弗拉—法門轉折期氣候—海洋環境變化及生物危機成因探討[J]. 沉積學報，2024，42（3）：723-737. [Zhang Liyu， Chen"Daizhao， Liu Kang. Paleoclimatic and paleo-oceanic environment evolution in the Frasnian-Famennian transition： Potential causes of the biotic crisis[J]. Acta Sedimentologica Sinica， 2024， 42（3）：723-737. ]

[26] 李娟，陳雷，胡月，等. 滇黔北昭通地區晚奧陶世—早志留世黑色頁巖地球化學特征及其地質意義[J]. 沉積學報，2024，42（3）：738-756. [Li"Juan， Chen Lei， Hu Yue， et al. Element geochemical characteristics and their geological significance of Late Ordovician-Early Silurian black shale in"Zhaotong area of northern Yunnan and Guizhou[J]. Acta Sedimentologica Sinica， 2024， 42（3）：738-756. ]

[27] 葛小瞳，汪遠征，陳代釗，等. 川東北地區二疊紀晚期古海洋環境與有機質富集[J]. 沉積學報，2024，42（3）：757-773. [Ge Xiaotong， Wang Yuanzheng，Chen Daizhao， et al. Marine redox environment and organic accumulation in northeastern Sichuan Basin during the Late Permian[J]. Acta Sedimentologica Sinica， 2024， 42（3）：757-773. ]

[28] 韋恒葉，胡諜，邱振，等. 川北—鄂西上二疊統富有機巖沉積與地球化學特征[J]. 沉積學報，2024，42（3）：774-798. [Wei Hengye， Hu Die， Qiu Zhen， et al. Sedimentological and geochemical characteristics of Late Permian organic-rich rocks in north Sichuan and West Hubei provinces[J]. Acta Sedimentologica Sinica， 2024， 42（3）：774-798. ]

[29] 鄒怡，韋恒葉. 下揚子中二疊統孤峰組熱液硅質巖地球化學約束及其意義[J]. 沉積學報，2024，42（3）：799-811. [Zou Yi， Wei Hengye. Geochemical"constraints on the hydrothermal chert of the Kuhfeng Formation in the Middle Permian in the Lower Yangtze and its significance[J]. Acta Sedimentologica"Sinica， 2024， 42（3）：799-811. ]

[30] 劉牧，季長軍，黃元耕，等. 羌塘盆地索瓦組碳酸鹽巖紅層成因和環境意義[J]. 沉積學報，2024，42（3）：812-822. [Liu Mu， Ji Changjun， Huang Yuangeng，et al. Coloration and environmental significance of the marine red bed from the Sowa Formation carbonate in the Qiangtang Basin[J]. Acta"Sedimentologica Sinica， 2024， 42（3）：812-822. ]

[31] 魏小松，嚴德天，龔銀，等. 鄂西—黔南地區下寒武統頁巖旋回地層學研究[J]. 沉積學報，2024，42（3）：823-838. [Wei Xiaosong， Yan Detian，Gong Yin， et al. Cyclostratigraphic analysis of the Lower Cambrian shales in western Hubei and southern Guizhou[J]. Acta Sedimentologica Sinica，2024， 42（3）：823-838. ]

[32] 朱柏宇，印森林，郭海平，等. 陸相混合細粒巖沉積微相及其對甜點的控制作用：以吉木薩爾凹陷蘆草溝組為例[J]. 沉積學報，2024，42（3）：839-856. [Zhu Baiyu， Yin Senlin， Guo Haiping， et al. Continental sedimentary microfacies distribution of mixed fine-grained rocks and its controlling effect"on sweet spots[J]. Acta Sedimentologica Sinica，2024， 42（3）：839-856. ]

[33] 王丹. 塔北、塔中地區寒武系—奧陶系白云巖多成因模式[J]. 沉積學報，2024，42（3）：857-876. [Wang Dan. Geochemical characteristics and origins"of the Cambrian-Ordovician dolomites in northern and central Tarim Basin[J]. Acta Sedimentologica Sinica， 2024， 42（3）：857-876. ]

[34] 唐攀，汪遠征，李雙建，等. 塔里木盆地西北部震旦系—寒武系不整合面成因：來自沉積學的證據[J]. 沉積學報，2024，42（3）：877-891. [Tang"Pan， Wang Yuanzheng， Li Shuangjian， et al. Genesis of the Sinian-Cambrian unconformity in the northwestern Tarim Basin： Evidence from sedimentology[J]. Acta Sedimentologica Sinica，2024， 42（3）：877-891. ]

[35] 丁一，劉樹根，文龍，等. 中上揚子地區震旦紀燈影組沉積期碳酸鹽巖臺地古地理格局及有利觸及相帶分布規律[J]. 沉積學報，2024，42（3）：928-943. [Ding Yi， Liu Shugen， Wen Long， et al. Paleogeographic pattern of the carbonate platform in the middle-upper Yangtze area during the deposition"of the Ediacaran Dengying Formation and distribution pattern of the reservoir facies [J]. Acta Sedimentologica Sinica， 2024， 42（3）：928-943. ]

[36] 郭川，張維圓，付勇，等. 黔北地區下奧陶統沉積相與層序特征[J]. 沉積學報，2024，42（3）：892-911. [Guo Chuan， Zhang Weiyuan， Fu Yong， et al.Depositional facies and sequence stratigraphy of the Lower Ordovician successions in northern Guizhou province[J]. Acta Sedimentologica Sinica，2024， 42（3）：892-911. ]

[37] 孫鵬，楊海風，王飛龍，等. 生物降解作用對原油稀土元素的響應：以渤海灣盆地渤中坳陷廟西凹陷為例[J]. 沉積學報，2024，42（3）：912-927.[Sun Peng， Yang Haifeng， Wang Feilong， et al. Response of rare earth elements in crude oil to biodegradation： A case from the Miaoxi Sag， Bohai Bay"Basin[J]. Acta Sedimentologica Sinica，2024， 42（3）：912-927. ]