磁性矿物还原成岩作用述评_刘健VIP免费

2000年11月海洋地质与第四纪地质Vol.20,No.4第20卷第4期MARINEGEOLOGY&QUATERNARYGEOLOGYNov.,2000磁性矿物还原成岩作用述评刘健(国土资源部海洋地质研究所,青岛266071)摘要:许多海洋-湖泊环境中的沉积物受到还原成岩作用的影响发生磁性颗粒的溶解和自生现象。根据最近二十多年的研究成果,简要介绍了磁性矿物发生还原成岩作用的基本过程、产物和控制因素,成岩作用对沉积物地球化学和磁学特征的改变,成岩自生亚铁磁性铁硫化物的磁学特征以及成岩作用对古地磁和环境磁学记录的影响。关键词:磁性矿物;成岩作用;还原环境;铁硫化物中图分类号:P539.3文献标识码:A文章编号:0256-1492(2000)04-0103-05在过去几十年里,海洋和湖泊沉积序列的古地磁和岩石磁学研究一直是了解沉积物年龄、地球磁场方向和强度的长期变化、古气候和古环境变化的重要手段之一[1～3]。然而,这种研究结果的真实性是以沉积物的后生变化可以忽略不计为前提的。最近二十多年的研究表明,在海洋和湖泊环境中沉积的磁性矿物,普遍受到沉积后还原成岩作用的影响,从而导致沉积物原始磁学特性的改变[4,5]。因此,磁性矿物的后生成岩作用正受到地学界前所未有的关注,本文就这一领域的研究现状作一简要评述。1成岩作用的基本进程与控制因素在水下环境,沉积物中有机质的早期成岩是导致磁性矿物发生还原成岩作用的主要机制。有机质分解的全过程是在微生物(细菌)的控制下,首先利用孔隙水中溶解的O2发生氧化作用;随着O2消耗殆尽,按照使每摩尔被氧化有机碳自由能量变化从高到低的顺序,先后进行硝酸盐、锰(Mn4+)氧化物、铁(Fe3+)氧化物和硫酸盐的还原作用;最后,进入有机质的发酵和沼气化阶段[6]。现代低氧(suboxic)区海底沉积物的顶层从上至下一般显示棕—棕褐—绿(brown-tan-green)的颜色带,代表了上述成岩反应:表层棕色带通常发生氧化作用、硝酸盐还原作用和MnO2的沉淀;中间棕褐色过渡带发生Mn4+的基金项目:国家自然科学基金资助项目(49976012)作者简介:刘健(1965—),男,在读博士生,副研究员,从事海洋地质和环境磁学研究,E-mail:qdimg@public.qd.sd.cn收稿日期:2000-05-18张光威编辑还原作用和Fe2+的氧化作用;最下面绿色带发生铁氧化物的还原作用[7]。有机质分解的各阶段并不总是被全部完成,其进程在很大程度上取决于有机质的供给。在有机质含量较低的沉积物中,成岩过程可能只包括从氧化作用到铁氧化物还原作用的早期阶段;而在富含有机质的沉积物中,成岩过程能够进入硫酸盐还原作用阶段。在铁氧化物还原阶段,碎屑成因的亚铁磁性铁氧化物(如磁铁矿)按粒级先小后大的顺序有选择性地被溶解[7],即细小磁颗粒(超顺磁和小的单畴)的溶解要优先于较大的磁颗粒。Robinson等(2000)[8]的研究还表明,这种还原溶解作用对斜交反铁磁性的颗粒(如赤铁矿)影响甚微。铁氧化物遭溶解所释放的Fe3+离子则被还原成Fe2+。在硫酸盐还原阶段,Fe2+与H2S反应形成铁硫化物序列。沉积物中的H2S主要是通过细菌利用有机质作为还原剂对孔隙中所溶解的硫酸盐进行还原作用产生的。在形成铁硫化物序列的还原反应中,从水溶液中最先出现的是四方硫铁镍矿(Mackinawite),其分子式近似为FeS0.9,然后可依次形成磁黄铁矿(包括六方晶系的Fe11S12～Fe9S10和单斜的Fe7S8)、胶黄铁矿(Fe3S4)和黄铁矿(FeS2)[9]。与黄铁矿相比,其它几种铁硫化物是不稳定的,它们与硫(S)进一步反应最终形成还原条件下最稳定的黄铁矿,所以硫酸盐还原作用实际上是黄铁矿化的过程。其中间(过渡)产物如磁黄铁矿、胶黄铁矿,已多次在遭受过成岩变化的泥质沉积物中被发现[10～12]。据推断,这可能是由于泥质沉积物的渗透性低,还原反应过程中可利用的H2S在与Fe2+充分反应形成黄铁矿之前即被消耗[9]。沉积物中铁硫化物的形成数量取决于以下3个主要因素[9]:溶解硫酸盐的多少;有机物的含量;铁氧化物的含量和化学活动性。前两个因素决定沉积物孔隙水中H2S的含量,而第三个因素相对次要,因为正常海洋/湖泊沉积物中大都有较充足的铁氧化物。一般而言,沉积物孔隙水中的H2S含量越高,滞留时间越长,那么被转化成黄铁矿的铁氧化物(碎屑成因的)就越多。在正常海洋环境中,底层水是含氧的,但沉积物接近水界面处的溶解氧在细菌氧化...