紅色地層,簡稱紅層,因其顏色鮮豔而被地質學家所關注(圖 1),這種類型的地貌大家一定不陌生,如廣東丹霞山、江西龍虎山、甘肅五彩山以及美國大峽谷。如果你去過這些地方,肯定被這些紅色地貌所震撼,但是在地質學家眼中這些紅層還有一個共性,那就都是在陸地環境下的形成的。因為顯生宙以來才存在生命活動,同時大氣氧氣含量高,在陸地環境中含鐵礦物更容易分解和氧化,形成紅層。
要回答這個問題,需要了解一下海洋沉積物-水界面的氧化還原性質。海水中的溶解氧為氧化劑,而海水和沉積物中的有機質為還原劑。若有機質生產力高,過多的有機質在水中來不及完全氧化就被封存起來,在沉積物內就保持著還原條件,海洋裡的黑色頁巖就是這樣形成的。若有機質生產力低,有機質在沉積物中完全被氧化掉,沉積物-水界面則會保持著氧化條件,這就有利於氧化礦物的形成,現今太平洋紅色粘土就是在這種環境下形成的。紅色黏土形成於太平洋遠離大陸的深海區域,由風攜帶而來,堆積在沉積速率低(每千年沉積速率不到1毫米)的深海地區,這種環境下生物貧瘠、有機質生產力低,有機質很容易就降解。因此,陸地攜帶來的鐵在沉積物中主要以三價的形式存在,在成巖階段得以保存並致色。
自2002年始,由我國科學家領導的國際地球科學計劃IGCP463、494項目,把「白堊紀大洋紅層」(Cretaceous Oceanic Red Beds,CORB)作為其主要研究對象和科學目標,揭開了海相紅層研究的新篇章。雖然都是紅層,但是白堊紀大洋紅層明顯不同於陸相紅層和深海紅色粘土。那麼,它的特殊性究竟體現在哪裡呢?且聽我們娓娓道來。
灰巖,字面理解為灰色的巖石,事實上也確實如此,自然界裡絕大多數的灰巖以灰色色調為主。現今的海洋環境也從沒有發現過紅色的鈣質沉積,無論是碳酸鹽臺地,還是鈣質軟泥。然而,在白堊紀時期,紅色微晶灰巖廣泛出現,比比皆是,其中最有名為出現在義大利中部,被稱之為Scaglia Rossa組。Rossa在義大利語中為紅色,而Scaglia則為規則層狀的意思。
紅色灰巖顏色均一,呈規則層狀出現。野外觀察顯示,紅色灰巖的單層內部,顏色通常是不一致的。從底到頂,顏色從白色變到粉色,變化為紅色,這說明紅色是同沉積或早期成巖階段形成的。灰巖的物質來源主要是一些鈣質生物的鈣質骨骼部分或微晶,如浮遊有孔蟲、鈣質超微化石、翼足類殼等(圖 2),這些灰巖被劃分為粒泥灰巖(wackestone)。
圖1 大陸紅層典型地貌(紅色砂巖,江蘇句容赤山)和大洋紅層典型巖石(紅色灰巖,義大利Gubbio)圖源胡修棉
圖2 白堊紀大洋紅層的典型顯微照片(義大利Scagli Rossa粒泥灰巖),圖中具有房室結構且部分被亮晶充填的為浮遊有孔蟲(圖源胡修棉)
白堊紀大洋紅層在世界上分布廣泛,主要集中出現在特提斯海域,且在太平洋、大西洋及印度洋也有分布(Hu et al., 2005)。而在野外露頭剖面上,從西藏地區(圖3),向西跨越土耳其、喀爾巴阡、阿爾卑斯直至歐洲南部庇里牛斯半島,均有白堊紀大洋紅層的出露(胡修棉和王成善,2007)。
沉積學家根據古生態研究,發現以白堊紀紅色灰巖為代表的大洋紅層沉積古水深從幾百米到兩三千米不等(圖4)。其中,根據底棲有孔蟲古生態特徵,義大利大洋紅層古水深估計在一千米左右。
圖3 西藏江孜縣床得剖面白堊紀大洋紅層 (圖源胡修棉)
圖4 白堊紀大洋橫剖面圖,顯示大洋紅層出現的相對水深位置(據Wang et al., 2009修改)
研究者通過掃描電鏡、高解析度透射電子顯微鏡等儀器發現,義大利紅色灰巖致色的原因在於自生的赤鐵礦的存在。這些赤鐵礦呈納米級,主要出現在碳酸鹽顆粒的內部或顆粒間隙中,形成於沉積時或者早期沉積物-水界面交換時期,是底層水氧化條件的直接見證者。最初的礦物包括針鐵礦和赤鐵礦,在成巖階段針鐵礦發生脫水作用轉變為赤鐵礦。
大洋紅層中到底含有多少的鐵氧化物呢?有沒有辦法定量測定?研究人員選擇北大西洋ODP1049C孔紅色泥灰巖(尚未固結)(圖5),通過化學方法把鐵氧化物去除後這些泥灰巖無一例外呈現灰白色。然後逐步加入一定量的赤鐵礦、針鐵礦粉末,通過與巖石的光譜特徵進行比較,獲得這兩種礦物含量與光譜的對應關係。赤鐵礦的含量在0.13 ~0.82% (平均為0.51%), 針鐵礦的含量在0.22% ~0.81% (平均為0.58%)。也就是說,微量的鐵氧化物起著致色的關鍵作用。
圖5 北大西洋ODP1049C孔大洋紅層(圖源 IODP)
白堊紀大洋紅層持續沉積的地層厚度薄厚不均,指示其沉積時間的長短不一。鑽取的巖芯柱中可出現長達1m的連續紅層,也存在著僅有幾釐米的薄層紅層。根據年代地層限定的沉積持續時間尺度,科學家將大洋紅層分為兩種類型,一種是持續時間超過百萬年的長周期大洋紅層,而另一種是持續時間通常萬年尺度的短周期大洋紅層(Hu et al., 2006)。
通過定量統計全球白堊紀大洋紅層的時空分布,還發現一個非常有趣的現象:長周期白堊紀大洋紅層通常緊隨白堊紀大洋缺氧事件事件之後,如白堊紀早期的OAE1a、白堊紀中期的OAE2之後、白堊紀晚期的OAE3之後均發現大洋紅層,大洋紅層與大洋缺氧事件的黑色頁巖如影隨形。白堊紀大洋紅層從白堊紀早期到末期,其分布範圍逐漸增加,從區域性分布擴展為全球性分布,至晚白堊世達到高峰,,而且每一次大洋缺氧事件之後的紅層分布更加廣泛。這就非常有趣了,禍兮福所倚。紅與黑總是相伴出現。
大洋紅層形成的關鍵要素
大洋紅層的形成,需要滿足兩個條件。首先,需要鐵元素的存在;其次,需要適宜的氧化條件,將二價鐵離子氧化為三價鐵離子,使其從水體中沉澱並保存。此二者為白堊紀的「火紅」提供保障。從地質學角度來講,適宜的氧化條件主要由有機質堆積速率和底層溶解氧含量決定。在大洋紅層形成時,這兩種成因並非各自獨立,而是相輔相成,同時存在,不過往往會以其中一種成因佔主導(呂璇和劉志飛,2017)。由於河流輸入、火山噴發等原因,海水中的鐵元素並不缺乏,因而氧化條件是導致大洋紅層出現的關鍵成因要素。
現今開放大洋底層很少是缺氧的,主要在於大洋環流系統的存在。從高緯度帶來的富氧的冷水團源源不斷地輸入到大洋底層,但是儘管如此,這樣的洋流系統也不足以提供足夠的富氧的水體使沉積物變紅。因此,有學者提出,白堊紀時期兩極無永久冰蓋,其大洋環流系統可能完全不同於現今由兩極冰蓋存在而驅動的大洋環流系統。William W. Hay (2008)提出,白堊紀大洋紅層形成時的洋流系統很可能是一個低緯度高密度水團下沉驅動的富氧、高鹽度水團,不存在統一的洋流。
圖6 大洋環流系統(據William W. Hay, 2008 修改)
除白堊紀以外,早在約35.8億年前的太古代,地球上就首次出現了紅色的帶狀含鐵層(BIFS-banded iron formations),為地球上最早記錄的因鐵元素致色而形成的紅色沉積物。其後,則為5.8億年前的埃迪卡拉中期出現的全球分布的大洋紅層(MRB-Marine Red Bed)在。顯生宙以來,大洋紅層零星地出現在整個地質歷史時期中,分別在寒武紀、晚石炭世、早三疊世、侏羅紀和白堊紀,分別出現了五次全球性大洋紅層記錄(胡修棉,2013;Song et al., 2017)。
隨著對不同時期缺氧事件和富養事件研究的不斷深入,科學家們發現了大洋紅層與缺氧事件之間的耦合關係(Wang et al., 2011),即每一次大洋紅層事件的發生前都伴隨著一段時間的海洋缺氧。比如,埃迪卡拉中期的大洋紅層與深水氧化作用同步發生;寒武紀大洋紅層出現在早、中和晚寒武世大洋缺氧事件之後;晚泥盆世大洋缺氧事件結束之後才沉積大洋紅層。同樣,早三疊世、侏羅紀、白堊紀大洋紅層都在大洋缺氧事件終止後如雨後春筍般出現。這種在全球海洋缺氧事件後的廣泛分布大洋紅層的現象表明,缺氧、含鐵的水體條件是大洋紅層形成的先決條件。
圖7 義大利中部「黑紅轉變」野外照片(據Wang et al. , 2011修改)
通常來說,缺氧事件的發生觸發了一系列反饋機制。大氣中O2分壓增大,全球短暫變冷,海洋中形成冷深水,大洋循環加快,這些誘因使大洋溶解氧含量增多,逐漸形成富氧環境。有了充足的鐵元素供應和海洋中的富氧環境,大洋紅層便呼之欲出。大洋紅層是一種特殊的沉積類型,指沉積在海洋的遠洋、半遠洋環境下,在富氧條件下形成的一套以紅色-粉紅色-棕色顏色為主的、有機質極低的沉積物,是一種富氧事件的產物,代表著特殊的沉積類型。雖然大洋紅層的故事已經在地球海洋裡譜寫了幾億年,但其豐富的科學內涵還未完全為我們所了解,因此,它的故事還需要地質學家們更好地繼續傳唱下去。
本文第一作者胡修棉,系南京大學地球科學與工程學院教授。
本文屬作者本人的理解,欲知更多詳情,請閱讀文後原始文獻。
【1】Wang C S, Hu X M, Huang Y J, et al. 2009. Overview of Cretaceous Oceanic Red Beds (CORBs): a window on global oceanic and climate change. Cretaceous Oceanic Red Beds: Stratigraphy, Composition, Origins and Paleoceanographic and Paleoclimatic Significance: SEPM Special Publication, 91: 13-33.
【2】Hu, X.M.,Jansa, L., Sarti, M., 2006. Mid-Cretaceous oceanic red beds in the Umbria-Marche Basin, central Italy: Constraints on paleoceanography and paleoclimate. Palaeogeography Palaeo climatology Palaeoecology, 233, 163-186
【3】William W. Hay.2008.Evolving ideas about the Cretaceous climate and ocean circulation. Cretaceous Research, 29(5-6):725-753.
【4】Song H, Jiang G, Poulton S W, et al. 2017. The onset of widespread marine red beds and the evolution of ferruginous oceans. Nature Communications, 8(1):399.
【5】Wang C S, Hu X M, Huang Y J, et al. 2011. Cretaceous oceanic red beds as possible consequence of oceanic anoxic events. Sedimentary Geology, 235 (1-2): 27-37.
【6】胡修棉, 王成善. 2007. 白堊紀大洋紅層:特徵、分布與成因. 高校地質學報, 13(1): 1-13.
【7】胡修棉, 2013. 顯生宙海相紅層的分布_類型與成因機制: 礦物巖石地球化學通報, 32: 335-342.
【8】呂璇,劉志飛. 2017.大洋紅層的分布、組成及其科學研究意義綜述.地球科學進展, 32(12):1307-1318.
【9】胡修棉, 2013. 顯生宙海相紅層的分布_類型與成因機制: 礦物巖石地球化學通報, 32: 335-342.