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经历古、中生代之交显生宙最大生物灭绝和剧烈的全球变化之后,三叠纪初是地球发展历史上的一个特殊时期。二叠纪末的大灭绝造就了其特殊的生物类群结构和生态格局,持续波动的异常环境条件导致了中生代初长时间迟缓的生物复苏和生态系重建。同时,不仅地球生物界从极度危机中逐步复苏,而且地球环境也经历全面的重组再造。因此,二叠纪末和三叠纪初的地质学研究已成为当前国际地学研究新的热点。
对于古、中生代之交显生宙最大生物灭绝和剧烈的全球变化事件,多数学者从两大方面进行研究:1)大量异常沉积记录的广泛研究;2)一些重要环境标志物(包括化石记录)的连续序列分析。而本文则利用无机元素铁在剧烈变化环境中的异常循环,提出用铁组分的一些指标(包括活性铁、矿化度(DOP等)来研究古、中生代之交生物大灭绝和剧烈全球变化地质事件。
铁组分指标主要包括活性铁指标和DOP_(Degreeofpyritization,DOP)_指数。沉积物中的“活性铁”是指在变化稍剧烈的沉积环境中,如环境pH的升高或降低,Eh的升高或降低等条件下能够溶出或参与化学反应的那部分铁,活性铁作为古海洋氧化-还原特性指标,对古海洋的氧化还原特性的研究起到了举足轻重的作用。DOP指数定义为黄铁矿铁/(黄铁矿铁+浓盐酸铁)的比值,该比值能够近似反映海洋底层水的氧化-还原程度。
目前铁组分的划分没有统一的标准。但是活性铁指标和DOP指数的提出,使得五步连续提取法、六步连续提取法、三级四步提取法等划分方法不再适合铁组份研究。而最新提出的铁组分划分方法和活性铁中各组分铁相吻合,同时也便于计算DOP,在不久的将来会得到更广泛应用。同时,活性铁循环对其他元素循环的影响和控制,以及对古海洋氧化-还原演化的影响及其对古海洋氧化-还原演化的影响方面的研究还相当薄弱。获取古海洋沉积物的高分辨率的活性铁埋藏记录,并在此基础上开展其生物地球化学效应的研究,成为开展古海洋氧化-还原演化研究必然要求。
本文主要内容包括:
1)在查阅大量文献的基础上,全面地综述了二叠纪末-三叠纪初的古海洋环境研究现状,铁循环和铁相态分析(包括活性铁)的意义,电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS)的原理和研究现状以及火焰原子吸收法(AAS)的原理和研究现状。
2)详细介绍了所采集样品的地理位置,区域地层概况,以及区域地质构造概况。对所采集样品的地层剖面进行了详细的描述,同时把采集到的地质样品制备成符合实验要求的实验样品。
3)采用新型铁组分划分方法,将铁组分划分为:(1)碳酸盐结合态铁(Fecarb),包括菱铁矿、铁白云石等;(2)易还原铁氧化物(Feox1),包括水铁矿、纤铁矿;(3)还原性铁氧化物(Feox2),包括针铁矿、赤铁矿、四方纤铁矿;(4)磁铁矿(Femag);(5)低活性硅酸盐结合态铁(FePRs);(6)黄铁矿(Fepy);(7)无活性硅酸盐结合态铁(FeU)。实验针对不同组分的铁含量不同,采用ICP-MS或AAS测定,并对每种铁组分的提取剂用量、提取温度、提取时间、还原剂用量进行了实验,选出了最佳的提取条件。建立了一套完整的适合地质样品分析的铁组分提取方法。同时,实验采用超声振荡法来提取铁的各个组分,大大缩短了提取时间,使实验更加方便。
4)将所建立的分析方法应用于安徽巢湖地区早三叠世地层剖面的地质样品的铁组分测定中,获得了旱三叠世铁各个组分含量、DOP益线和活性铁曲线,并对当时生物大灭绝之后的生物缓慢复苏原因进行简单探讨。结果表明,当时的缺氧事件是生物复苏缓慢的主要原因。
综上所述,本文建立并完善了铁组分的测定方法,成功地应用于地质样品的分析中,方法具有操作简单、经济、检出限低、精密度好等特点。本文从化学的角度,用实验数据来揭示早三叠世古海洋氧化还原环境变化及对生物复苏的影响,将环境化学、地球化学、分析化学和地质沉积学等多学科知识有机地结合起来。