海相红层沉积广泛分布在各个地质历史时期，由于其形成与分布受到古气候背景、陆源风化物质输入、古海洋化学性质和成岩作用等因素影响，常被作为关键层位为恢复古环境变化或追踪成岩作用提供证据，有着重要的科学研究意义。热力学模型表明，百万年尺度海相红层的形成对底部水体的化学环境状态要求非常苛刻，即 Fe2+浓度为 4 nM - 50 μM，远远超过现代含氧海洋水平（0.1–1 nM），代表了较为还原的氧化还原环境，这对传统概念中将自生海相红层与富氧海水相联系的结论提出重大挑战，因此海相红层中不同来源赤铁矿的环境控制机制可能比以往认为的更为复杂。
为了解密华南奥陶纪海相碳酸盐岩红层致色机制，中国地质调查局南京地质调查中心方朝刚高级工程师等在开展下扬子地区页岩气地质调查工作中，联合中国科学院地质与地球物理研究所刘牧副研究员和陈代钊研究员，对皖南东至县WDD1井下—中奥陶统紫台组紫红色瘤状灰岩岩心进行了系统的沉积学和地球化学研究。本研究在生物地层学和碳同位素地球化学联合约束下建立了生物地层时代格架，通过岩石学微相观察、元素地球化学、漫反射光谱（DRS）、扫描电镜（SEM）和能谱（EDS）探讨了海相红层的致色机制和成岩过程。研究对紫台组红层划分了两类碳酸盐岩沉积微相，并发现假角砾、缝合线等成岩作用现象，确定了致色赤铁矿主要存在于基质之中。DRS结果显示，亚微米级半自形至他形赤铁矿颗粒是紫台组海相红层的主要致色矿物。SEM展示了紫台组海相红层赤铁矿具有多种潜在来源特点，如具有陆源的物理搬运痕迹的碎屑特征赤铁矿和晶间孔隙的自生铁氧化物集合体（图1）。地球化学分析发现Al2O3和Fe2O3之间的具有强正相关关系（紫台组相关系数0.81），表明铁主要可能来自含铁的陆源粘土矿物。这些观察结果还与紫台组瘤状灰岩（碳酸盐岩醋溶法）中稀土元素的分布模式一致。海相红层中稀土元素标准化曲线中稀土元素显著突起，Ce异常接近于1（紫台组样品Ce/Ce* 平均值1.0± 0.1），这表明早成岩阶段孔隙系统中铁发生了活跃的溶解作用。在孔隙水中溶解或解吸附的铁离子，会在氧化性流体作用下重结晶形成亚微米级赤铁矿聚合体，并富集在方解石晶间孔隙（图2）。本研究提出，在华南下—中奥陶统海相红层的致色与富含铁的陆源黏土矿物增强输入有关。在早成岩阶段，孔隙水溶解释放了来自陆源黏土矿物的铁离子，并在孔隙水系统中重新沉淀铁氧化物。因此，本研究认为华南下—中奥陶统海相红层的致色矿物包括了同沉积陆源搬运赤铁矿，以及早成岩阶段过程中经历了还原溶解后再沉淀后形成的赤铁矿。
本研究细化了海相红层成因理论模型，尤其深化了我们对海相碳酸盐岩红层形成控制因素的认识，详细厘清了沉积过程不同阶段形成的赤铁矿为红层致色过程所扮演的角色，为研究类似沉积建造的古环境意义以及成岩过程提供重要参考和约束。
图1 WDD1井岩心扫描电镜下紫台组海相碳酸盐岩红层中赤铁矿形态与分布特征
图2 紫台组碳酸盐岩海相红层成岩作用以及赤铁矿致色过程模型示意图
研究成果发表在国际知名地学SCI期刊 《Sedimentary Geology》。该研究得到了国家自然科学基金项目（42102123，42302124）、国家重点研发计划项目（(2023YFF0806200，2022YFF0800401）、中国地质调查局项目（DD20221662）和煤层气资源与成藏教育部重点实验室开放基金（No. 2023-001）联合资助。
原文链接：M. Liu*，C. Fang*, D. Chen. Syndepositional and diagenetic processes in the pigmentation of Middle Ordovician carbonate red beds in South China. Sedimentary Geology (2024), https://doi.org/10.1016/j.sedgeo.2024.106722