在三叠纪时期，陆地火山活动加剧了鄂尔多斯超级湖泊中有机物的沉积

《Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology》：Terrestrial volcanism enhanced organic burial in the Ordos superlake during the Triassic

　　

徐伟明|朱鹏城|尹浩明|周玉平|李勇|潘松琪|吴松涛|黄芳|荆振华|郝继华

中国科学技术大学地球科学与技术学院深空探测实验室/地壳与环境协同演化国家重点实验室，合肥230026，中国

摘要

鄂尔多斯盆地的中三叠世盐场组含有异常富含有机物的湖相页岩，这些页岩与多层火山凝灰岩交替分布。这一现象表明陆地火山活动在有机物埋藏和湖泊生物地球化学循环中起着关键作用，但其背后的机制仍不明确。本研究选取了来自鄂尔多斯盆地Chang 7₃亚段的两个沉积岩芯（N70和F75），它们受到不同的火山影响，并进行了综合的元素和同位素分析。N70样品受到火山活动显著影响，表现出较高的总有机碳含量、汞（Hg）浓度以及主要为正值的Δ¹⁹⁹Hg值，这与火山来源的汞主要通过大气沉积有关。相比之下，F75样品距离火山中心较远，其有机碳含量较低，火山影响的地球化学信号较弱。汞同位素、有机碳、营养元素和氧化还原指标之间的连贯层序变化表明，持续的火山灰沉积可能增加了养分的可用性，从而促进了高初级生产力的形成，并导致了底部水体从有氧向缺氧环境的转变。结合可能的沉积速率加快和火山灰对降解的防护作用，这些协同效应促进了该三叠纪超级湖泊系统中异常丰富的有机物埋藏，突显了陆地火山活动在塑造湖泊生物地球化学循环中的重要性。

引言

鄂尔多斯盆地位于中国西北部克拉通，是三叠纪时期形成的最大大陆湖泊盆地之一（Chen等人，2021年），保存了二叠纪末大灭绝后陆地生态系统恢复的宝贵记录（Zhao等人，2020年）。在该盆地中，盐场组包含异常富含有机物的湖相页岩，总有机碳（TOC）含量高达40%（Liu等人，2022年）。巧合的是，秦岭造山带沿盆地南部边缘的快速抬升引发了强烈的火山活动（Dong等人，2011年；Ma等人，2021年），导致火山凝灰岩在页岩层中大量且频繁地沉积。火山凝灰岩与高TOC页岩之间的紧密空间和层序关联表明，陆地火山活动可能在鄂尔多斯超级湖泊中富含有机物页岩的沉积过程中起到了关键作用（Liu等人，2024年）。先前的研究表明，火山物质可以提供可利用的营养物质，从而提高初级生产力（Liu等人，2025年）。然而，在鄂尔多斯的研究中，将火山活动与有机物埋藏直接联系起来的地球化学证据仍然有限。

汞（Hg）越来越多地被用作重建沉积记录中火山活动的地球化学指标（Grasby等人，2019年；Shen等人，2020年）。其机制在于火山喷发时汞与其他挥发物一起大量释放到大气中，随后通过干沉降或湿沉降过程沉积到地球表面（Bergquist，2017年；Grasby等人，2019年）。近年来，奇数汞同位素（Δ¹⁹⁹Hg）的质量独立分馏进一步被提出用于区分火山活动沉积的汞和通过陆地植被及土壤循环的汞（Thibodeau和Bergquist，2017年；Yin等人，2018年）。鄂尔多斯盆地以保存完好的多层火山凝灰岩与富含有机物的湖相沉积物交替分布为特征，为评估汞同位素指标在大陆湖泊系统中的适用性提供了可靠的沉积档案。此外，它为解码陆地火山活动对古代湖泊系统碳循环的影响提供了独特的机会，这对全球碳循环具有重要意义（Li等人，2017年；Mendonca等人，2017年），但由于缺乏连续的记录（值得注意的例外包括Liang等人（2026年）；Xu等人（2017年）），这方面的研究一直不够充分。

在本研究中，我们重点研究了来自鄂尔多斯盆地三叠纪盐场组Chang 7亚段的两个富含有机物的湖相页岩岩芯（N70和F75）。这些岩芯沉积于距造山带不同的距离，因此受到不同程度的火山影响。我们首先评估了汞及其同位素作为鄂尔多斯湖泊沉积物中火山活动示踪剂的可靠性。通过整合元素和同位素指标，包括总汞浓度、汞同位素组成、有机碳同位素以及多种氧化还原敏感的微量元素，进一步探讨了火山活动在中三叠世鄂尔多斯超级湖泊中富含有机物页岩沉积中的作用。

章节摘录

地质背景和样品

鄂尔多斯盆地位于中国北部克拉通的西南边缘（图1A）。从晚二叠世到中三叠世，华北地块与长江地块的汇聚引发了秦岭造山带沿盆地南部边缘的快速抬升，从根本上重塑了区域构造，并推动了从海洋-大陆过渡环境向稳定的大规模内陆湖泊盆地的转变（Dong等人，2011年；Zou等人，2010年）。

主要元素和微量元素分析

使用Primus II X射线荧光光谱仪和Agilent 7700e电感耦合等离子体质谱仪（ICP-MS）分别测定了N70岩芯中的21个样品和F75岩芯中的30个样品的主要元素和微量元素浓度。对于主要元素分析，将样品研磨成玻璃珠后进行波长分散XRF测量。浓度超过1%的元素的分析不确定性优于1%，而浓度较低的元素则在5%以内。

结果

N70样品表现出异常高的总有机碳含量，范围为7.56%至32.59%（平均值：21.60%）（图3A）。有机碳同位素组成（δ¹³C_org）介于?29.35‰至?30.38‰之间（平均值：?30.03‰）（图3A）。氧化还原敏感的微量元素显著富集，其中铀（U）浓度范围为36.48–161.33 ppm（平均值：76.61 ppm，而上地壳中仅为2.7 ppm），钼（Mo）浓度介于62.88至216.65 ppm之间（平均值：190.08 ppm）。

鄂尔多斯沉积物中的汞形态及其影响因素

在水生系统中，汞以多种形态存在，其形态受沉积条件的影响，尤其是有机质含量和氧化还原状态（Shen等人，2020年）。例如，汞通常存在于沉积物中的有机物中（Ravichandran，2004年），因此通常将汞浓度归一化到总有机碳（TOC）上来评估相对富集程度，同时尽量减少TOC变化的影响（Percival等人，2015年）。此外，汞还可能与硫化物矿物相关联。

结论

我们对鄂尔多斯盆地中三叠世Chang 7₃亚段的两个钻探岩芯进行了综合的地球化学和同位素分析。结果表明，陆地火山活动在中三叠世期间对鄂尔多斯超级湖泊中汞及其他火山相关元素的生物地球化学循环产生了重大影响。此外，火山灰提供了大量的可利用营养物质，从而提高了初级生产力并促进了...

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徐伟明：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化，项目管理，方法学，调查，正式分析，数据管理，概念化。朱鹏城：撰写 – 审稿与编辑，方法学，调查，正式分析。尹浩明：撰写 – 审稿与编辑，调查。周玉平：撰写 – 审稿与编辑，调查。李勇：撰写 – 审稿与编辑，资源提供。潘松琪：撰写 – 审稿与编辑，监督。吴松涛：

利益冲突声明

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致谢

我们感谢沈教授和沈教授以及匿名审稿人的建设性建议。本工作得到了国家自然科学基金（42572156、W2421058、U23B20155、42173083）、国家重点研发计划（2021YFA0718200）、中国石油集团有限公司的科学技术研究项目（2024DJ8702）以及中国科学院****的支持。