两种气体,氮气和氧气,以压倒优势的状态主导着地球的大气圈。氮气是原生的,而且其存在和丰度不是生物过程所驱动的;相反,氧气是生物通过水的氧化作用而连续产生的,这个氧化作用得到了太阳光的能量驱动。氧气,一种对动物生命进化最为关键的气体,是如何变成大气圈中丰度第2的气体?问题并非以前所设想的那么简单;为了了解大气圈氧化的时间进程,我们不但要知道氧气是什么时候而且是如何第1次出现的,而且还要知道氧气是如何在大气圈中保持一个高浓度的。可以肯定的2个事实是:地球最早期的大气圈是缺乏氧气的,而今天的大气圈则为21%的氧气所组成。需要特别强调的是,大多数古代大气圈氧气水平的地质标志,只是意味着存在与缺乏,而且发生在以下2个时间点的大多数事件是高度不肯定的;但是,一系列地质证据已经表明,大气圈氧气含量水平上升的时间进程发生在2个时间点上:(1)一个从缺氧的到含氧的大气圈的转变,大致发生在2.0~2.5,Ga期间,这个转变就是著名的巨型氧化作用事件(GOE);(2)发生在前寒武纪—寒武纪过渡时期的大约540~850,Ma的第2次巨型氧化作用事件(GOE-Ⅱ),被进一步命名为新元古代氧化作用事件(NOE)。GOE与NOE,就得出了地球大气圈氧气含量水平上升三段式的盛行图像。随着研究的深入,得到了以下重要认识:如果说大气圈氧气含量的总体增加,从太古宙微不足道的水平增加到今天21%,是由于氧气生产作用增强的结果而代表了一个复杂的地球生物学过程的话,那么,这个过程则发生在随着侵蚀作用与沉积作用相对于火山活动而变得更加重要的状况下,更进一步讲,叠加在这个总体趋势下的则是一系列的阶梯式的氧气含量水平上升,这与超大陆聚合作用之后异常高的沉积作用周期是相联系的,从而进一步说明了大气圈氧气含量水平上升是与地球动力学过程紧密相关的地球生物学过程的作用结果。大气圈氧气含量水平一系列的阶梯式的上升,被总结为7个事件而与超大陆汇聚事件得到了良好的对比,从而提供了一个更加清晰的图像;也就是说,在超大陆汇聚作用之后,得到增强的沉积作用促进了大部分有机碳和黄铁矿的埋藏,因而阻碍了它们与自由氧的反应,结果就是大气圈氧气含量水平的实质性上升。新颖的观点和重要的认识,为深入理解地球大气圈氧气含量水平上升这一个重要的地球生物学过程,提供了重要的思考途径和研究线索;追索这些研究进展,将有助于揭开地球大气圈演变历史的神秘面纱并寻找出更多的科学研究生长点。

塔里木盆地东北部库鲁克塔格中上奥陶统却尔却克群中的深水碳酸盐岩及其白云岩化是较为特殊的沉积与成岩作用类型之一。通过对南雅尔当山剖面详细观察与采样分析,阐明了其沉积学、岩石学及地球化学特征:深水碳酸盐岩的顶、底均与浊积岩伴生,呈重力滑覆—带状分布,主要由黄灰色—灰色、大多呈薄层瘤状的白云岩夹泥页岩构成;可见到海绵骨针、三叶虫等浮游生物化石以及分选差的花岗岩、火山岩及硅质岩等碎屑;基本保留了原始沉积中的溶解、水平层理等较深水沉积的特征。该套白云岩包括泥粉晶白云岩、细晶白云岩或残余陆屑白云岩、巨型藻鲕白云岩和生屑泥粉晶白云岩等9类白云岩;白云石有序度为0.47~0.56和0.70~0.76,中强阴极发光,经历了2期较强的白云岩化作用;富含SiO₂、Al₂O₃、Mg、Mn、Fe、MnO和TiO₂;δ³⁴S_V-CDT为-0.2~6.6,ΣREE含量为46.7×10^-6~67.4×10^-6,呈正铕负铈的“帽式”稀土配分模式,反映相对还原沉积环境;反映沉积水体盐度的Na₂O+K₂O、Sr、Ba含量偏低, ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr 值相对偏高,δ¹⁸O_PDB 、δ¹³C_PDB稍低,不能指示原始海水或原始环境。综合上述分析结果认为:这套深水碳酸盐岩形成于向上变浅的缓坡带,其发生了浅埋藏、中—深埋藏条件下的2期白云岩化,且受构造推覆或重力滑覆至外陆棚,并发生裂隙—溶蚀作用和白云石、方解石及烃类的充填作用。

在野外剖面观察与勘测的基础上,应用岩石薄片鉴定、地球化学分析和包裹体测温等方法,开展了鄂尔多斯盆地马家沟组沉积与成岩序列、碳酸盐岩岩相及地球化学特征研究,并分析和探讨了马四段和马六段豹皮灰岩的特征及其成因。鄂尔多斯盆地南部金粟山剖面马六段B亚段可划分为3个准层序组,其中下部2个准层序组以豹皮灰岩为主,且自下向上云斑的连续性及白云化程度呈现增强的趋势。云斑由有序度较高的自形—半自形白云石构成,具有相对较高的δ¹³C值和相对较低的 δ¹⁸O 及 ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr 值,贫Fe、Mn等元素,包裹体均一温度及盐度较高。研究结果表明,鄂尔多斯盆地马四段和马六段的豹皮灰岩主要形成于埋藏阶段,是低海平面期渗入生物钻孔的蒸发海水在埋深和地温增加过程中白云化作用的结果。

西藏荣玛地区尼俄玛山下二叠统曲地组发育一套重力流沉积组合,根据其岩性、沉积构造和含化石特征等,在该套沉积体系识别出了9种岩石类型、5种岩石组合类型,并分别将其划归内扇主水道—水道间、中扇分支水道—天然堤—水道间、外扇朵叶体—末端水道及深水玄武岩和泥岩4种微相组合类型,以及海底扇和深海盆地2种沉积相类型,证明研究区曲地组属于半深海—深海沉积环境。这一结论与前人认为曲地组属于滨浅海相的认识完全不同,说明南羌塘盆地下二叠统曲地组在区域上存在明显的相变,即西部日土一带的滨浅海沉积向东到改则—尼玛一带逐渐变为半深海—深海沉积;证明南羌塘盆地早二叠世古特提斯洋进入演化成熟期,但羌塘地块从冈瓦纳北缘的裂解、脱离时间在东西向并不一致,东部早于西部;曲地组大套深水黑色泥页岩及砂岩为代表的重力流沉积的广泛发育,说明其具有重要的油气地质意义。

依据渤海湾盆地车镇凹陷车西洼陷陡坡带古近系沙河街组沙三下段岩心、测井以及三维地震资料,对研究区的“源-汇”系统进行了研究。结果表明:(1)车西洼陷沙三下段为一个三级层序,并可进一步划分为低位、湖侵与高位3个体系域,其陡坡带沙三下段发育杂基支撑中砾岩、碎屑支撑中砾岩、杂基支撑细砾岩、碎屑支撑细砾岩、砂质砾岩、含砾砂岩、粗砂岩、中砂岩、细砂岩、递变层理砂岩、滑塌岩等11种重力流成因岩石类型及深湖泥岩,表现为典型的近岸水下扇沉积;不同体系域时期扇体规模整体呈“由大变小,再变大”的演化趋势。(2)车西洼陷陡坡带自西向东识别出6套供源体系,可分为有沟道为主供源体系和滑塌为主供源体系,分别形成沟道供源为主近岸水下扇和滑塌供源为主近岸水下扇类型,其中滑塌供源为主近岸水下扇中的滑塌变形构造更发育、更普遍,但其扇体规模较沟道供源为主近岸水下扇小。(3)进一步的“溯源”分析结果表明,沙三下段沉积时期,研究区物源区母岩以碳酸盐岩为主,其在强烈的构造活动、湿热气候作用下,易于发育石漠化古地貌,剥蚀作用较为强烈,由此形成的频发的季节性重力流进入湖盆,形成该地区的近岸水下扇沉积;不同体系域时期扇体规模的差异主要受物源区气候和植被覆盖的控制。

古生界海相碳酸盐岩油气对中国能源安全具有重要意义。以全球古生界海相碳酸盐岩大油气田的最新资料为基础,系统统计分析了古生界海相碳酸盐岩大油气田的地质特征及其分布规律。截至2013年底,全球15个含油气盆地中共发现了89个古生界海相碳酸盐岩大油气田,油气可采储量达495.9×10⁸,t油当量,占全球海相碳酸盐岩层系油气总储量的20.9%。研究表明,大油气田分布在中东、前苏联、北美和亚太地区,其中,大油田主要分布于前苏联和北美,大气田则主要位于中东和亚太,20世纪70年代是大气田发现的高峰期。大油气田的油气主要来自古生界烃源岩,以志留系、石炭系、二叠系和泥盆系(按重要性排序)为主;烃源岩岩性主要为泥页岩、沥青质泥页岩和沥青质碳酸盐岩。盖层以蒸发岩和碎屑岩为主。层系上,油气主要富集于二叠系、石炭系和奥陶系,白云岩和生物礁储集层占重要地位。埋深上,储量分布相对集中的埋深为2500~3000,m、3500~4000,m和4000~4500,m,分别占总储量的52.6%、15.9%和9.5%。油气藏类型上,以构造圈闭为主,不过近年来发现的大油气田的非构造圈闭比例有所增大。建议中国古生界海相油气勘探应重视白云岩储集层,更重要的是,应加强深层海相碳酸盐岩层系油气成藏机理和分布主控因素的研究。

泌阳凹陷位于南襄盆地东南缘,为一西北浅、东南深的陆相断陷型盆地,其沉降中心安棚地区古近纪发育巨厚的白云岩地层,主要天然碱矿层赋存于核桃园组核三段上部和核二段下部,并与白云岩地层密切相关。基于岩心、录井与地震等资料,该区古近系核桃园组含碱岩系地层划分为3个二级旋回,进一步划分为8个三级旋回。所含天然碱矿层位于基本层序顶部、二级或三级旋回的上部,含碱岩系地层层序由(纹层状)白云岩到天然碱矿层规律性变化。根据天然碱矿层垂向变化规律进行找矿预测和钻探中预判矿层位置,已经取得较好效果。同时根据该区盐类矿产沉积旋回的研究,一级旋回顶部有钾盐的显示,预示该区有寻找钾盐的可能。

早三叠世海水的碳同位素组成与演化是二叠纪—三叠纪生物群体灭绝事件之后全球生态萧条与重建时期地球碳循环的重要记录,为地学界长期高度关注。文中测试了四川盆地宣汉渡口和重庆北碚下三叠统及相邻地层258个海相碳酸盐样品的碳、氧同位素组成,以便探讨早三叠世海水的碳同位素组成与演化。这些样品对海水碳同位素组成具有不同的保存性,飞仙关组及嘉陵江组第一、三段保存较好,而嘉陵江组第二、四段保存较差。基于氧同位素可以更为敏感地反映海相碳酸盐成岩蚀变性的原理,在碳、氧同位素相关性分析的基础上,以δ¹⁸O<-7.5‰为剔除标准,筛选出近200个有效数据建立了碳同位素演化曲线,该曲线与前人在贵州建立的同期曲线具有很好的可对比性。曲线显示出海水碳同位素组成的巨大波动,变化幅度达8.55‰,包括2个完整的上升—下降旋回,第1个旋回由飞仙关组和嘉陵江组第一段组成,第2个旋回由嘉陵江组第二段、第三段和部分第四段组成,同时还包括若干短周期的次级旋回。利用曲线形态与前人建立的同期曲线进行了岩石地层与年代地层单位的对比,飞仙关组可大致与Induan阶对应,嘉一段可大致与Smithian亚阶对应,嘉二段、嘉三段和嘉四段下部可大致Spathian亚阶对应;绿豆岩作为下—中三叠统界线其位置可能偏高,下—中三叠统界线应该位于绿豆岩之下的嘉四段内部。早三叠世海水碳同位素组成高频率大幅度的波动指示了生物大灭绝后环境的不稳定性,其中菌藻类等微生物灾后过度繁盛,可能导致了有机碳在短时间内的快速埋藏和海水碳同位素的正漂移;而碳同位素大规模的负漂移可能与甲烷水合物释放带来的轻碳有关。研究认为,白云岩所在的地层段往往具有更高的δ¹³C值,这可能说明微生物活动、白云岩形成和海水δ¹³C值升高之间的有机联系。下三叠统的白云岩、尤其是嘉二段和嘉四段的白云岩可能是微生物成因的,嘉陵江组有机碳的生产和埋藏可能主要是与白云岩形成有关的微生物的贡献,具最高δ¹³C值的嘉二段的烃类在一定程度上可能具有自生自储的特点。

进入21世纪,随着互联网、数据库和地理信息系统(GIS)技术的快速发展,古地理学研究及古地理图的绘制也面临新的机遇与挑战,逐渐从定性走向定量,从基于单因素、单学科信息到基于多因素、多学科综合信息。新一代基于数据库和GIS技术的高精度古地理图的绘制,与传统的定性或手工绘制的古地理图相比,涵盖的学科信息广、涉及的数据量大、图件精度高、可叠加各种定量分析的结果,是未来古地理图绘制的主流方向,并将成为定量古地理研究的重要辅助手段。GBDB数据库庞大的地层学和古生物学数据资源,以及以剖面为核心的数据结构,使其成为目前最适合开展定量古地理研究和古地理图绘制的开放数据平台。作者收集、整理了华南435个剖面的综合地层数据,通过数据的标准化和专家厘定,绘制得到了华南奥陶纪凯迪晚期的高精度古地理图。研究表明,凯迪晚期,扬子地台上广泛发育五峰组黑色页岩沉积;扬子地台的西北缘、西南缘、湖南中南部、下扬子地区等沉积了其他岩相地层;华南南部大范围地区、四川中部等均已抬升暴露,缺失本期地层。总体来看,该时期华南呈现了三面古陆环绕的浅水台地这一古地理格局。