瓮安生物群保存岩层（段）中硒异常富集机理研究及利用前景
文献类型：学位论文
| 作者 | 龙杰 |
| 答辩日期 | 2021-06 |
| 文献子类 | 博士后出站报告 |
| 授予单位 | 中国科学院地理科学与资源研究所 |
| 授予地点 | 中国科学院地理科学与资源研究所 |
| 导师 | 雷梅 ; 雒昆利 |
| 关键词 | 稀土元素 环境效应 瓮安生物群 硒资源利用 |
| 学位名称 | 博士后 |
| 英文摘要 | 距今约6.09 亿年前的瓮安生物群，保存在瓮福磷矿采区埃迪卡拉系陡山沱组上部磷块岩和磷质白云岩。瓮安生物群是全球最古老的含有动物胚胎的特异埋藏化石库，包含多细胞真核生物Megasphaera 细胞首次分化精美结构，即营养细胞与生殖细胞分化现象。多细胞真核生物的细胞只有先经过分化过程，才能实现其它器官分化（包括器官各种功能和形态的出现），最后生物才能变大、生命形式才能变高级。这些多细胞真核生物细胞首次分化化石Megasphaera 及其保存层段为研究动物起源和早期生命加速演化过程提供独一无二的实证材料，为探索当时全球剧烈的环境演变（如，大氧化事件和大规模大洋缺氧事件）起因、过程等提供能被识别的显著标志和关键信息。 硒是动物必不可少的微量元素，对其细胞生长、发育及维持正常生理功能具有重要作用；硒也是重要战略资源，却极难在自然界形成工业富集。硒在“瓮安生物群”多细胞真核生物细胞首次分化化石的细胞核和细胞质中富集、呈不均匀点状分布是作者所在团队前期研究的新发现；另外，还发现了化石首现层中硒也异常富集，显示一定潜在伴生资源前景。那么，细胞首次分化化石保存岩层（段）中异常富集的硒是从哪里来的，是本研究的科学问题。稀土元素在风化、搬运、沉积和成岩过程中具有很强的稳定性，并且稀土元素在不同的环境中能显示诸如铕、铈等特定元素的异常情况；所以稀土元素被用于物质来源和物源组成研究的示踪剂。另外，岩石样品薄片中的组分和组构也能为物质来源提供证据。 综上，本研究选择贵州瓮福磷矿区埃迪卡拉纪“瓮安生物群”中多细胞真核生物细胞首次分化化石首现层为主要研究对象，并选取该层段的上下覆岩层（段）、贵州铜仁地区成冰系大塘坡组锰质黑色页岩层、贵州瓮安地区寒武系纽芬兰统牛蹄塘组黑色页岩层、陡山沱期其它地区同岩性以及相应的土壤、作物样品为对比。运用电感耦合等离子体光谱仪、电感耦合等离子体质谱仪、氢化物发生-原子荧光仪测定基岩、土壤、作物中的微量和稀土元素含量，运用扫描电镜、能谱仪、X 射线荧光光谱仪分析化石内部和外部矿物的组分。根据岩石稀土元素地球化学特征和岩石矿物学信息、综合区域构造背景及当时沉积环境等因素，确定了细胞首次分化化石首现层中硒异常的物质来源、阐明了硒异常富集机理，探究了研究区基岩-土壤-作物系统中硒和稀土元素的迁移、转化规律，评价了该地区天然富硒资源的利用前景。本研究能进一步丰富硒异常富集机理理论，对推动硒作为伴生资源利用和天然富硒资源开发具有重要意义；可为地球生命加速演化机制、过程提供新思路。本研究的主要发现和结论如下： （1）细胞首次分化化石首现层中稀土总量（ΣREE）均值为115 mg/kg（51-258 mg/kg）。稀土元素北美页岩标准化配分图左倾明显，轻稀土富集；所有样品表现明显的Ce 负异常（0.40~0.55）、Eu 正异常（1.02~1.26）和Gd 正异常（1.14~1.21）特征。Y/Ho 在33~41 之间，平均为36。ΣREE 在垂直剖面上，有先增加再减少的趋势，在细胞首次分化化石首现层中黑色磷块岩样品达到最大峰值，为258 mg/kg，其它所有稀土元素也具有类似的变化趋势。稀土元素La，Ce，Pr，Nd，Sm，Eu，Gd，Tb，Dy，Y，Ho，Er，Tm，Yb，和Lu 在该样品中同样达到峰值。Eu/Eu*在垂直剖面上的变化不明显，基本保持了正异常的小范围波动。Ce/Ce*在垂直剖面上有递减趋势，尤其在细胞首次分化化石首现层表现出“突变”、“断崖”式的递减特征，暗示了多细胞真核生物细胞首次分化时期的海洋环境经历了突变的环境演变过程。 （2）寒武系纽芬兰统牛蹄塘组黑色页岩层ΣREE 均值为67 mg/kg（51~78mg/kg）。稀土元素北美页岩标准化的配分图左倾明显，轻稀土富集。所有样品有明显的Ce 负异常（0.78~0.81）、Eu 正异常（1.03~1.41）和Gd 正异常（1.18~1.22）特征。Y/Ho 在22~27 之间，平均为25。成冰系大塘坡组锰质黑色页岩层ΣREE均值为249 mg/kg（213~359 mg/kg），轻稀土富集。稀土配分曲线明显左倾，明显的Ce 正异常和可变的Eu 异常（0.91~1.06），可变的的Gd 异常（0.91~1.20）。Y/Ho 在25~28 之间，平均为26。从下到上ΣREE 在三个生物大变革层有递减的趋势；Eu/Eu*有递增的趋势，Eu/Eu*变化从0.97→1.09→1.21。Ce/Ce*在细胞首次分化化石首现层最低，为0.47。 （3）埃迪卡拉纪陡山沱期贵州东部浅海相和半深海相中黑色页岩ΣREE 均值相当，分别为115 mg/kg 和108 mg/kg；白云岩ΣREE 均值也相当，分别为35mg/kg 和31 mg/kg。灯影组叠层石磷块岩ΣREE 最低，平均为15 mg/kg（4.18~35mg/kg）；陡山沱组的A 磷矿层、B1 磷矿层和B2-4 磷矿层ΣREE 均值分别为81mg/kg（67- 105 mg/kg）、115 mg/kg（51- 258 mg/kg）和66 mg/kg（37~111 mg/kg）；Eu/Eu*总体显示正异常，Ce/Ce*显示负异常。 （4）细胞首次分化化石首现层及上下覆岩层（段）样品手标本没有发现交代残余结构和明显的重结晶现象，表明没有受到后期热液改造作用的影响。细胞首次分化化石细胞外基质中检出的细胞首次分化化石碳含量最高为86.92 wt%，大于化石内部细胞质和细胞核的碳含，暗示化石样品中的组分没有受到后期成岩作用的影响小。 （5）稀土元素地球化学、岩石学和矿物学特征表明细胞首次分化化石首现层中硒异常富集的物质来源为同期海底热液流体。陡山陀组垂直剖面上具有从角砾→网脉→块状→条带→纹层构造的变化特征，反映了当时海底热液喷流强度具有由弱→强→弱的演化过程，海底热液喷流在首现层强度最高。 （6）细胞首次分化化石首现层中硒异常样品中的硒的来源是同期热液流体物质。推测：该岩层（段）沉积时期（埃迪卡拉纪陡山沱期）处于活动大陆边缘的浅海相，当时构造活动频繁，喷流作用带来了大量地壳深部的热液流体物质得以上升并聚集，这些高温热液流体又反过来成为硒的良好“溶剂”，加上沉积时期的更缺氧的还原环境（与当时浅海相相比），最终使得该层段中硒的异常富集。 （7）研究区（贵州瓮安、剑河和铜仁地区）碳酸盐岩ΣREE 均值为42 mg/kg（51~78 mg/kg），碎屑岩ΣREE 均值为143 mg/kg（16~187 mg/kg）。碳酸盐岩出露区土壤和作物的ΣREE 平均为51 mg/kg（8.92~107 mg/kg）和32 mg/kg（14.48~100 mg/kg），碎屑岩出露区土壤和作物的ΣREE 平均为105 mg/kg（8.92~107 mg/kg）和45 mg/kg（13~5028 mg/kg），都低于贵州省土壤环境背景值（202 mg/kg）和中国土壤（A 层）环境背景值（163 mg/kg）。 （8）研究区（贵州瓮安、剑河和铜仁地区）碳酸盐岩和碎屑岩出露区土壤稀土元素配分曲线显示略左倾。碳酸盐岩出露区土壤显示可变的Eu 正异常（Eu/Eu*为0.97~1.87），显示可变的Ce 负异常（0.61~1.08）；碎屑岩出露区土壤显示可变的Eu 正异常（0.95~2.12），显示可变的Ce 负异常（0.49~1.16）。碳酸盐岩出露区土壤上作物的LREE 富集，显示Eu 正异常（1.57~3.55），显示可变的Ce 负异常（为0.82~7.22）；碎屑岩出露区土壤上的作物LREE 富集，显示可变的Eu 异常（0.81~2.39），显示可变的Ce 负异常（0.38~1.4）。碳酸盐岩出露区水稻田土壤样品显示Ce 的正异常，可能是成土过程中土壤氧化环境的变化造成的。 （9）研究区土壤与基岩稀土元素配分曲线相似，表现出一定的继承性，且土壤中稀土总量低于基岩，说明该区土壤中的物质来源受母岩组分影响显著或控制。作物（大米和玉米）与基岩、土壤稀土元素配分曲线不具有相似性，表明大米和玉米作物对稀土元素选择性吸收。碳酸盐岩区一件大米样品的稀土总量是当地基岩、土壤的一倍，表明其稀土总量可能受到的人为活动影响。贵州铜仁碎屑岩出露区蕨菜和野葱ΣREE 异常，是当地基岩、土壤的约100 倍，表明蕨菜和野葱对土壤中的稀土元素富集能力较高。 （10）研究区碳酸盐岩出露区土壤的Se 含量平均值为0.18mg/kg（0.09~0.47mg/kg）。碎屑岩区土壤的Se 含量平均值为0.98 mg/kg（0.45~16 mg/kg），是全国土壤均值的3.37 倍，达到天然富硒土壤标准；且土壤中Cd、As、Cr、Cu、Ni、Pb 总体低于中国土壤重金属限量标准，表明研究区碎屑岩出露区土壤具有寻找到天然富硒土壤资源的前景。达到天然富硒大米标准的样品分别在研究区碎屑岩出露区发现，Se 含量分别为0.0524 mg/kg、0.529 mg/kg、0.053 mg/kg，且它们的重金属含量低于食品中污染物限量值。因此，贵州瓮安、剑河、铜仁地区具有种植出天然富硒大米、开发天然富硒农产品的广阔前景。 |
| 语种 | 中文 |
| 页码 | 109 |
| 源URL | [http://ir.igsnrr.ac.cn/handle/311030/194165]  |
| 专题 | 地理科学与资源研究所_研究生部 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 龙杰. 瓮安生物群保存岩层（段）中硒异常富集机理研究及利用前景[D]. 中国科学院地理科学与资源研究所. 中国科学院地理科学与资源研究所. 2021. |
入库方式： OAI收割
来源：地理科学与资源研究所
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