红色地层，简称红层，因其颜色鲜艳而被地质学家所关注（图 1），这种类型的地貌大家一定不陌生，如广东丹霞山、江西龙虎山、甘肃五彩山以及美国大峡谷。如果你去过这些地方，肯定被这些红色地貌所震撼，但是在地质学家眼中这些红层还有一个共性，那就都是在陆地环境下的形成的。因为显生宙以来才存在生命活动，同时大气氧气含量高，在陆地环境中含铁矿物更容易分解和氧化，形成红层。
● 那么，海洋里有红层吗？ ●要回答这个问题，需要了解一下海洋沉积物-水界面的氧化还原性质。海水中的溶解氧为氧化剂，而海水和沉积物中的有机质为还原剂。若有机质生产力高，过多的有机质在水中来不及完全氧化就被封存起来，在沉积物内就保持着还原条件，海洋里的黑色页岩就是这样形成的。若有机质生产力低，有机质在沉积物中完全被氧化掉，沉积物-水界面则会保持着氧化条件，这就有利于氧化矿物的形成，现今太平洋红色粘土就是在这种环境下形成的。红色黏土形成于太平洋远离大陆的深海区域，由风携带而来，堆积在沉积速率低（每千年沉积速率不到1毫米）的深海地区，这种环境下生物贫瘠、有机质生产力低，有机质很容易就降解。因此，陆地携带来的铁在沉积物中主要以三价的形式存在，在成岩阶段得以保存并致色。
自2002年始，由我国科学家领导的国际地球科学计划IGCP463、494项目，把“白垩纪大洋红层”（Cretaceous Oceanic Red Beds，CORB）作为其主要研究对象和科学目标，揭开了海相红层研究的新篇章。虽然都是红层，但是白垩纪大洋红层明显不同于陆相红层和深海红色粘土。那么，它的特殊性究竟体现在哪里呢？且听我们娓娓道来。
1 代表性的岩石类型：红色粒泥灰岩灰岩，字面理解为灰色的岩石，事实上也确实如此，自然界里绝大多数的灰岩以灰色色调为主。现今的海洋环境也从没有发现过红色的钙质沉积，无论是碳酸盐台地，还是钙质软泥。然而，在白垩纪时期，红色微晶灰岩广泛出现，比比皆是，其中最有名为出现在意大利中部，被称之为Scaglia Rossa组。Rossa在意大利语中为红色，而Scaglia则为规则层状的意思。
红色灰岩颜色均一，呈规则层状出现。野外观察显示，红色灰岩的单层内部，颜色通常是不一致的。从底到顶，颜色从白色变到粉色，变化为红色，这说明红色是同沉积或早期成岩阶段形成的。灰岩的物质来源主要是一些钙质生物的钙质骨骼部分或微晶，如浮游有孔虫、钙质超微化石、翼足类壳等（图 2），这些灰岩被划分为粒泥灰岩（wackestone）。
图1 大陆红层典型地貌（红色砂岩，江苏句容赤山）和大洋红层典型岩石（红色灰岩，意大利Gubbio）图源胡修棉
图2 白垩纪大洋红层的典型显微照片（意大利Scagli Rossa粒泥灰岩），图中具有房室结构且部分被亮晶充填的为浮游有孔虫（图源胡修棉）
2 最适宜的沉积环境：远洋深海白垩纪大洋红层在世界上分布广泛，主要集中出现在特提斯海域，且在太平洋、大西洋及印度洋也有分布（Hu et al., 2005）。而在野外露头剖面上，从西藏地区（图3），向西跨越土耳其、喀尔巴阡、阿尔卑斯直至欧洲南部比利牛斯半岛，均有白垩纪大洋红层的出露（胡修棉和王成善，2007）。
沉积学家根据古生态研究，发现以白垩纪红色灰岩为代表的大洋红层沉积古水深从几百米到两三千米不等（图4）。其中，根据底栖有孔虫古生态特征，意大利大洋红层古水深估计在一千米左右。
图3 西藏江孜县床得剖面白垩纪大洋红层 (图源胡修棉）
图4 白垩纪大洋横剖面图，显示大洋红层出现的相对水深位置（据Wang et al., 2009修改）
3 致色剂：纳米级赤铁矿研究者通过扫描电镜、高分辨率透射电子显微镜等仪器发现，意大利红色灰岩致色的原因在于自生的赤铁矿的存在。这些赤铁矿呈纳米级，主要出现在碳酸盐颗粒的内部或颗粒间隙中，形成于沉积时或者早期沉积物-水界面交换时期，是底层水氧化条件的直接见证者。最初的矿物包括针铁矿和赤铁矿，在成岩阶段针铁矿发生脱水作用转变为赤铁矿。
大洋红层中到底含有多少的铁氧化物呢？有没有办法定量测定？研究人员选择北大西洋ODP1049C孔红色泥灰岩（尚未固结）（图5），通过化学方法把铁氧化物去除后这些泥灰岩无一例外呈现灰白色。然后逐步加入一定量的赤铁矿、针铁矿粉末，通过与岩石的光谱特征进行比较，获得这两种矿物含量与光谱的对应关系。赤铁矿的含量在0.13 ~0.82% (平均为0.51%), 针铁矿的含量在0.22% ~0.81% (平均为0.58%)。也就是说，微量的铁氧化物起着致色的关键作用。
图5 北大西洋ODP1049C孔大洋红层（图源 IODP）
4 持续时间长短不一，黑红相伴出现白垩纪大洋红层持续沉积的地层厚度薄厚不均，指示其沉积时间的长短不一。钻取的岩芯柱中可出现长达1m的连续红层，也存在着仅有几厘米的薄层红层。根据年代地层限定的沉积持续时间尺度，科学家将大洋红层分为两种类型，一种是持续时间超过百万年的长周期大洋红层，而另一种是持续时间通常万年尺度的短周期大洋红层（Hu et al., 2006）。
通过定量统计全球白垩纪大洋红层的时空分布，还发现一个非常有趣的现象：长周期白垩纪大洋红层通常紧随白垩纪大洋缺氧事件事件之后，如白垩纪早期的OAE1a、白垩纪中期的OAE2之后、白垩纪晚期的OAE3之后均发现大洋红层，大洋红层与大洋缺氧事件的黑色页岩如影随形。白垩纪大洋红层从白垩纪早期到末期，其分布范围逐渐增加，从区域性分布扩展为全球性分布，至晚白垩世达到高峰，，而且每一次大洋缺氧事件之后的红层分布更加广泛。这就非常有趣了，祸兮福所倚。红与黑总是相伴出现。
5 洋流驱动出现富氧条件是大洋红层形成的关键要素
大洋红层的形成，需要满足两个条件。首先，需要铁元素的存在；其次，需要适宜的氧化条件，将二价铁离子氧化为三价铁离子，使其从水体中沉淀并保存。此二者为白垩纪的“火红”提供保障。从地质学角度来讲，适宜的氧化条件主要由有机质堆积速率和底层溶解氧含量决定。在大洋红层形成时，这两种成因并非各自独立，而是相辅相成，同时存在，不过往往会以其中一种成因占主导（吕璇和刘志飞，2017）。由于河流输入、火山喷发等原因，海水中的铁元素并不缺乏，因而氧化条件是导致大洋红层出现的关键成因要素。
现今开放大洋底层很少是缺氧的，主要在于大洋环流系统的存在。从高纬度带来的富氧的冷水团源源不断地输入到大洋底层，但是尽管如此，这样的洋流系统也不足以提供足够的富氧的水体使沉积物变红。因此，有学者提出，白垩纪时期两极无永久冰盖，其大洋环流系统可能完全不同于现今由两极冰盖存在而驱动的大洋环流系统。William W. Hay （2008）提出，白垩纪大洋红层形成时的洋流系统很可能是一个低纬度高密度水团下沉驱动的富氧、高盐度水团，不存在统一的洋流。
图6 大洋环流系统（据William W. Hay, 2008 修改）
6 大洋红层是否白垩纪独有？NO！除白垩纪以外，早在约35.8亿年前的太古代，地球上就首次出现了红色的带状含铁层（BIFS-banded iron formations），为地球上最早记录的因铁元素致色而形成的红色沉积物。其后，则为5.8亿年前的埃迪卡拉中期出现的全球分布的大洋红层（MRB-Marine Red Bed）在。显生宙以来，大洋红层零星地出现在整个地质历史时期中，分别在寒武纪、晚石炭世、早三叠世、侏罗纪和白垩纪，分别出现了五次全球性大洋红层记录（胡修棉，2013；Song et al., 2017）。
7 “黑-红转变”是偶然还是必然？随着对不同时期缺氧事件和富养事件研究的不断深入，科学家们发现了大洋红层与缺氧事件之间的耦合关系（Wang et al., 2011），即每一次大洋红层事件的发生前都伴随着一段时间的海洋缺氧。比如，埃迪卡拉中期的大洋红层与深水氧化作用同步发生；寒武纪大洋红层出现在早、中和晚寒武世大洋缺氧事件之后；晚泥盆世大洋缺氧事件结束之后才沉积大洋红层。同样，早三叠世、侏罗纪、白垩纪大洋红层都在大洋缺氧事件终止后如雨后春笋般出现。这种在全球海洋缺氧事件后的广泛分布大洋红层的现象表明，缺氧、含铁的水体条件是大洋红层形成的先决条件。
图7 意大利中部“黑红转变”野外照片（据Wang et al. , 2011修改）
通常来说，缺氧事件的发生触发了一系列反馈机制。大气中O2分压增大，全球短暂变冷，海洋中形成冷深水，大洋循环加快，这些诱因使大洋溶解氧含量增多，逐渐形成富氧环境。有了充足的铁元素供应和海洋中的富氧环境，大洋红层便呼之欲出。大洋红层是一种特殊的沉积类型，指沉积在海洋的远洋、半远洋环境下，在富氧条件下形成的一套以红色-粉红色-棕色颜色为主的、有机质极低的沉积物，是一种富氧事件的产物，代表着特殊的沉积类型。虽然大洋红层的故事已经在地球海洋里谱写了几亿年，但其丰富的科学内涵还未完全为我们所了解，因此，它的故事还需要地质学家们更好地继续传唱下去。
本文第一作者胡修棉，系南京大学地球科学与工程学院教授。
本文属作者本人的理解，欲知更多详情，请阅读文后原始文献。
主要参考文献【1】Wang C S, Hu X M, Huang Y J, et al. 2009. Overview of Cretaceous Oceanic Red Beds (CORBs): a window on global oceanic and climate change. Cretaceous Oceanic Red Beds: Stratigraphy, Composition, Origins and Paleoceanographic and Paleoclimatic Significance: SEPM Special Publication, 91: 13-33.
【2】Hu, X.M.,Jansa, L., Sarti, M., 2006. Mid-Cretaceous oceanic red beds in the Umbria-Marche Basin, central Italy: Constraints on paleoceanography and paleoclimate. Palaeogeography Palaeo climatology Palaeoecology, 233, 163-186
【3】William W. Hay.2008.Evolving ideas about the Cretaceous climate and ocean circulation. Cretaceous Research, 29(5-6):725-753.
【4】Song H, Jiang G, Poulton S W, et al. 2017. The onset of widespread marine red beds and the evolution of ferruginous oceans. Nature Communications, 8(1):399.
【5】Wang C S, Hu X M, Huang Y J, et al. 2011. Cretaceous oceanic red beds as possible consequence of oceanic anoxic events. Sedimentary Geology, 235 (1-2): 27-37．
【6】胡修棉, 王成善. 2007. 白垩纪大洋红层:特征、分布与成因. 高校地质学报, 13(1): 1-13.
【7】胡修棉, 2013. 显生宙海相红层的分布_类型与成因机制: 矿物岩石地球化学通报, 32: 335-342.
【8】吕璇,刘志飞. 2017.大洋红层的分布、组成及其科学研究意义综述.地球科学进展, 32(12):1307-1318.
【9】胡修棉, 2013. 显生宙海相红层的分布_类型与成因机制: 矿物岩石地球化学通报, 32: 335-342.
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