近日，北京大学金之钧院士联合中国石油勘探开发研究院张水昌教授团队在《国家科学评论》（National Science Review, NSR）发表综述文章“Organic carbon cycling and black shale deposition: An Earth System Science perspective”（从地球系统科学角度谈有机碳循环和黑色页岩沉积），系统阐述了地质历史上的黑色页岩形成机理，认为黑色页岩是构造活动、天文轨道力、大陆风化、生物光合及降解作用共同控制下的产物，指出未来有必要开展地球系统科学框架下的黑色页岩研究，向更广阔、更微观、更立体的角度去拓展。
地球系统与圈层相互作用是当前地学领域研究的热点与难点，其热点在于两者代表了后板块时代新的研究方向，其难点在于缺乏有效的研究手段与突破领域。有机碳循环是地球圈层相互作用的重要纽带之一，有机碳由生物制造，经历一系列生物、非生物降解后，以不同丰度保存在沉积物中。相对富集有机碳的岩石多呈黑色，而且常具有页理特征，因此，常被称为黑色页岩。黑色页岩不仅记录了其形成时的地质过程和生物活动，富集多种贵重金属元素，还可以生成石油和天然气，是研究地球系统演化，揭示油气和金属矿产富集机理的关键。
黑色页岩的形成不是偶然的，而是生物活动、水体环境和成岩演化等多重因素影响的产物，这主要体现在以下四个方面：
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岩石圈演化驱动有机碳循环
现今的地球岩石圈由多个板块拼接而成，活跃的板块运动是地球区别于其他行星的典型特征，板块边缘也是地球内部与表面物质、能量交换最主要的通道。从前寒武纪到显生宙，黑色页岩逐渐升高的出现频次与不断增强的板块活动相一致，罗迪尼亚、冈瓦纳和潘吉亚超大陆的裂解都伴随着大规模的黑色页岩沉积（图1）。超大陆的聚合则可以把黑色页岩保存在盆地或造山带中。因此，板块构造运动是黑色页岩全球性发育的“幕后推手”。
图1 地球系统演化
（a）大气氧含量；（b）生物演化；（c）冰期；（d）海水氧化还原状态；（e）黑色页岩沉积；（f）地壳厚度；（g）碎屑锆石记录
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轨道力控制气候变化和沉积旋回
太阳系是一个多行星的星系，各行星围绕太阳运转，行星间的引力影响着地球的轨道参数，导致地表接收到的太阳辐射沿纬度方向呈周期性变化，进而形成气候和沉积物的多尺度旋回周期。近年来，黑色页岩中有机质富集的多尺度旋回周期受到广泛关注，识别出长偏心率、短偏心率、斜率和岁差等“常规”的米兰科维奇旋回，同时也发现了“非常规”的超长周期（>100万年）和短周期（<1万年）。超长周期被认为是偏心率或斜率的振幅调控周期，短周期则被认为是与太阳活动有关。
3
风化作用控制气候和营养物供给
黑色页岩中的碎屑物占比一般达70%以上，这些碎屑物质主要来自陆地上的岩石风化和河流搬运。在不同的气候背景和古纬度位置下，大火成岩省或高山的风化时间可达数百万年至数千万年，不仅消耗了大量二氧化碳，还可以形成营养物和碎屑物的长期传输（图2）。因此，风化作用被视为地球气候的“稳定器”和黑色页岩沉积的“发动机”。在构造岩浆活动频繁的时期（如侏罗-白垩纪），大量温室气体释放更容易造成陆地岩石的风化剥蚀，进而导致黑色页岩发育。
图2 板块、多圈层与碳循环示意图
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生物的光合和呼吸作用控制有机质丰度
海洋和湖泊中，90%以上的有机碳是由微型浮游生物产生的。这些初始产生的有机碳有很强的还原性，容易通过一系列复杂的微生物代谢作用被降解掉，最终在沉积物中的占比一般不超过3%（图3）。但是，微生物代谢作用也促进磷等关键营养元素的再循环，保证了海洋和湖泊生态系统的活跃性和有机碳埋藏的可持续性。总的来看，地质历史上的生物光合作用相比于呼吸作用要更具优势，最终在地层中保存为黑色页岩，其埋藏阻止了氧气的消耗，促进了地球的宜居演化。
图3 碳循环涉及的主要地球化学反应
总的来看，地球是一个有机的系统，通过圈层相互作用控制了生命活动、有机碳循环和黑色页岩发育。深入认识黑色页岩的形成过程和资源环境效应，不仅有助于我们理解地球的演化过程，同时能帮助我们更智慧的利用和保护地球。