作为硫化物的重要载体、二价铁的重要赋存矿物、海洋中微量元素丰度的记录者，深水页岩黄铁矿的形态及地球化学特征记录了沉积环境的变迁。通过对国内外文献的总结，系统梳理了深水页岩黄铁矿的形态学分类，对不同硫化物来源的黄铁矿形态特征进行归纳，总结了页岩总黄铁矿物质的成矿物质来源、形成过程及对环境的指示意义，并展望了未来该领域的发展方向。
页岩中常依照形态差异将黄铁矿分为自形黄铁矿与草莓状黄铁矿，但由于黄铁矿形态复杂、种类繁多、成因多样。在前人研究的基础上，文章按照赋存形态将页岩中黄铁矿单体划分为自形黄铁矿、草莓状黄铁矿及交代型黄铁矿3大类，并进一步将自形黄铁矿划分为具有明确且平直晶体边界的普通自形黄铁矿及形态交模糊的块状黄铁矿；将草莓状黄铁矿划分为具有标准的草莓状结构的普通草莓状黄铁矿、仍可见草莓状结构，内部微粒见孔隙被充填的充填型草莓状黄铁矿，及在草莓体框架之外，出现明显过度生长区域的过度生长型草莓状黄铁矿。
另一方面，由于作为主要的金属硫化物之一，黄铁矿中的硫来源多样，文章将其分为由微生物主导的微生物硫酸盐还原作用（MSR）及由温度驱动的热化学硫酸盐还原作用（TSR）。其中根据硫酸盐还原作用发生的位置及反应物的差异，将MSR进一步划分为主要在浅层发生的BSR及聚焦于相对深层SMTZ区域发生的AOM-SR，通过整理前人文献，文章对不同硫源的黄铁矿形态差异进行总结。
作为沉积成岩演化过程的简化与提炼，模式图的建立一直是地质学研究的重要手段之一。综合前人文献，文章总结了富有机质页岩中沉积-早成岩阶段黄铁矿形成模式图（图1）。根据含氧界面(在沉积物或水柱中)的位置，草莓状黄铁矿的粒度存在显著差异。随着埋深的增加，形成于硫酸盐还原带的黄铁矿逐渐下降至硫酸盐还原带-甲烷发酵带转换区域(Sulfate-methane transform zone, SMTZ)。甲烷的厌氧氧化-硫酸盐还原(AOM-SR)可在SMTZ中产生大量的H2S。部分新生成的黄铁矿会在在预先形成的黄铁矿外放射状生长(如过度生长型草莓状黄铁矿)，一些草莓状黄铁矿则会转化为块状黄铁矿。此外，SMTZ中生成的大量H2S向上逸散，与沿途的二价铁结合，生成棒状和柱状黄铁矿集合体(图1)。随着埋藏深度的进一步增加，硫酸盐在高温或水热作用下被有机物还原形成H2S，与页岩中的铁结合形成黄铁矿。
图1 页岩黄铁矿形成模式
此外，文章聚焦于黄铁矿的粒度、硫同位素、铁同位素及海相页岩微量元素的特征，探讨了黄铁矿对沉积环境的指示意义。黄铁矿硫同位素特征的影响因素众多，通过对不同硫化物来源黄铁矿的硫同位素特征进行了统计，整体具有MSR成因黄铁矿硫同位素分馏程度较大、分布范围较广的特征，TSR成因黄铁矿则通常分馏程度较小，分布范围较窄。
通过对前人文章中数据的整合，总结了部分已发表文献中地质历史时期海相页岩黄铁矿的微量元素分布。此外，文章回顾了前人提出的部分大气氧化历史模型，与利用海相页岩黄铁矿Se/Co值计算得出的氧化模型进行对比，探讨了以海相页岩黄铁矿为载体，还原地质历史时期海水微量元素组成及大气氧化历史的可能性（图2）。
图2 大气氧化模型：(a) Holland (2006); (b) Kump (2008); (c) Lyons等(2014); (d)张水昌等(2022)；(e, f, g) Large等 (2014, 2019, 2022)。
研究成果近期发表在地学领域国际重要期刊中国科学：地球科学。论文第一作者和通讯作者为中国石油大学（华东）梁超教授，深层油气全国重点实验室为第一署名单位，该研究得到国家自然科学基金面上项目、创新群体等资助。
论文信息：Liang, C., Ji, S., Cao, Y. et al. Characteristics, origins, and significance of pyrites in deep-water shales. Sci. China Earth Sci. 67, 313–342 (2024). https://doi.org/10.1007/s11430-022-1200-0