生命的起源和演化与地球表生环境状态息息相关,其中,大气和海洋的氧化还原状态是一个关键因素。铬(Cr)作为重要的氧化还原敏感元素之一,其同位素体系近年来被广泛应用于古环境氧化还原状态的重建研究中。碳酸盐岩是分布最为广泛的沉积岩类型之一,是利用Cr同位素体系重建古环境的重要研究对象。然而,海相碳酸盐岩沉积环境中Cr的地球化学行为仍然不是很清楚,这严重影响了我们对沉积碳酸盐岩Cr同位素所反映的古环境信息的解读。因此,本论文结合自然样品观测和实验室模拟,系统探究了 Cr在碳酸盐岩中的赋存形态,并进一步推断在碳酸盐沉积环境中Cr的地球化学行为。在此基础上,本论文将Cr同位素体系应用于研究二叠纪-三叠纪之交海洋的氧化还原状态演化,来探讨当时海洋环境演化与生物灭绝和生物复苏之间的关系。为了研究碳酸盐岩中Cr的赋存形态,本工作首先测定了从中元古代到第四纪不同年代的碳酸盐岩样品中Cr的价态和Cr同位素组成。X射线吸收近边结构谱(XANES)结果显示,具有不同Cr同位素组成的不同时代样品中的Cr均为+3价,这与前人认为海水中的Cr(Ⅵ)会直接取代碳酸根离子的位置进入碳酸钙晶格并被碳酸盐岩保存的假设不符。碳酸盐岩中Cr为+3价有两种可能的解释:第一种可能性是海水中的Cr(Ⅵ)在碳酸盐沉淀过程或者沉淀之后被还原,其途径可能是生物还原,或是在厌氧的孔隙水环境中被还原,这种情况下,Cr(Ⅵ)不太可能发生完全还原,会导致碳酸盐岩Cr同位素组成轻于海水;第二种可能性是碳酸盐矿物倾向于直接吸收海水中的Cr(Ⅲ),由于Cr(Ⅲ)可以来源于Cr的非氧化还原循环,而Cr(Ⅲ)的溶解和吸附过程都可能造成Cr同位素分馏,因此沉积碳酸盐岩中偏正的Cr同位素不一定代表存在氧化事件。虽然上述工作明确了天然碳酸盐岩中自生Cr均以三价形式存在,但是Cr(Ⅲ)在碳酸盐岩中的具体的赋存状态目前仍然不清楚。由于天然碳酸盐岩中Cr含量很低,且存在较多碎屑组分,直接研究Cr(Ⅲ)在天然碳酸盐岩中的配位环境很困难。因此,本工作设计了 Cr(Ⅲ)与碳酸钙的共沉淀实验来研究Cr(Ⅲ)的赋存形态。扩展X射线吸收精细结构谱(EXAFS)结果显示Cr(Ⅲ)很难进入碳酸钙晶格中。共沉淀样品中大部分Cr(Ⅲ)是吸附于碳酸钙晶体表面,或者直接形成氢氧化铬沉淀。少量的Cr(Ⅲ)可以进入碳酸钙晶体中,但Cr3+不能直接取代Ca2+的位置,可能以CrOH2+的形式取代Ca2+的位置,造成晶格扭曲,也可能直接以氢氧化物的形式存在于包裹体中。此外,X射线衍射(XRD)结果显示Cr(Ⅲ)可以促进碳酸钙沉淀过程中形成球霰石,这可能是由于Cr(Ⅲ)吸附于球霰石的表面,抑制了亚稳定的球霰石向稳定的方解石转化的过程。由于Cr(Ⅲ)不易进入碳酸钙晶格中,天然碳酸盐岩中的Cr可能主要是吸附于晶体表面,且有很大一部分可能来自于碳酸盐沉淀之后的吸附作用。因此,碳酸盐岩Cr同位素可能反映的是底层水和孔隙水的信息。最后,在碳酸盐岩中Cr赋存状态研究的基础上,本文对沉积碳酸盐岩中Cr同位素所反映的古环境信息进行了探讨。本工作利用碳酸盐岩Cr同位素来示踪二叠纪-三叠纪之交海洋的氧化还原状态演化。海洋缺氧可能显著地影响了二叠纪生物大灭绝和早三叠纪缓慢的生物复苏过程,但是目前对于海洋缺氧的时空尺度仍然存在一定的争议。本工作研究了华南的峡口剖面晚二叠纪至早三叠纪的碳酸盐岩的Cr同位素组成。在晚二叠纪地层中观察到了非常偏正的δ53Cr值(1.15‰-2.16‰),几乎是目前所报道的显生宙碳酸盐岩的Cr同位素最大值。这些极高的δ53Cr值不太可能是由Cr的非氧化还原循环造成,最合理的解释是由于晚二叠纪海洋相对较为缺氧,Cr(VI)的部分还原引起的同位素分馏使得海水具有较高的δ53Cr值。在生物灭绝区间附近,Cr同位素快速负偏至高温岩石储库值区间(δ53Cr平均值从1.78‰降至-0.13‰),最可能的解释是海洋缺氧区域的快速扩张。早三叠纪样品的δ53Cr值全都处于高温岩石储库值区间,说明海洋缺氧至少持续到Smithian亚阶都没有恢复。本文的Cr同位素数据说明从晚二叠纪到早三叠纪海洋环境是阶段式恶化的,晚二叠纪存在一定程度的缺氧,在生物灭绝区间附近缺氧区域快速扩张,并在早三叠纪很长的时间内都没有恢复,这些过程可能是导致生物灭绝以及之后迟缓的生物复苏的原因之一。