广州地化所在示踪埃迪卡拉-寒武纪转折期古海洋氧化还原状态研究中获进展

埃迪卡拉纪-寒武纪转折期（560-514 Ma）是地球历史上生命、环境演化的关键时期，最具标志性的事件是“寒武纪生命大爆发”。较多研究认为，新元古代以来，大气和海洋的逐步氧化或是诱发寒武纪生命大爆发的主要环境因素，因而重建这一关键地质历史时期古海洋的氧化还原状态是探讨生命与环境协同演化的重要基础。然而，关于这一时期古海洋氧化还原状态的认识存在分歧，利用不同指标示踪的氧化还原状态，在时间和空间上均存在不一致性。例如，Mo同位素证据显示寒武纪早期（约521 Ma）海洋的氧化程度可能接近现代海洋，即深海完全氧化（Chen et al., 2015），而铁组分数据表明该时期一直处于浅水氧化与深水缺氧共存的状态（Li et al., 2017），氮同位素证据也指示该时期古海洋深水氧化与缺氧交替出现（Wang et al., 2018）。基于此，中国科学院广州地球化学研究所有机地球化学国家重点实验室、深地科学卓越创新中心田辉研究员团队以扬子地台深水斜坡相的典型钻井岩心为研究对象（时间跨度：560-514 Ma），开展了黑色页岩的主微量元素、Mo和氮同位素等分析，进一步揭示了这一关键时期古海洋氧化还原状态的时空变化特征。

氮同位素研究结果表明，在埃迪卡拉纪晚期-寒武纪第三期，古海洋呈现氧化还原分层的状态，氧化水体中硝酸盐库（NO₃^–）的大小随氧化还原界面的升降而变化。埃迪卡拉晚期-寒武纪第二期，氧化还原界面或处于中等水深位置，硝化作用的强度和速率大于不完全的反硝化作用，透光带存在稳定的NO₃^–库，且由于在较深的氧化还原界面处不完全的反硝化作用，水体中的NO₃^–库更富集15N（图1a, b, c）。寒武纪第二期晚期-第三期早期，氧化还原界面上升至透光带，NO₃^–库开始大量缺失，生物固氮作用得到加强以补充缺失的生物可利用的NO₃^–（图1d）。第三期中晚期，氧化水体逐步扩大，氧化还原界面下移，NO₃^–库开始在浅水地区积聚并逐渐稳定，而深水区域氧化还原界面依旧在透光带，生物可利用NO₃^–缺失，以生物固氮或不完全的NH₄⁺同化吸收为主（图1e、f）。总体上，埃迪卡拉-寒武纪转折期浅水地区透光带呈现持续性的氧化状态和稳定的NO₃^–库，而深水地区透光带则处于缺氧或贫氧状态，以生物固氮或不完全的NH₄⁺同化吸收为主。

在古海洋氧还原状态和元素地球化学分析的基础上，该研究认为沉积物Mo同位素受古海洋氧化还原条件变化、锰氧化物穿梭效应、盆地的局限性等局部因素控制。晚埃迪卡拉沉积物偏负的Mo同位素（-0.6‰）可能反映氧化还原分层古海洋的锰氧化物穿梭效应，这是由于锰氧化物将轻的钼同位素吸附穿梭到厌氧沉积物中，而这个过程会产生相对于海水近3.0‰的Mo同位素分馏，导致负的沉积物δ^98/95Mo值（图2）。寒武纪幸运期-第二期沉积物相对低Mo同位素(+0.04～+1.05‰)可能与局限海盆以河流输入同位素轻的Mo（+0.7‰）为主而缺少同期广海同位素重的Mo有关。寒武纪第三期黑色页岩δ^98/95Mo值由浅水陆棚向深水区呈现递增的趋势，浅水区较低的沉积物δ^98/95Mo值或反映氧化-贫氧条件下Mo的不完全转化，导致沉积物相对于海水有较大Mo同位素分馏，而深水区域较高的沉积物δ^98/95Mo值或与厌氧硫化条件下Mo的完全转化导致的较小的钼同位素分馏有关（图2）。

Mo和N同位素证据均表明埃迪卡拉-寒武纪转折期古海洋存在氧化还原分层，这与铁组分证据所指示的一致。沉积物异常重的Mo同位素（+2.3‰）可能与局限盆地中大范围铁锰氧化物穿梭效应导致的局部海水Mo同位素偏重有关，并不反映全球古海洋的Mo同位素组成，从而并不能指示全球深海氧化，这也解释了深水区较大范围的缺氧状态。

相关研究成果分别发表在Chemical Geology、Precambrian Research上。研究工作得到国家自然科学基金、国家油气重大专项、中科院战略性先导科技专项（A）等的支持。

论文链接：1、2

图1.扬子地台不同阶段氮生物地球化学循环和氧化还原结构示意图。a、晚埃迪卡拉时期，b、寒武纪幸运期，c、寒武纪第二期，d、寒武纪晚第二期末期，e、寒武纪第三期早期，f、寒武纪第三期中晚期

图2.扬子地台不同时期Mo含量及同位素、铁组分数据横向对比图。遵义剖面数据来源于Xu et al.（2012）和Wen et al.（2015）；三峡剖面数据来源于Kendall et al.（2015）；龙鼻嘴剖面数据来源于Chen et al.（2015）；榕溪和五河剖面数据来源于Sahoo et al.（2016）和Ostrander et al.（2019）