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科研進展

田輝等-CG&PR:在示蹤埃迪卡拉-寒武紀轉折期古海洋氧化還原狀態方面取得新進展

  

       埃迪卡拉紀-寒武紀轉折期(560–514 Ma)是地球歷史上生命、環境演化的關鍵時期,其中最具標志性的事件是“寒武紀生命大爆發”。許多研究認為自新元古代以來大氣和海洋的逐步氧化可能是誘發寒武紀生命大爆發的主要環境因素,因此重建這一關鍵地質歷史時期古海洋的氧化還原狀態是探討生命與環境協同演化的重要基礎。然而,對這一時期古海洋氧化還原狀態的認識還存在分歧,利用不同指標示蹤的氧化還原狀態在時間和空間上均存在不一致性。例如,Mo同位素證據顯示寒武紀早期(約521 Ma)海洋的氧化程度可能接近于現代海洋,即深海完全氧化(Chen et al., 2015), 然而鐵組分數據卻表明該時期一直處于淺水氧化與深水缺氧共存的狀態(Li et al., 2017),氮同位素證據也指示該時期古海洋深水氧化與缺氧交替出現(Wang et al., 2018)?;诖?,中國科學院廣州地球化學研究所有機地球化學國家重點實驗室、深地科學卓越創新中心田輝研究員團隊以揚子地臺深水斜坡相的典型鉆井巖心為研究對象(時間跨度:560–514 Ma),開展了黑色頁巖的主微量元素、Mo和氮同位素等分析,進一步揭示了這一關鍵時期古海洋氧化還原狀態的時空變化特征。
       氮同位素研究結果表明,在埃迪卡拉紀晚期-寒武紀第三期,古海洋呈現氧化還原分層的狀態,氧化水體中硝酸鹽庫(NO3?)的大小隨著氧化還原界面的升降而變化。期中,埃迪卡拉晚期-寒武紀第二期,氧化還原界面可能處于中等水深位置,硝化作用的強度和速率要大于不完全的反硝化作用,透光帶存在穩定的NO3?庫,并且由于在較深的氧化還原界面處不完全的反硝化作用,水體中的NO3?庫更富集15N(圖1a, b, c)。寒武紀第二期晚期-第三期早期,氧化還原界面上升至透光帶,NO3?庫開始大量缺失,生物固氮作用得到加強以補充缺失的生物可利用的NO3?(圖1d)。在第三期中晚期,氧化水體逐步擴大,氧化還原界面下移,NO3?庫開始在淺水地區積聚并逐漸穩定,而深水區域氧化還原界面依舊在透光帶,生物可利用NO3?缺失,以生物固氮或不完全的NH4+同化吸收為主(圖1e, f)??傮w上,埃迪卡拉-寒武紀轉折期淺水地區透光帶呈現持續性的氧化狀態和穩定的NO3?庫,而深水地區透光帶則還處于缺氧或貧氧狀態,以生物固氮或不完全的NH4+同化吸收為主。
       在古海洋氧還原狀態和元素地球化學分析的基礎上,該研究還認為沉積物Mo同位素受古海洋氧化還原條件變化、錳氧化物穿梭效應、盆地的局限性等局部因素控制。晚埃迪卡拉沉積物偏負的Mo同位素(-0.6‰)可能反映氧化還原分層古海洋的錳氧化物穿梭效應,這是因為錳氧化物將輕的鉬同位素吸附穿梭到厭氧沉積物中,而這個過程會產生相對于海水近3.0‰的Mo同位素分餾,導致負的沉積物δ98/95Mo值(圖2)。寒武紀幸運期-第二期沉積物相對低Mo同位素(+0.04~+1.05‰)可能與局限海盆以河流輸入同位素輕的Mo(+0.7‰)為主而缺少同期廣海同位素重的Mo有關。寒武紀第三期黑色頁巖δ98/95Mo值由淺水陸棚向深水區呈現遞增的趨勢,淺水區較低的沉積物δ98/95Mo值可能反映了氧化-貧氧條件下Mo的不完全轉化,導致沉積物相對于海水有較大Mo同位素分餾,而深水區域較高的沉積物δ98/95Mo值可能與厭氧硫化條件下Mo的完全轉化導致的很小的鉬同位素分餾有關(圖2)。
       綜合來看,Mo和N同位素證據均表明埃迪卡拉-寒武紀轉折期古海洋存在氧化還原分層,這與鐵組分證據所指示的一致。沉積物異常重的Mo同位素(+2.3‰)可能與局限盆地中大范圍鐵錳氧化物穿梭效應導致的局部海水Mo同位素偏重有關,并不反映全球古海洋的Mo同位素組成,從而并不能指示全球深海氧化,這也解釋了深水區較大范圍的缺氧狀態。 
       該研究受國家自然科學基金、國家油氣重大專項、中科院先導A等項目支持,相關成果發表于Chemical Geology 和Precambrian Research. 論文中的核心實驗在中國科學院廣州地球化學研究所公共技術服務中心完成。
       論文信息:Wu, Y., Tian*, H., Li, J., Li, T., Ji, S., 2021. Reconstruction of oceanic redox structures during the Ediacaran-Cambrian transition in the Yangtze Block of South China: Implications from Mo isotopes and trace elements. Precambrian Research 359, 106181.
https://doi.org/10.1016/j.precamres.2021.106181
Wu, Y., Tian*, H., Jia, W., Li, J., Li, T., Zhou, Q., Xie, L., Peng, P.A., 2022. Nitrogen isotope evidence for stratified ocean redox structure during late Ediacaran to Cambrian Age 3 in the Yangtze Block of South China. Chemical Geology 589, 120679. https://doi.org/10.1016/j.chemgeo.2021.120679

圖1 揚子地臺不同階段氮生物地球化學循環和氧化還原結構示意圖。a.晚埃迪卡拉時期;b.寒武紀幸運期;c.寒武紀第二期;d.寒武紀晚第二期末期;e.寒武紀第三期早期;f.寒武紀第三期中晚期。

圖2 揚子地臺不同時期Mo含量及同位素、鐵組分數據橫向對比圖。其中,遵義剖面數據來源于Xu et al. (2012) 和 Wen et al. (2015);三峽剖面數據來源于Kendall et al. (2015);龍鼻嘴剖面數據來源于Chen et al. (2015);榕溪和五河剖面數據來源于Sahoo et al. (2016) 和 Ostrander et al. (2019)。

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