田輝等-CG&PR:在示蹤埃迪卡拉-寒武紀(jì)轉(zhuǎn)折期古海洋氧化還原狀態(tài)方面取得新進(jìn)展
埃迪卡拉紀(jì)-寒武紀(jì)轉(zhuǎn)折期(560–514 Ma)是地球歷史上生命、環(huán)境演化的關(guān)鍵時(shí)期,其中最具標(biāo)志性的事件是“寒武紀(jì)生命大爆發(fā)”。許多研究認(rèn)為自新元古代以來大氣和海洋的逐步氧化可能是誘發(fā)寒武紀(jì)生命大爆發(fā)的主要環(huán)境因素,因此重建這一關(guān)鍵地質(zhì)歷史時(shí)期古海洋的氧化還原狀態(tài)是探討生命與環(huán)境協(xié)同演化的重要基礎(chǔ)。然而,對(duì)這一時(shí)期古海洋氧化還原狀態(tài)的認(rèn)識(shí)還存在分歧,利用不同指標(biāo)示蹤的氧化還原狀態(tài)在時(shí)間和空間上均存在不一致性。例如,Mo同位素證據(jù)顯示寒武紀(jì)早期(約521 Ma)海洋的氧化程度可能接近于現(xiàn)代海洋,即深海完全氧化(Chen et al., 2015), 然而鐵組分?jǐn)?shù)據(jù)卻表明該時(shí)期一直處于淺水氧化與深水缺氧共存的狀態(tài)(Li et al., 2017),氮同位素證據(jù)也指示該時(shí)期古海洋深水氧化與缺氧交替出現(xiàn)(Wang et al., 2018)?;诖?,中國(guó)科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所有機(jī)地球化學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、深地科學(xué)卓越創(chuàng)新中心田輝研究員團(tuán)隊(duì)以揚(yáng)子地臺(tái)深水斜坡相的典型鉆井巖心為研究對(duì)象(時(shí)間跨度:560–514 Ma),開展了黑色頁(yè)巖的主微量元素、Mo和氮同位素等分析,進(jìn)一步揭示了這一關(guān)鍵時(shí)期古海洋氧化還原狀態(tài)的時(shí)空變化特征。
氮同位素研究結(jié)果表明,在埃迪卡拉紀(jì)晚期-寒武紀(jì)第三期,古海洋呈現(xiàn)氧化還原分層的狀態(tài),氧化水體中硝酸鹽庫(kù)(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(jì)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(qiáng)度和速率要大于不完全的反硝化作用,透光帶存在穩(wěn)定的NO3-庫(kù),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(kù)更富集15N(圖1a, b, c)。寒武紀(jì)第二期晚期-第三期早期,氧化還原界面上升至透光帶,NO3-庫(kù)開始大量缺失,生物固氮作用得到加強(qiáng)以補(bǔ)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(kuò)大,氧化還原界面下移,NO3-庫(kù)開始在淺水地區(qū)積聚并逐漸穩(wěn)定,而深水區(qū)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(jì)轉(zhuǎn)折期淺水地區(qū)透光帶呈現(xiàn)持續(xù)性的氧化狀態(tài)和穩(wěn)定的NO3-庫(kù),而深水地區(qū)透光帶則還處于缺氧或貧氧狀態(tài),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(tài)和元素地球化學(xué)分析的基礎(chǔ)上,該研究還認(rèn)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(yīng)、盆地的局限性等局部因素控制。晚埃迪卡拉沉積物偏負(fù)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(yīng),這是因?yàn)殄i氧化物將輕的鉬同位素吸附穿梭到厭氧沉積物中,而這個(gè)過程會(huì)產(chǎn)生相對(duì)于海水近3.0‰的Mo同位素分餾,導(dǎo)致負(fù)的沉積物δ98/95Mo值(圖2)。寒武紀(jì)幸運(yùn)期-第二期沉積物相對(duì)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(guān)。寒武紀(jì)第三期黑色頁(yè)巖δ98/95Mo值由淺水陸棚向深水區(qū)呈現(xiàn)遞增的趨勢(shì),淺水區(qū)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(zhuǎn)化,導(dǎo)致沉積物相對(duì)于海水有較大Mo同位素分餾,而深水區(qū)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(zhuǎn)化導(dǎo)致的很小的鉬同位素分餾有關(guān)(圖2)。
綜合來看,Mo和N同位素證據(jù)均表明埃迪卡拉-寒武紀(jì)轉(zhuǎn)折期古海洋存在氧化還原分層,這與鐵組分證據(jù)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(yīng)導(dǎo)致的局部海水Mo同位素偏重有關(guān),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(qū)較大范圍的缺氧狀態(tài)。
該研究受國(guó)家自然科學(xué)基金(41925014)、國(guó)家油氣重大專項(xiàng)(2017ZX05008-002-004)、中科院先導(dǎo)A(XDA14010104)等項(xiàng)目支持,相關(guān)成果發(fā)表于Chemical Geology 和Precambrian Research. 論文中的核心實(shí)驗(yàn)在中國(guó)科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所公共技術(shù)服務(wù)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(yáng)子地臺(tái)不同階段氮生物地球化學(xué)循環(huán)和氧化還原結(jié)構(gòu)示意圖。a.晚埃迪卡拉時(shí)期;b.寒武紀(jì)幸運(yùn)期;c.寒武紀(jì)第二期;d.寒武紀(jì)晚第二期末期;e.寒武紀(jì)第三期早期;f.寒武紀(jì)第三期中晚期。

圖2 揚(yáng)子地臺(tái)不同時(shí)期Mo含量及同位素、鐵組分?jǐn)?shù)據(jù)橫向?qū)Ρ葓D。其中,遵義剖面數(shù)據(jù)來源于Xu et al. (2012) 和 Wen et al. (2015);三峽剖面數(shù)據(jù)來源于Kendall et al. (2015);龍鼻嘴剖面數(shù)據(jù)來源于Chen et al. (2015);榕溪和五河剖面數(shù)據(jù)來源于Sahoo et al. (2016) 和 Ostrander et al. (2019)。

新聞動(dòng)態(tài)