伍耀文等-EPSL:埃迪卡拉-寒武紀(jì)轉(zhuǎn)折期大尺度汞循環(huán)及其對(duì)環(huán)境與生物演化的啟示
埃迪卡拉-寒武紀(jì)轉(zhuǎn)折期(560-514 Ma)是地球歷史上生物變革的關(guān)鍵時(shí)期,主要表現(xiàn)為埃迪卡拉型動(dòng)物的滅絕(大約541 Ma)和寒武紀(jì)早期多門(mén)類(lèi)動(dòng)物的爆發(fā)(大約541-514 Ma)。地球表生環(huán)境變化被認(rèn)為是控制生物演化的關(guān)鍵因素之一,有關(guān)這一時(shí)期的環(huán)境與生物協(xié)同演化也一直是地球科學(xué)研究的熱點(diǎn)和爭(zhēng)論的焦點(diǎn)。盡管海洋缺氧被認(rèn)為是埃迪卡拉型生物滅絕的主要原因,但一些證據(jù)表明這一時(shí)期的氧水平明顯升高,至少淺水呈氧化狀態(tài),故缺氧可能不是唯一的生物滅絕原因。同時(shí),寒武紀(jì)早期大規(guī)模有機(jī)質(zhì)埋藏被認(rèn)為是氧水平顯著升高的重要因素并促使動(dòng)物多樣化,然而對(duì)有機(jī)質(zhì)大規(guī)模埋藏的機(jī)制(如缺氧水體擴(kuò)張或陸源營(yíng)養(yǎng)鹽輸入導(dǎo)致的高生產(chǎn)力及有機(jī)質(zhì)通量)仍存在一定的爭(zhēng)議,也缺乏直接的地球化學(xué)證據(jù)。
針對(duì)上述問(wèn)題,廣州地球化學(xué)研究所博士后伍耀文在田輝研究員和彭平安院士的指導(dǎo)下,聯(lián)合中科院貴陽(yáng)地化所尹潤(rùn)生研究員、成都理工大學(xué)李超教授,對(duì)華南地區(qū)ZK4411鉆井巖心樣品(時(shí)間跨度約550–514 Ma)開(kāi)展了高精度汞含量及同位素等地球化學(xué)分析,并結(jié)合印度和華南地區(qū)已發(fā)表的汞地球化學(xué)數(shù)據(jù)(Yin et al., 2017; Liu et al., 2021),建立了大尺度的汞循環(huán)模式,從新的視角探討了這一關(guān)鍵時(shí)期環(huán)境與生物協(xié)同演化。
研究顯示,晚埃迪卡拉時(shí)期華南和印度地塊沉積物具有異常高的Hg/TOC比值和Δ199Hg~0‰的同位素特征,表明該時(shí)期存在持續(xù)性的大規(guī)?;鹕交顒?dòng)(圖1和圖2A)?;鹕交顒?dòng)釋放的大量CO2等溫室氣體可能是造成前寒武-寒武界限處全球性的碳同位素負(fù)偏(BACE;541 Ma)和全球海平面逐步上升的重要因素。同時(shí),火山噴發(fā)物(如CO2和SO2)也會(huì)造成氣候波動(dòng)和海洋酸化,從而使海洋生態(tài)系統(tǒng)崩潰,因此可能是埃迪卡拉型生物滅絕的重要機(jī)制。在寒武紀(jì)幸運(yùn)期-第二期,華南地區(qū)沉積物具有較高的Hg/TOC比值但偏正的Δ199Hg同位素(圖1和圖2B),說(shuō)明汞的主要來(lái)源是大氣Hg(II)沉降,可能與火山活動(dòng)減弱有關(guān),進(jìn)而降低了對(duì)海洋生物的傷害,這也為小殼型動(dòng)物的發(fā)育創(chuàng)造了有利條件。值得注意的是,在寒武紀(jì)第三期(Age 3)早期(即大體型動(dòng)物出現(xiàn)時(shí)期),華南和印度地塊沉積物具有相似的汞同位素值(負(fù)的δ202Hg和正的Δ199Hg),并且Hg和TOC具有高度的關(guān)聯(lián)性,反映出海水Hg(II)吸附于有機(jī)質(zhì)而共同大規(guī)模埋藏(圖1),這主要與海平面上升導(dǎo)致缺氧水體擴(kuò)張至大陸架陸棚等區(qū)域有關(guān)(圖2C)。在寒武紀(jì)第三期(Age 3)中晚期,沉積物具有低Hg/TOC比值以及Δ199Hg~0‰同位素特征,指示了陸源汞的輸入,可能與陸源營(yíng)養(yǎng)鹽輸入有關(guān)(圖2D)。
總之,本研究提出的大尺度汞循環(huán)模式不僅揭示出火山活動(dòng)可能是埃迪卡拉型生物滅絕和碳循環(huán)波動(dòng)的重要原因,也為深入認(rèn)識(shí)寒武紀(jì)第三期(Age 3)大規(guī)模有機(jī)質(zhì)的埋藏機(jī)制及其導(dǎo)致的氧水平升高,以及埃迪卡拉-寒武紀(jì)轉(zhuǎn)折期的環(huán)境與生物協(xié)同演化提供了新的視角,相關(guān)研究成果發(fā)表于國(guó)際知名期刊EPSL(Earth and Planetary Science Letters)上。該研究受?chē)?guó)家杰出青年科學(xué)基金(41925014,41825019)等項(xiàng)目聯(lián)合資助。
論文信息:Wu, Yaowen(伍耀文), Yin, Runsheng(尹潤(rùn)生), Li, Chao(李超), Chen, Di(陳迪), Grasby, Stephen E., Li, Tengfei(李騰飛), Ji, Sui(紀(jì)隨), Tian, Hui*(田輝*), Peng, Ping'an(彭平安), 2022. Global Hg cycle over Ediacaran-Cambrian transition and its implications for environmental and biological evolution. Earth and Planetary Science Letters 587, 117551. DOI: 10.1016/j.epsl.2022.117551.

圖1 埃迪卡拉-寒武紀(jì)轉(zhuǎn)折期華南和印度地區(qū)高精度汞含量和同位素特征對(duì)比圖。其中,華南Zhijin和Maosi剖面數(shù)據(jù)引自Yin et al. (2017);印度Mussoorie的汞地球化學(xué)數(shù)據(jù)引自Liu et al. (2021)。
圖2 埃迪卡拉-寒武紀(jì)轉(zhuǎn)折期汞循環(huán)以及海洋氧化還原狀態(tài)模式圖。
參考文獻(xiàn):
Liu, Z.R., Zhou, M.F., Wang, W., 2021. Mercury anomalies across the Ediacaran-Cambrian boundary: Evidence for a causal link between continental erosion and biological evolution. Geochimica et Cosmochimica Acta 304, 327–346.
Yin, R. S., Xu, L. G., Lehmann, B., Lepak, R. F., Hurley, J. P., Mao, J. W., Feng, X. B., Hu R. Z., 2017. Anomalous mercury enrichment in Early Cambrian black shales of South China: mercury isotopes indicate a seawater source. Chemical Geology 467, 159–167.

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