地质地球所揭示早寒武世深海氧化原因

　　寒武纪早期，地球生物出现急剧的演变，埃迪卡拉晚期软体生物消失，而寒武纪生物出现了大爆发。最可能促使大生物演化的内在因素是氧气。深海氧化程度的增强被认为导致了大动物的演化。

　　以前主要利用铁组分和硫同位素组成对过渡时期扬子海洋化学进行研究，但铁组分和硫同位素值主要反映海洋底水条件。而对于分层的海洋而言，表层海水中生物代谢至关重要，这可以通过利用氮同位素值来反映。

　　中国科学院地质与地球物理研究所油气资源研究室研究员蔡春芳以及博士生向雷等选择贵州东南部渣拉沟剖面为研究对象，通过分析测试硅质岩、泥页岩有机碳、硫含量、铁组分、微量元素、有机碳、硫和氮同位素和黄铁矿的硫同位素组成，探讨了当时海洋的生物地球化学过程。贵州东南部渣拉沟剖面是一很好暴露的寒武-前寒武过渡剖面，当时是沉积于浪基面以下的一古高地。在寒武纪 Fortunian 世和第二世绝大部分时间（Fortunian 世，为寒武纪四分中最早的世）内，该位置底部海水是缺氧、富铁的，而表层是氧化的。由于海侵带来的富营养物及甲烷、或者因为热液导致甲烷水合物或气藏的泄露，导致当时海底富含甲烷。甲烷因有氧氧化或被硫酸盐缺氧氧化，造成了CO2和碳酸盐岩碳同位素值发生负偏，同时，浮游植物利用富12C的CO2进行光合作用，也导致了有机碳同位素值的负偏，出现有机和无机碳同时负偏的现象。在Stage 2最早期，该位置底水是硫化的，表层氧化水缺乏，仅以孤立的绿洲存在，FePy/FeHR > 0.7，黄铁矿的δ34S值约为-10‰，分散有机质（干酪根）与黄铁矿之间的差异(Δδ34S) 大。表层水因缺氧，NO3-贫乏，蓝细菌、硫细菌直接利用大气中的N2，干酪根的δ15N值显示为负值。进入Stage 3后，溶解氧气和硫酸盐的浓度开始明显增加，氧化的表层水和氧化-还原过渡带扩大，导致干酪根 δ15N值增大到2–4‰，黄铁矿的δ34S值轻到-24.6‰，Δδ34S高达37‰。因此，扩大的表层水可能是深海氧化的原因之一，它强化了动物的演化。反过来看，由于动物的出现，产生的粪球粒直接沉降而使得对水体中氧气的消耗降低，最终导致海水中的氧渐趋富集。

　　该研究成果近期发表在国际地学刊物Journal of the Geological Society（Cai et al. Marine C, S and N biogeochemical processes in the redox-stratified early Cambrian Yangtze ocean. Journal of the Geological Society, 2015, 172 (3) : 390–404）。

　　图1 寒武纪早期扬子地区从内陆架到盆地相地层对比

图2 渣拉沟剖面有机碳含量、铁组分和碳硫氮同位素值随时间的变化