研究揭示扬子海洋氮循环与氧化还原界面的协同演化模式

　　在埃迪卡拉纪早期到寒武纪第三期约120 Myr内，地球经历了埃迪卡拉纪生物事件、寒武纪生命大爆发、最后一次雪球事件的结束以及罗迪尼亚超大陆的裂解等一系列特殊的地质事件。前人研究提出，新元古代到早寒武世全球海洋的氧化还原条件可能发生了根本性的变化，即新元古代大氧化事件（NOE），氧含量的增加可能有利于生物大爆发。但随着研究程度的加深，海水的氧化还原结构还存在较大争议。

　　氮是生命必须的营养元素，生物可利用氮的供给增加有利于产生体积更大的初级生产者。为了更好地约束埃迪卡拉纪-寒武纪过渡时期海水的氧化还原结构、生物可利用氮的供给情况以及与生物演化之间的关系，中国科学院地质与地球物理研究所研究员蔡春芳团队，在前期对埃迪卡拉纪到寒武纪过渡时期华南海洋碳、氮和硫生物地球化学循环研究（Cai et al., 2015）的基础上，与美国加州大学河滨分校教授Timothy W. Lyons研究团队进一步合作，选择了扬子盆地斜坡地区埃迪卡拉纪到寒武纪第三期的钻孔剖面，对其进行了高分辨率的碳、氮同位素分析。结合这一时期华南已有的氮同位素数据（图1），系统论证了扬子地区从埃迪卡拉纪早期到寒武纪第三期氮循环的演化，提出扬子海洋氧化还原结构总体为上下分层，相比于中元古代时期生物可利用氮供给增加。其氮循环演化模式如下（图2）：

　　（1）埃迪卡拉纪早期华南氮同位素的平均值最高（5.3‰），研究剖面的氮同位素平均值要比华南其他剖面同时代地层高约2.7‰。据此提出，研究剖面所在的上扬子开放斜坡地区相对于其他更局限的地区具有更强烈的反硝化作用。上扬子斜坡地区可能缺氧上升流发育，氧化还原界面较高，表面硝酸盐储库被还原消耗得最明显。尽管如此，表层水体依然存在生物可利用硝酸盐，氧化还原界面可能在透光区底界附近。丰富的硝酸盐供给促进了埃迪卡拉纪宏体多细胞藻类的演化，同时浅水的氧化条件给多细胞动物提供了很好的生存环境。

　　（2）埃迪卡拉纪晚期华南氮同位素的平均值下降，扬子近岸地区的氮同位素平均值在0‰附近，说明受固氮作用影响增强，可能是由于当时扬子古地理比较复杂，近岸地区水深下降，使之与开放海域隔离形成寡营养海造成的。

　　（3）寒武纪第二期末期镍钼多金属层附近华南氮同位素值下降到最低（最低值-7.5‰），说明发生氨的不完全吸收作用。通过分析沉积物中的碳氮关系，提出当时的溶解NH4+可能分布在局部硫化水体，溶解NH4+的形成可能跟硫酸盐还原有机质厌氧氧化有关。这一时期扬子海氧化还原界面可能透光区内部，较浅的氧化还原界面可能跟华南小壳动物群灭绝有关。

　　该研究综合了研究剖面和华南其他地区已有的地球化学、矿物学、岩石学、古生物学和古地理等相关资料，首次发现华南埃迪卡拉纪氮同位素具有盆地梯度，并对氮同位素的盆地梯度提出了模型解释。同时，首次论证了沉积岩中总有机碳与总氮之间的关系，进一步厘定第二期末期镍钼多金属层附近，深水溶解NH4+的存在位置与形成机理。

　　研究成果发表于Geochimica et Cosmochimica Acta。