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新元古代晚期到寒武纪早期海洋氧化还原状态演化

陈曦  
【摘要】:从新元古代晚期到寒武纪早期,地球系统经历了构造、气候、生态环境和生物演化等多方面的剧变。其中一个显著的表现是发生了继古元古代大氧化事件之后的第二次主要的氧化事件(约720-520 Ma),大气和海洋的氧化水平都在此期间逐渐向现代水平趋近。氧化还原条件和地球上很多重要的地球化学循环息息相关,并且和生物演化相互作用。尤其是作为反映环境中氧化程度的主要化学成分之一——氧气,对多细胞生物的起源和演化起到了至关重要的作用。本文主要利用氧化还原相关的地球化学指标,联系生物演化的历程,并结合地层学,着重从共演化(协同演化)的角度研究了从新元古代晚期到寒武纪早期地球系统内生命和氧化还原环境的变化过程。大塘坡组底部沉积于新元古代晚期Sturtian和Marinoan雪球地球事件之间的间冰期早期。其中较高的高活性铁比例、普遍较低的黄铁矿含量、以及出现罕见较高的酸可挥发性硫含量,都说明当地沉积环境处于缺氧、富铁、少硫的状态。另外,和同时期全球多处其他地区一样,其中黄铁矿的34S富集程度达到地质历史中的最高程度,说明全球海洋硫酸盐浓度可能普遍较低。这可能是由于风化输入的硫酸盐较少,且以黄铁矿形式输出的硫较多这两方面因素造成的。而出现这两种情况可能即和大冰期造成的全球冰封和海洋分层有关,也和包括海洋在内的地球表面长期缺氧有关。低于地幔的碳酸盐δ13CCarb值以及δ13CCcrb和△Carb-OM之间的异常线性关系可能和长期存在于新元古代海洋中的大有机碳库有关。而此大有机碳库的形成可能与微生物主导的海洋“碳泵”有关,现代形式的“碳泵”因为缺少真核浮游植物和宏观动物而尚未形成。埃迪卡拉纪地层从底到顶逐渐增加的黄铁矿和硫酸盐之间的硫同位素分馏程度说明海洋的硫酸盐库在逐渐增大。钼含量和钼同位素组成δ98/95Mo值在Marinoan和Gaskiers冰期之后都有相对较高的值出现,说明冰期消融阶段可能伴随着氧化事件。另外,埃迪卡拉纪早期到中晚期海洋的氧化还原状态在空间分布上可能有明显的差异性/分带性。浅海可能含有一定氧气,深海可能以富铁状态为主,而大陆边缘的部分区域可能在中部深度存在硫化最低含铁带(sulphidic iron-minimum zone,S-IMZ,或“硫化楔”)。本研究同时利用区域性和全球性的氧化还原相关的地球化学指标,揭示此S-IMZ可能在埃迪卡拉纪晚期的海洋氧化过程中在全球扩张,它对有氧呼吸的毒化作用可能阻碍了包括动物在内的真核生物的发展,成为它们所面临的主要自然选择压力。在此事件之后的埃迪卡拉纪末期,灯影组中铈异常Ce/Ce*值从底到顶总体呈现降低趋势,可能反映表层海水和大气中氧气含量的进一步增高。直到此时,宏观的双侧对称动物才以较复杂的遗迹化石和具骨骼的实体化石形式开始出现在地质记录中。埃迪卡拉纪海洋中的初级生产力可能还是主要来自原核生物。动物虽然开始逐渐繁盛,但其以需氧量较少的底栖固着滤食性的埃迪卡拉型动物以及海绵为主,他们可能对降解之前积聚在海洋中的巨量溶解有机碳起到了重要的作用,为以后海洋的进一步氧化扫清了障碍。华南黑色岩系中的δ98/95Mo最高值在寒武纪早期逐步升高,并且在约520 Ma达到现代广海海水的水平,意味着此时海洋的氧化程度首次达到了现代水平。动物最主要的栖息地——大陆边缘的氧化状态可能更加持久稳定,缓解了埃迪卡拉纪时动荡的氧化还原环境对动物生存所造成的压力。这次海洋的深度氧化事件和寒武纪生命大爆发同步,当氧化海底面积扩大到现代水平时,寒武纪生物辐射也达到顶峰,几乎所有的动物门类至此都已出现。动物在氧化的有利环境中,逐步发展了大型化、(反)捕食行为、掘穴行为、骨骼等重要特性。真核浮游植物也开始成为初级生产力的重要组成部分,是中型浮游动物的主要食物来源,并进一步促成了营养层级和个体大小层级的扩展,海洋生态系统的结构向现代趋近。这些生物及其相关特性的出现,不仅大多受到寒武纪早期海洋氧化事件的推动,并且有一部分通过影响海洋的营养元素和碳循环,从而反过来促进并稳定了海洋整体的氧化状态。


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