埃迪卡拉紀(jì)深水相藍(lán)田組黃鐵礦的主要形態(tài)及其原位微區(qū)硫同位素組成特征
（神秘的地球uux.cn報(bào)道）據(jù)中國科學(xué)院南京地質(zhì)古生物研究所：通常認(rèn)為，氧氣是學(xué)新復(fù)雜多細(xì)胞生物得以生存和繁衍的重要條件之一。孕育了地球上最早的研究洋深氧化復(fù)雜多細(xì)胞生物的埃迪卡拉紀(jì)海洋，其深層海水是揭示紀(jì)海經(jīng)開否發(fā)生了大規(guī)模氧化？中國科學(xué)院南京地質(zhì)古生物研究所王偉副研究員等人的最新研究成果，為了解當(dāng)時(shí)海洋的埃迪氧化狀態(tài)提供了新的證據(jù)，相關(guān)成果于2021年1月27日在線發(fā)表于國際知名期刊《地質(zhì)學(xué)》（Geology）。卡拉
距今6.35–5.38億年前的層海埃迪卡拉紀(jì)是地球生命演化的關(guān)鍵轉(zhuǎn)折時(shí)期。該時(shí)期地層中產(chǎn)出了大量由復(fù)雜多細(xì)胞生命組成的水可始化石生物群，例如：華南揚(yáng)子地臺(tái)的規(guī)模“藍(lán)田生物群”、“甕安生物群”、地質(zhì)“廟河生物群”及“石板灘生物群”等。學(xué)新復(fù)雜多細(xì)胞生物的研究洋深氧化生命活動(dòng)需要消耗大量氧氣，它們的揭示紀(jì)海經(jīng)開出現(xiàn)代表著當(dāng)時(shí)海洋環(huán)境中含氧量的增高，但是埃迪許多研究卻認(rèn)為新元古代晚期埃迪卡拉紀(jì)海洋的深水區(qū)仍處于還原狀態(tài)。
近期，卡拉南京古生物所王偉副研究員、關(guān)成國助理研究員和周傳明研究員等與中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所同事合作，利用黃鐵礦硫同位素原位微區(qū)分析方法（nanoSIMS），并結(jié)合巖石學(xué)和礦物學(xué)分析，揭示了埃迪卡拉紀(jì)海洋中的硫酸根庫容量比先前估計(jì)的要高，表明當(dāng)時(shí)深層海水可能已經(jīng)開始大規(guī)模氧化。同時(shí)，本研究指出全巖硫同位素指標(biāo)在古環(huán)境重建中存在一定的局限性，并提供了相應(yīng)的解決方案。
地質(zhì)歷史時(shí)期古海洋環(huán)境的恢復(fù)多借助于地球化學(xué)手段，硫同位素是其中最常用的地化指標(biāo)之一。在大氣含氧量普遍較低的情況下，陸源硫酸根離子是海洋的重要氧化劑，對(duì)古海洋深水區(qū)的氧化起到關(guān)鍵性作用。在硫酸鹽還原細(xì)菌作用下，硫酸根與有機(jī)質(zhì)發(fā)生氧化還原反應(yīng)，硫同位素在氧化態(tài)（硫酸根）和還原態(tài)（例如黃鐵礦）中發(fā)生同位素分餾。盡管引發(fā)硫同位素分餾的因素很多，但其分餾程度（Δ34S=δ34SCAS–δ34SPy）常用來反推地質(zhì)歷史時(shí)期海洋環(huán)境中的硫酸根濃度和古海洋的氧化能力。
埃迪卡拉紀(jì)沉積地層中的硫同位素組成較為復(fù)雜，主要表現(xiàn)在不同沉積層位的Δ34S值存在較大變化范圍（0~50‰）。綜合其他地化指標(biāo)，普遍認(rèn)為埃迪卡拉紀(jì)較大范圍的Δ34S值與該時(shí)期海洋中較低的硫酸根濃度有關(guān)（深水區(qū)硫酸根濃度< 1 mM）。然而，以往傳統(tǒng)硫同位素方法的應(yīng)用多采取全巖分析手段，缺乏系統(tǒng)的巖石學(xué)和礦物學(xué)分析，并未充分考慮沉積硫化物（例如黃鐵礦）形成過程及后期成巖作用的復(fù)雜性。早期的方法有可能導(dǎo)致所提取的古海水中的同位素信號(hào)疊加了其他介質(zhì)（例如孔隙水、成巖后期的地下水體）的信號(hào)，致使我們對(duì)當(dāng)時(shí)海洋水體的氧化還原狀態(tài)的認(rèn)識(shí)產(chǎn)生偏差。
為解決以上問題，研究團(tuán)隊(duì)以埃迪卡拉紀(jì)深水相藍(lán)田巖芯樣品為研究對(duì)象，系統(tǒng)分析了埃迪卡拉系藍(lán)田組硫同位素組成復(fù)雜變化的原因，并評(píng)估了全巖硫同位素方法恢復(fù)地質(zhì)歷史時(shí)期古海洋環(huán)境的可靠性。連續(xù)、完整、新鮮的巖芯樣品為進(jìn)行系統(tǒng)可靠的巖石學(xué)和礦物學(xué)觀察，以及地球化學(xué)分析提供了有力保障。
研究結(jié)果表明：1）埃迪卡拉紀(jì)藍(lán)田巖芯中的沉積黃鐵礦主要存在兩種形態(tài)：草莓狀黃鐵礦和自形/半自形黃鐵礦。草莓狀黃鐵礦具中等大小的粒徑范圍（5.9 ± 2.0 μm – 8.7 ± 4.1 μm），具較低且穩(wěn)定的同位素組成（δ34SPy均值為–25.3 ± 6.2‰），形成于底層水體或沉積物的淺表面，代表了開放的形成環(huán)境。部分草莓狀黃鐵礦具有成巖過程中形成的重結(jié)晶和包殼現(xiàn)象，與保存完好的草莓狀黃鐵礦相比，它們的硫同位素?cái)?shù)值相對(duì)較高但仍為負(fù)值；2）與之相比，自形/半自形黃鐵礦具立方體、五角十二面體和八面體晶形，以單晶體和聚合體形態(tài)存在，具較高而變化范圍較大的δ34SPy值（12.6 ± 13.3‰）。推測(cè)它們形成于與上覆水體不甚通暢的封閉環(huán)境，較大的值域分布應(yīng)為在孔隙水微環(huán)境中發(fā)生的瑞利分餾導(dǎo)致的庫效應(yīng)所致；3）草莓狀黃鐵礦和自形/半自形黃鐵礦中的δ34SPy值相差較大，在同一樣品中兩者的δ34SPy值最大差異可達(dá)43.6 ± 4.5‰。剖面中全巖δ34SPy值的變化應(yīng)由樣品中草莓狀黃鐵礦和自形/半自形黃鐵礦組成比例不同導(dǎo)致，并不能反映海水中硫酸根濃度水平的變化。
研究表明形成于開放水體環(huán)境、未經(jīng)成巖作用改造的草莓狀黃鐵礦的硫同位素組成最有可能代表底層水體的同位素分餾狀態(tài)，可以作為恢復(fù)古海洋氧化還原條件的研究載體。本研究還基于硫循環(huán)模型，估算了埃迪卡拉紀(jì)硫酸根濃度，認(rèn)為以往基于全巖硫同位素的研究很可能嚴(yán)重低估了此時(shí)期海洋中的硫酸根濃度及其海洋氧化能力，推測(cè)埃迪卡拉紀(jì)硫酸根庫容量可能已經(jīng)足夠滿足深層海水的氧化，從而為復(fù)雜多細(xì)胞生命的發(fā)展提供了保障。
本研究的樣品采集、光學(xué)顯微鏡和掃描電子顯微鏡觀察在南京古生物所實(shí)驗(yàn)室完成，nanoSIMS同位素測(cè)試在中科院地質(zhì)與地球物理研究所納米離子探針實(shí)驗(yàn)室完成。
此項(xiàng)研究獲得了國家科技部、中國科學(xué)院和國家自然科學(xué)基金委員會(huì)項(xiàng)目資助。
相關(guān)論文信息：Wei Wang*, Yongliang Hu, A. Drew Muscente, Huan Cui, Chengguo Guan, Jialong Hao, Chuanming Zhou*, 2021, Revisiting Ediacaran sulfur isotope chemostratigraphy with in situ nanoSIMS analysis of sedimentary pyrite. Geology, v. 49, https://doi.org/10.1130/G48262.1
相關(guān)報(bào)道：中科院南京古生物所：研究表明6億年前海洋深處有氧氣
（神秘的地球uux.cn報(bào)道）據(jù)中國科學(xué)報(bào)（沈春蕾）：如果沒有氧氣供給，人類會(huì)窒息而亡。復(fù)雜多細(xì)胞生物的生存和繁衍也離不開氧氣。埃迪卡拉紀(jì)古海洋孕育了地球上最早的復(fù)雜多細(xì)胞宏體生物，其深層海水是否含有氧氣？中科院南京地質(zhì)古生物研究所（以下簡(jiǎn)稱南京古生物所）等單位開展研究，為揭示當(dāng)時(shí)海洋的氧化狀態(tài)提供了新證據(jù)。相關(guān)研究成果近日在線發(fā)表于《地質(zhì)學(xué)》。
距今6.35億至5.38億年前的埃迪卡拉紀(jì)是地球生命演化的關(guān)鍵轉(zhuǎn)折時(shí)期。該時(shí)期地層中產(chǎn)出了大量由復(fù)雜多細(xì)胞生命組成的化石生物群，如華南揚(yáng)子地臺(tái)的藍(lán)田生物群、甕安生物群、廟河生物群及石板灘生物群等。復(fù)雜多細(xì)胞生物的出現(xiàn)表明當(dāng)時(shí)海洋環(huán)境中含氧量增加，但一些研究卻認(rèn)為晚期埃迪卡拉紀(jì)海洋的深水區(qū)大部分時(shí)間仍處于還原缺氧狀態(tài)。
為此，南京古生物所研究員王偉、碩士研究生胡永亮、助理研究員關(guān)成國、研究員周傳明等與中科院地質(zhì)與地球物理研究所科研人員及國外學(xué)者合作，利用黃鐵礦硫同位素原位微區(qū)分析方法，并結(jié)合巖石學(xué)和礦物學(xué)分析，揭示了埃迪卡拉紀(jì)古海洋中的硫酸根庫容量比先前估計(jì)的高，表明在埃迪卡拉紀(jì)早期深層海水可能已經(jīng)開始大規(guī)模氧化。
地質(zhì)歷史時(shí)期古海洋環(huán)境重建多借助于地球化學(xué)手段，硫同位素是最常用的指標(biāo)之一。王偉告訴《中國科學(xué)報(bào)》：“我們的研究發(fā)現(xiàn)全巖硫同位素指標(biāo)在古環(huán)境重建中存在一定的局限性，并提供了相應(yīng)的解決方案。”
在大氣含氧量普遍較低的情況下，陸源硫酸根離子是海洋的重要氧化劑，對(duì)古海洋深水區(qū)的氧化起到關(guān)鍵性作用。在硫酸鹽還原細(xì)菌作用下，硫酸根與有機(jī)質(zhì)發(fā)生氧化還原反應(yīng)，硫同位素在氧化態(tài)（硫酸根）和還原態(tài)（例如黃鐵礦）中發(fā)生同位素分餾。盡管引發(fā)硫同位素分餾的因素很多，但其分餾程度常用來反推地質(zhì)歷史時(shí)期海洋環(huán)境中的硫酸根濃度和古海洋的氧化能力。
埃迪卡拉紀(jì)沉積地層中的硫同位素組成較為復(fù)雜。以往傳統(tǒng)硫同位素方法的應(yīng)用多采取全巖分析手段，缺乏系統(tǒng)的巖石學(xué)和礦物學(xué)分析，并未充分考慮沉積硫化物（例如黃鐵礦）形成過程及后期成巖作用的復(fù)雜性。王偉說：“早期的方法有可能導(dǎo)致提取的古海水中的同位素信號(hào)疊加了其他介質(zhì)（例如孔隙水、成巖后期的地下水體）信號(hào)，致使我們對(duì)當(dāng)時(shí)海洋水體的氧化還原狀態(tài)的認(rèn)識(shí)產(chǎn)生偏差。”
為解決以上問題，研究團(tuán)隊(duì)以埃迪卡拉紀(jì)深水相藍(lán)田巖芯樣品為研究對(duì)象，系統(tǒng)分析了埃迪卡拉紀(jì)藍(lán)田組硫同位素組成復(fù)雜變化的原因，并評(píng)估了全巖硫同位素方法恢復(fù)地質(zhì)歷史時(shí)期古海洋環(huán)境的可靠性。連續(xù)、完整、新鮮的巖芯樣品，為進(jìn)行系統(tǒng)可靠的巖石學(xué)和礦物學(xué)觀察以及地球化學(xué)分析提供了有力保障。
研究表明，形成于開放水體環(huán)境、未經(jīng)成巖作用改造的草莓狀黃鐵礦的硫同位素組成最有可能代表底層水體的同位素分餾狀態(tài)，可以作為恢復(fù)古海洋氧化還原條件的研究載體。
研究團(tuán)隊(duì)還基于硫循環(huán)模型，估算了埃迪卡拉紀(jì)硫酸根濃度，認(rèn)為以往基于全巖硫同位素的研究很可能嚴(yán)重低估了這一時(shí)期海洋中的硫酸根濃度及其海洋氧化能力，推測(cè)埃迪卡拉紀(jì)硫酸根庫容量可能已經(jīng)足夠滿足深層海水的氧化，從而為復(fù)雜多細(xì)胞生命的發(fā)展提供了保障。

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