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地質地球所揭示埃迪卡拉紀-寒武紀過渡時期
揚子海洋氮循環與氧化還原界面的協同演化模式

2019-08-23 地質與地球物理研究所
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  在埃迪卡拉紀早期到寒武紀第三期約120 Myr內,地球經歷了埃迪卡拉紀生物事件、寒武紀生命大爆發、最后一次雪球事件的結束以及羅迪尼亞超大陸的裂解等一系列特殊的地質事件。前人研究提出,新元古代到早寒武世全球海洋的氧化還原條件可能發生了根本性的變化,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發。但隨著研究程度的加深,海水的氧化還原結構還存在較大爭議。

  氮是生命必須的營養元素,生物可利用氮的供給增加有利于產生體積更大的初級生產者。為了更好地約束埃迪卡拉紀-寒武紀過渡時期海水的氧化還原結構、生物可利用氮的供給情況以及與生物演化之間的關系,中國科學院地質與地球物理研究所研究員蔡春芳團隊,在前期對埃迪卡拉紀到寒武紀過渡時期華南海洋碳、氮和硫生物地球化學循環研究(Cai et al., 2015)的基礎上,與美國加州大學河濱分校教授Timothy W. Lyons研究團隊進一步合作,選擇了揚子盆地斜坡地區埃迪卡拉紀到寒武紀第三期的鉆孔剖面,對其進行了高分辨率的碳、氮同位素分析。結合這一時期華南已有的氮同位素數據(圖1),系統論證了揚子地區從埃迪卡拉紀早期到寒武紀第三期氮循環的演化,提出揚子海洋氧化還原結構總體為上下分層,相比于中元古代時期生物可利用氮供給增加。其氮循環演化模式如下(圖2):

  (1)埃迪卡拉紀早期華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華南其他剖面同時代地層高約2.7‰。據此提出,研究剖面所在的上揚子開放斜坡地區相對于其他更局限的地區具有更強烈的反硝化作用。上揚子斜坡地區可能缺氧上升流發育,氧化還原界面較高,表面硝酸鹽儲庫被還原消耗得最明顯。盡管如此,表層水體依然存在生物可利用硝酸鹽,氧化還原界面可能在透光區底界附近。豐富的硝酸鹽供給促進了埃迪卡拉紀宏體多細胞藻類的演化,同時淺水的氧化條件給多細胞動物提供了很好的生存環境。

  2)埃迪卡拉紀晚期華南氮同位素的平均值下降,揚子近岸地區的氮同位素平均值在0‰附近,說明受固氮作用影響增強,可能是由于當時揚子古地理比較復雜,近岸地區水深下降,使之與開放海域隔離形成寡營養海造成的。

  3)寒武紀第二期末期鎳鉬多金屬層附近華南氮同位素值下降到最低(最低值-7.5‰),說明發生氨的不完全吸收作用。通過分析沉積物中的碳氮關系,提出當時的溶解NH4+可能分布在局部硫化水體,溶解NH4+的形成可能跟硫酸鹽還原有機質厭氧氧化有關。這一時期揚子海氧化還原界面可能透光區內部,較淺的氧化還原界面可能跟華南小殼動物群滅絕有關。

  該研究綜合了研究剖面和華南其他地區已有的地球化學、礦物學、巖石學、古生物學和古地理等相關資料,首次發現華南埃迪卡拉紀氮同位素具有盆地梯度,并對氮同位素的盆地梯度提出了模型解釋。同時,首次論證了沉積巖中總有機碳與總氮之間的關系,進一步厘定第二期末期鎳鉬多金屬層附近,深水溶解NH4+的存在位置與形成機理。

  研究成果發表于Geochimica et Cosmochimica Acta

    論文鏈接

 

1 埃迪卡拉紀-寒武紀過渡時期揚子地區的氮同位素分布

 

2 埃迪卡拉紀-寒武紀過渡時期揚子地區的氮循環模式示意圖

打印 責任編輯:葉瑞優

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