作者:沈春蕾 来源:中国科学报 发布时间:2021/2/2 14:26:29
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海洋深处6亿年前有氧气吗?

 

如果没有氧气的供给,人类会窒息而亡。复杂多细胞生物的生存和繁衍也离不开氧气。埃迪卡拉纪古海洋孕育了地球上最早的复杂多细胞宏体生物,其深层海水是否含有氧气?中国科学院南京地质古生物研究所(以下简称南京古生物所)等单位开展研究,为当时海洋的氧化状态提供了新的证据,相关研究成果1月27日在线发表于《地质学》。

距今6.35亿–5.38亿年前的埃迪卡拉纪是地球生命演化的关键转折时期。该时期地层中产出了大量由复杂多细胞生命组成的化石生物群,如:华南扬子地台的“蓝田生物群”“瓮安生物群”“庙河生物群”及“石板滩生物群”等。复杂多细胞生物的出现代表着当时海洋环境中含氧量的增高,但是一些研究却认为晚期埃迪卡拉纪海洋的深水区大部分时间仍处于还原缺氧状态。

为此,南京古生物所副研究员王伟、硕士研究生胡永亮、博士关成国、研究员周传明等与中科院地质与地球物理研究所科研人员及国外院校学者合作,利用黄铁矿硫同位素原位微区分析方法,并结合岩石学和矿物学分析,揭示了埃迪卡拉纪海洋中的硫酸根库容量比先前估计的要高,表明在埃迪卡拉纪早期深层海水可能已经开始大规模氧化。

地质历史时期古海洋环境的恢复多借助于地球化学手段,硫同位素是其中最常用的地化指标之一。王伟告诉《中国科学报》:“我们的研究发现全岩硫同位素指标在古环境重建中存在一定的局限性,并提供了相应的解决方案。”

在大气含氧量普遍较低的情况下,陆源硫酸根离子是海洋的重要氧化剂,对古海洋深水区的氧化起到关键性作用。在硫酸盐还原细菌作用下,硫酸根与有机质发生氧化还原反应,硫同位素在氧化态(硫酸根)和还原态(例如黄铁矿)中发生同位素分馏。尽管引发硫同位素分馏的因素很多,但其分馏程度常用来反推地质历史时期海洋环境中的硫酸根浓度和古海洋的氧化能力。

埃迪卡拉纪沉积地层中的硫同位素组成较为复杂。以往传统硫同位素方法的应用多采取全岩分析手段,缺乏系统的岩石学和矿物学分析,并未充分考虑沉积硫化物(例如黄铁矿)形成过程及后期成岩作用的复杂性。王伟说:“早期的方法有可能导致所提取的古海水中的同位素信号叠加了其他介质(例如孔隙水、成岩后期的地下水体)的信号,致使我们对当时海洋水体的氧化还原状态的认识产生偏差。”

为解决以上问题,研究团队以埃迪卡拉纪深水相蓝田岩芯样品为研究对象,系统分析了埃迪卡拉系蓝田组硫同位素组成复杂变化的原因,并评估了全岩硫同位素方法恢复地质历史时期古海洋环境的可靠性。连续、完整、新鲜的岩芯样品为进行系统可靠的岩石学和矿物学观察,以及地球化学分析提供了有力保障。

研究表明,形成于开放水体环境、未经成岩作用改造的草莓状黄铁矿的硫同位素组成最有可能代表底层水体的同位素分馏状态,可以作为恢复古海洋氧化还原条件的研究载体。

研究团队还基于硫循环模型,估算了埃迪卡拉纪硫酸根浓度,认为以往基于全岩硫同位素的研究很可能严重低估了此时期海洋中的硫酸根浓度及其海洋氧化能力,推测埃迪卡拉纪硫酸根库容量可能已经足够满足深层海水的氧化,从而为复杂多细胞生命的发展提供了保障。

相关论文信息:https://doi.org/10.1130/G48262.1

 
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