在新元古代晚期至古生代早期，海洋氧化程度的顯著(zhù)提高，即所謂的“新元古代氧化事件”，被認為與早期多細胞動(dòng)物的出現和演化密切相關(guān)。然而，近年來(lái)的地球化學(xué)指標和模型模擬結果顯示，晚新元古代至早古生代的大氣氧含量明顯低于現代水平，海洋氧化還原呈現劇烈波動(dòng)狀態(tài)，總體氧化程度遠低于現代海洋。因此，我們可以說(shuō)，在低大氣氧背景下發(fā)生了海洋氧化事件。在植物登陸之前，海洋中有機物的合成和埋藏過(guò)程是地表最主要的氧氣來(lái)源，因此海洋生物碳泵的加強被認為是造成這一時(shí)期大氣和海洋氧化的重要因素。然而，除了海洋生物碳泵外，還有其他因素可能在這一時(shí)期的氧化過(guò)程中發(fā)揮著(zhù)重要作用，比如所謂的“礦物碳泵”，即礦物促進(jìn)的有機碳埋藏（圖1）。然而，這方面的作用尚不明確，需要進(jìn)一步的研究來(lái)揭示其在古生代早期海洋氧化事件中的確切作用。
圖1 礦物促進(jìn)的有機碳埋藏增加大氣氧含量示意圖
現代表層海洋合成的有機碳在沉降過(guò)程中會(huì )發(fā)生明顯的再礦化，最終只有極小比例的有機碳可以埋藏進(jìn)入沉積物中。在此過(guò)程中，大量的溶解氧被消耗，導致海水的缺氧程度增加。研究表明，有機物在海洋中的埋藏效率與黏土礦物在大陸架地區的沉積通量直接相關(guān)。黏土礦物對有機質(zhì)的吸附及物理保護可以有效地提高有機質(zhì)在海底沉積物中的埋藏效率。因此，一些學(xué)者提出了陸架沉積物中黏土礦物含量的升高促進(jìn)了新元古代末期海洋氧化事件的發(fā)生，但這一觀(guān)點(diǎn)受到了后續研究的質(zhì)疑。目前，關(guān)于新元古代末期到古生代早期海洋氧化還原變化與陸源黏土礦物輸入之間的聯(lián)系尚缺乏直接有效的證據。
南京大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院魏廣祎副教授聯(lián)合中科院地質(zhì)與地球物理研究所趙明宇特聘研究員、陳代釗研究員、蔡春芳研究員和姜磊研究員以及其他國內外研究單位的科研人員，發(fā)展了海相沉積泥巖鋰同位素體系(δ7Li)，用以示蹤陸源黏土礦物在大陸架沉積物中的輸入比例變化。結合全球沉積地球化學(xué)和古環(huán)境數據庫(SGP)以及生物地球化學(xué)循環(huán)模型，探索了黏土礦物輸入與低氧背景下海洋氧化還原狀態(tài)之間的耦合關(guān)系。
在化學(xué)風(fēng)化過(guò)程中，輕的Li同位素優(yōu)先進(jìn)入次生硅酸鹽礦物中，因此各類(lèi)黏土礦物記錄了偏負的δ7Li信號。海相沉積泥巖全巖的δ7Li值可以有效反映不同來(lái)源硅酸鹽礦物的相對比例。魏廣祎副教授在成都理工大學(xué)李超教授、中科院南京地質(zhì)古生物研究所周傳明研究員、中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)沈俊研究員、美國耶魯大學(xué)Noah Planavsky、Lidya Tarhan教授、波莫納學(xué)院Robert Gaines教授、斯坦福大學(xué)Erik Sperling教授等國內外專(zhuān)家學(xué)者的合作支持下，系統收集和分析了新元古代末期到寒武紀中期全球各地區近600塊海相頁(yè)巖樣品的Li同位素及K/Al比值（圖2），用以限定這一時(shí)期大陸硅酸鹽化學(xué)風(fēng)化和陸源黏土形成的變化。結果顯示，寒武紀早期之后的泥巖記錄了明顯變負的δ7Li和較低K/Al比值，指示大陸硅酸鹽化學(xué)風(fēng)化增強和陸源黏土在海相沉積物中的比例增加。作者進(jìn)一步對SGP數據庫中P、TOC、U含量數據進(jìn)行匯總分析（圖3），發(fā)現負的δ7Li信號時(shí)段海相沉積巖的P、TOC、U含量出現同步上升，表明大陸硅酸鹽風(fēng)化增強和黏土礦物輸入增加與海洋P儲庫、有機碳埋藏量以及海洋總體氧化水平的上升緊密相關(guān)。通過(guò)全球生物地球化學(xué)循環(huán)模型對黏土礦物輸入增加后大氣和海洋氧含量變化進(jìn)行模擬，結果顯示在低大氣氧條件下，陸源黏土輸入通量增加可以導致大氣和深海氧含量的顯著(zhù)增加（圖4）。
圖2 新元古代末期到寒武紀中期 (ca. 660-500 Ma) 海相沉積泥巖Li同位素和K/Al變化
圖3 海相沉積泥巖Li同位素組成變化與同時(shí)期P,TOC,U含量的對應關(guān)系
圖4 全球生物地球化學(xué)循環(huán)模型模擬陸源黏土輸入通量對海洋有機碳埋藏效率、大氣和深海氧含量的促進(jìn)作用
主要參考文獻
Wei G Y,Zhao M,Sperling E A,et al. Lithium isotopic constraints on the evolution of continental clay mineral factory and marine oxygenation in the earliest Paleozoic Era[J]. Science Advances, 2024,10(13):?eadk2152.（原文鏈接）
（撰稿：趙明宇/新生代室）
