华南晚寒武世SPICE事件的多硫同位素记录及其对古环境时空演化特征的指示作用

The late Cambrian Steptoean Positive Carbon Isotope Excursion (SPICE) represents a pronounced positive carbon isotopic shift (~4‰–6‰) in Earth history, and has been considered as evidence for a profound disturbance to the global carbon cycle. The global SPICE begins coincident with the extinction ending the Marjumid biomere, and it is followed by an increase in plankton diversity. Oceanic chemistry changes is frequently invoked as a primary driver of mass extinction as well as a long-term inhibitor of evolutionary radiation on early Earth. However, the changes of oceanic chemistry during the SPICE and its influence on biological evolution remain controversial to data. Based on the biostratigraphy and sedimentary facies studies, the project proposed here aims to provide high-resolution multiple S-isotopes data from multiple broadly regional late Cambrian (Furongian) sections that were deposited along a paleoenvironmental gradient from shelf to lower slope in South China. Integrated with high-resolution multiple S-isotopic records in different sections and numerical box model, we should be able to reconstruct the temporal-spatial changes in oceanic chemistry. The new approach of studying paleobathymetry-dependent multiple S-isotopic records in this proposal would provide new insights into how environmental changes may have influenced the mass extinction and the subsequent plankton diversification that coincides with the late Cambrian SPICE event.

晚寒武世Steptoean阶碳同位素正异常事件(SPICE)是地质历史中一个重要的全球性事件，其异常幅度高达~4‰–6‰。SPICE的起始对应着一次大规模的三叶虫和无铰腕足类物种的绝灭，而在SPICE之后浮游动植物多样性开始迅速提高。一直以来海洋化学条件的变化被认为是地球早期大规模生物灭绝和生物辐射事件的主要驱动力之一。但SPICE时期海洋化学条件的变化及其对生物演化的影响机制依旧存在争议。本项目将在前人精细的生物地层学和沉积学研究工作基础上，对华南沉积于不同水深的多个剖面(包括瓦尔岗、碓边A和碓边B等剖面)进行黄铁矿和碳酸盐晶格中的微量硫酸盐(CAS)的多硫同位素研究。通过分析多硫同位素随水深变化的规律，结合模型计算，重建晚寒武SPICE时期海洋化学条件的时、空演化特征，从而为SPICE时期生物灭绝及其后浮游动植物辐射事件的环境响应机制提供新的观点和认识。

SPICE (Steptoean Positive Carbon Isotope Excursion)是记录在晚寒武世地层的一个全球性碳同位素正偏事件，其也是显生宙以来最大的全球性碳同位素正异常事件之一。同时SPICE硫同位素正异常是第一个被高分辨数据确认的具有全球性特征的硫同位素正异常事件。由于SPICE与部分三叶虫的灭绝在时间上具有一致性，因此受到了研究者的广泛关注。本项目“华南晚寒武世SPICE事件的多硫同位素记录及其对古环境时空演化特征的指示作用” 将在前人精细的生物地层学和沉积学研究工作基础上，对华南沉积于不同水深的多个剖面(包括瓦尔岗、王村、 碓边A和碓边B等剖面)进行黄铁矿和碳酸盐晶格中的微量硫酸盐(CAS)的多硫同位素研究。通过对所得的多硫同位素数据进行了综合分析，并与模型结果进行对比，发现多硫同位素数据在第一到第四象限均有分布，说明在SPICE发生之时及前后时期海洋硫循环较为复杂。在SPICE发生之前的数据均落在第一、二象限，表明此时硫的生物地球化学循环主要受到硫酸盐还原作用及硫歧化作用的影响。在SPICE的起始阶段出现的负Δ33S数据指示了在不同环境下生成的黄铁矿的混合过程，深部硫化海水上涌被认为是造成混合作用的主要驱动机制。结合生物地层资料，Δ33S 负异常数据产生的层位对应着生物数目及种类迅速下降，表明硫化海水上涌可能是导致SPICE起始阶段部分生物绝灭的主导因素。而随后δ34S与Δ36S的正偏移以及Δ33S的负异常可能与黄铁矿埋藏比例增加有关。此外，SPICE时期的多硫同位素数据呈现出随时间顺时针演化的趋势。经模型计算表明，这种数据的演化模式可由硫酸盐浓度逐渐降低造成。上述结果证实在寒武纪SPICE时期古海洋存在分层结构，在晚寒武纪海洋深部为广泛的厌氧水体，厌氧水体不断扩张造成黄铁矿埋藏比例增加，从而导致了δ34S与Δ36S的正偏移和Δ33S的负偏移，以及古海洋硫酸盐浓度的逐渐降低。因此本研究为SPICE时期生物灭绝的环境响应机制提供新的观点和认识。