Ba同位素示踪埃迪卡拉纪—寒武纪早期扬子海初级生产力时空演化

The Ediacaran to early Cambrian (635–521 Ma) witnessed large fluctuations of marine carbon cycle, complex temporary and spatial evolutions of marine redox states, and the naissance and radiation of metazoans, leading up to the ‘Cambrian Explosion’. Variations in marine primary productivities may have played an essential role on the co-evolution of early lives and environments, however, limited studies have focused on it. Barium isotopes is an emerging proxy that has shown potential to trace paleo-productivity. This project plans to study/analyzed Ba-isotope compositions of the Ediacaran-early Cambrian carbonates from typical sections deposited at different sedimentary facies of the Yangtze Block. The aims are to reconstruct temporary and spatial evolutions of primary productivities in the Yangtze Ocean from the Ediacaran to early Cambrian, to understand their relations with marine carbon cycle and redox evolutions, and to provide clues for exploring the driving force for the co-evolution of early lives and environments.

埃迪卡拉纪—寒武纪早期（635–521 Ma）见证了海洋碳循环的剧烈波动，海洋氧化还原状态复杂的时间与空间演化，以及后生动物的出现与辐射，继而出现了“寒武纪生命大爆发”。这一重大生命-环境演化事件的驱动因素一直是当代自然科学研究的重要课题，而海洋初级生产力的变化很可能在此起到了至关重要的作用，但目前为止相关的研究却非常有限。Ba同位素是新近发展的金属稳定同位素体系，具有示踪古海洋生产力的潜力。本申请项目拟对扬子板块各沉积相代表性剖面的埃迪卡拉系—寒武系底部碳酸盐岩进行Ba同位素分析，重建埃迪卡拉纪—寒武纪早期扬子板块海洋初级生产力在时间和空间上的演化信息，探讨其与该时期海洋碳循环、氧化还原状态演化的复杂内在联系，为进一步从地球系统的综合角度探讨生命-环境协同演化提供线索。

Ba同位素（δ138Ba）是新近发展的金属稳定同位素体系，对其在现代海洋中的生物地球化学循环研究发现，其具有示踪海洋生物生产力的潜力。但是，海洋在绝大多数地质历史时期主要以缺氧状态为主，而缺氧环境下Ba的生物地球化学循环则与氧化环境下截然不同，直接利用该指标示踪古海洋生产力水平可能存在问题。埃迪卡拉纪是地球演化史上至关重要的时期，见证了全球性冰川事件之后气温的迅速回暖，大气和海洋氧气含量的显著提升，海洋碳循环的剧烈波动，以及真核生物的繁盛和后生动物的首次出现。这些气候、环境和生命演化事件皆被埃迪卡拉纪地层完美记录，为我们观察这一特殊时期Ba的生物地球化学循环变化提供给了良好的机会。我们发现，三峡地区埃迪卡拉系陡山沱组和灯影组碳酸盐岩的δ138Ba值存在巨大的波动，且并非是由碎屑干扰和后期成岩作用所致。陡山沱组第一段最底部和第二段的碳酸盐岩记录了负的δ138Ba（平均值约为-0.3‰），表明Marinoan冰期之后扬子地台内盆地相存在一个巨大的、混合均一且富集轻Ba同位素的库。陡山沱组第三段碳酸盐岩记录了地质历史上最为显著的碳同位素负漂移，但是δ138Ba值仅在0.00‰到0.35‰之间呈微小的波动，可能是局部水体的缺氧/硫化限制了该时期该区域Ba的生物地球化学循环。灯影组蛤蟆井段至石板滩段碳酸盐岩的δ138Ba值逐渐上升，同时伴随着Ce/Ce*值的下降，表明埃迪卡拉纪晚期扬子地台浅层水体的Ba生物地球化学循环可能与现代海洋类似，可能是真核宏体藻类取代蓝藻细菌成为主要的初级生产者所致。通过上述观察可知，海洋中Ba的生物地球化学循环会受到局部水体氧化还原状态的强烈控制，因此Ba同位素体系可能更适用于示踪氧化水体的生产力水平。