淮南、淮北新元古代早期古海洋氧化还原状态及其与真核生物的协同演化

Abstract: Abundant macroscopic multicellular fossils and acritarchs occur in the early Neoproterozoic strata (1000-750 Ma). This interval witnessed a substantial increase in both the diversity and morphospace of fossil eukaryotes, suggesting weakening of evolutionary constraint on eukaryotes that is imposed by widespread euxinia in Mesoproterozoic. However, frequent occurrences of Molar Tooth carbonate implies widespread sulfidic ocean in early Neoproterozoic. Thus, the early Neoproterozoic may represent an important transition in the evolution of Earth system. To elucidate the biological and environmental evolution during this transition, we propose to conduct multidisciplinary study on the Neoproterozoic Huainan and Huaibei groups that are widely outcropped in the Huainan and Huaibei regions in North China. We use S-C-N isotopes, iron speciation, and Ge/Si to reconstruct the redox evolution in paleoceans, and apply the quantitative paleobiology to analyze the paleoecology of macroscopic multicellular organism. On the basis of above researches, we discuss the interplay between the biological evolution and environment change in early Neoproterozoic. This study will provide important information on the origin of Neoproterozoic Oxidation Event at 750 Ma, and on the dynamics of transition of Earth system from the long-lasting stability (the boring billion) to the extreme climatic condition (the Neoproterozoic global glaciation).

新元古代早期（1000-750 Ma）出现了大量的多细胞宏体生物化石以及疑源类化石，物种多样性和形态空间范围都有了较大增加，表明中元古代广泛存在的、抑制真核生物演化的海洋硫化的减弱。但是,“臼齿”碳酸盐岩在新元古代早期地层中的大量出现却指示海洋硫化的广泛存在。这说明新元古代早期可能是代表了一个重要的转折阶段。为探讨新元古代早期海洋环境和生物的演化，我们将对出露于我国淮北、淮南地区新元古代早期的淮北群和淮南-肥水群进行地球化学和古生态学综合研究。采用硫-碳-氮同位素、铁组分和锗硅元素比等多种地化指标对古海洋的氧化还原演化进行恢复；运用定量古生物学对宏体多细胞化石的古生态进行分析；进而探讨新元古代早期生物与环境的协同演化关系。本项研究将为探讨新元古代氧化事件（750 Ma）的起因，以及揭示地球系统由长期稳定状态（沉闷的十亿年）进入极端气候条件（新元古代全球冰期）的动力学机制提供重要的证据。

新元古代早期（1000-750Ma）是地质历史上“沉闷的十亿年”的尾声，是地球由长期稳定状态进入极端气候条件的重要的转折阶段。这段时期多细胞宏体化石和疑源类化石开始大量出现，表明长期存在的海洋的硫化条件可能发生削弱。为探讨新元古代早期海洋环境和生物的演化，我们选取了我国淮北、淮南地区的新元古代早期淮北群和淮南-肥水群的6个典型剖面进行了地球化学和古生态学研究。在该项研究中，我们建立了利用碳酸盐晶格中的Fe（II）含量（Fecarb）来定量恢复洋底（水岩界面）氧逸度的新方法。通过测量Fecarb及其它主微量和C、O、S、N等同位素地球化学指标，发现新元古代早期海洋局部洋底是富氧的，局部洋底氧逸度可能不低于100μmol/L，这一富氧生境可能与底栖微生物席发育并通过光合作用产生大量氧气有关。这种局部富氧的“绿洲”，可能为即将到来的动物的演化提供了必要条件。目前普遍认为，直至寒武纪，大气中氧气含量不高，全球海底广泛缺氧，而这一研究结果将海底局部氧化的时间提早到了新元古代早期。通过对刘老碑组和九里桥组万余件宏体化石的系统研究和古生态分析，我们对现有的属种重新进行厘定，并识别出5个新种和1个未定种。新材料淮南龙凤山藻Longfengshania huainanensis sp. nov.的发现也填补了刘老碑组内具组织器官分化的底栖固着型藻类的空白。通过对九里桥组宏体化石物种丰度、生物密度以及生物大小等的定量分析，认为该时期生物经历了周期性的群落繁盛与衰落，物种丰富度与生物密度和生物的大小呈正相关关系。生态学研究结果表明各物种之间同步增减，反映了种间和种内竞争均不激烈，体现出该时期古水体对初级生产者而言营养物质充足，生存空间宽裕的生境特征。此外，在九顶山组的硅质结核中发现了大量保存精美的丝状和球状化石，其中包括13个新种，我们还恢复了这些微体化石所代表的两种分裂生殖过程。本项研究从环境和生物两方面探究了淮北淮南地区新元古代早期古海水氧化还原状况与生物演化的重要信息，为研究极端环境前夕稳定地球系统中多细胞生物起源和演化提供了重要的证据。