华南陡山沱组下部黑色页岩段沉积期的氮循环过程及对成氧事件的响应

Abundant fossils, particularly earliest metazoan, were reported from the black shale unit immediately above the Doushantuo cap carbonate in South China. Such an important biological innovation was considered to have close relationship with ocean environment change. However, the evolution of ocean redox of this key period remains highly controversial. It is argued that high enrichment of redox-sensitive elements (such as Mo, V, U) in the black shale overlying the Doushantuo cap carbonate is compelling evidence for pervasive ocean oxygenation at ~630 Ma which paved the way for the occurrence of early metazoan. Whereas, other geochemical research, especially iron speciation, suggests that the ocean, with a shallow thin oxic layer, was still dominated by anoxic environment in the early Ediacaran. To further clarify this question, this project is designed to conduct detailed nitrogen isotope research in the black shale unit of the lower Doushantuo Formation in multiple sections across the Yangtze platform, then to reveal the ocean N cycle in response to the redox change during the early Ediacaran in South China, and finally to test whether the ocean was pervasively oxygenized at ~630 Ma. The combination of our work and previously published research will facilitate the investigation of co-evolution between life and ocean environment during this period.

华南埃迪卡拉纪陡山沱组盖帽碳酸盐岩之上的黑色页岩中含有大量的生物化石，尤其是发现了最早的后生动物记录。这种重大的生物变革被认为与埃迪卡拉纪早期的海洋氧化还原环境的变化密切相关，然而关于这个时期的海洋环境演化过程仍存在着较大分歧。氧化还原敏感元素研究结果表明，海洋环境在埃迪卡拉纪早期（~630 Ma）已普遍氧化，为后生动物的出现创造了有利的条件；而其他的一些地球化学证据尤其是Fe组分的研究认为埃迪卡拉纪早期的海洋仍然以缺氧为主，仅浅部有一极薄的含氧层。为进一步澄清这一问题，本项目拟选择陡山沱组盖帽碳酸盐岩之上的黑色页岩为研究对象，通过对多条不同沉积环境的剖面开展详细的N同位素研究，揭示华南地区埃迪卡拉纪早期海洋N循环过程，深入分析N循环对海洋氧化还原转变的响应，进而验证海洋环境是否在~630 Ma普遍氧化及氧化程度。在上述工作的基础上并结合前人研究成果，探索这一关键期的生物与环境的协同演化。

埃迪卡拉纪早期是真核生物快速多样化的关键时期，出现了形态多样的宏体藻类化石，可能的后生动物胚胎化石以及最早的宏体后生动物化石。然而其环境背景及驱动机制一直是争议较大的科学问题。本项目的主要目标是通过对华南地区埃迪卡拉纪陡山沱组下部黑色页岩开展系统的氮同位素和碳同位素的研究工作，揭示华南早埃迪卡拉纪海洋氮循环过程及氮通量的变化，在此基础上探讨海洋氧化还原环境的变化及对生物演化的影响。在项目执行期间，课题组研究人员先后3次赴湖南、湖北、贵州等地区开展野外地质调查，对陡山沱组下部的黑色页岩段进行了详细观察、描述和记录，采集了数百个地球化学标本。课题组对其中的200多个样品进行系统的切片观察的地球化学分析，包括碳同位素，氮同位素和主微量元素丰度。尽管尚有部分测试工作仍在进行当中，但现有的研究数据已经取得了重要的进展。不同沉积环境剖面的氮同位素对比研究结果发现，陡山沱组下部黑色页岩段以正的氮同位素值为主，多数值大于+3‰，平均值在+5±1‰。另外氮同位素随水深变化的幅度较小，一般在2-3‰之间，且与岩性的变化及有机质含量的变化不存在相关。这种盆地范围的氮同位素记录与中元古代有明显区别，但与显生宙大部分时期及现代海洋的氮同位素记录类似。因此，陡山沱组下部记录的氮同位素变化反应早埃迪卡拉纪海洋以有氧氮循环为主，反应海洋大部分环境可能已经氧化，可以维持一个稳定的硝酸盐库。这一研究成果已经投稿，目前正在评审当中。本项目的研究成果对于正确认识早埃迪卡拉纪海洋环境具有重要的意义，有助于进一步揭示这一时期生物与环境相互作用的本质。