华北燕山盆地中元古代初期碳-硫-铁循环及其古海洋意义

Deciphering ancient ocean chemistry and geomicrobiological processes during key periods of the earth history is significant to understand the interaction between the organisms and environments. During the past several years, the applicant studied systematically the Mesoproterozoic Jixian Group in Yanshan Basin, North China on carbonate sedimentology and high-resolution carbon-sulfur isotope composition. An unusual record in δ13Ccarb, δ13Corg and δ34SCAS was found in the earliest Mesoproterozoic-middle Gaoyuzhuang Formation, which is consistent with the occurrence of important shifts in overall appearance of biological taxa, stromatolite declines, special bio-sedimentary constructions and seawater geochemistry, representative of a special geological period in ocean chemistry and microbiogeological processes. Considering this point, we plan to select several sections of the middle Gaoyuzhuang Formation (Sangshu’an and Zhangjiayu subformations) deposited under different water-depth environmental backgrounds within the Yanshan Basin and give a comprehensive analysis of C-S-Fe systems, in order to ascertain the spatiotemporal evolutional pattern of the earliest Mesoproterozoic ocean chemistry, dominant microbe functional groups and their biogeochemistry processes, and provide some new information about the co-evolutional relationships between organisms and natural environments during the Mesoproterozoic.

探索地质关键期古海洋化学状态以及海洋微生物地质作用过程对于理解地球生物与环境协同演化关系具有重要的指示意义。申请者在硕-博连读期间，对华北燕山盆地中元古界蓟县群进行了系统的沉积学和高分辨率碳、硫稳定同位素的研究，并在中元古代初期（高于庄组中部）发现了C、S同位素组成的异常层位。此C、S同位素的异常与前人报道的同期生物类群整体面貌的重大转变、叠层石的衰减事件、特殊生物-沉积建造以及地球化学组成具有明显的一致性，代表了一段特定的古海洋化学环境及微生物相互作用时期。本项目以此为切入点，拟选取燕山盆地高于庄组中段（桑树鞍亚组、张家峪亚组）不同水深环境条件下的多条剖面进行C-S-Fe地球化学特征的时空分析，查明这一时期古海洋化学时空演化特征、不同环境条件下主导的微生物类群及其生物地球化学作用过程，为探索中元古代地球环境与生命之间协同演化提供新认识。

地球上生命的演化与当时的海洋化学状态关系密切，探索地质关键期生命与环境的协同演化历来备受地质学者的广泛关注。近年来，在华北中元古界地层中不断有真核生物化石的报道，其中，在早中元古界高于庄组记录了一次真核生物复杂性和多样性的增加事件。为了进一步探索该生物演化事件的环境背景，本项目以河北平泉、宽城和迁西剖面高于庄组地层为研究对象进行了系统的碳酸盐岩沉积学以及高分辨率碳、硫和锶同位素的综合研究，为进一步深入理解华北燕山盆地中元古代初期海洋化学时空演化特征以及碳、硫循环过程和机理提供了新的认识。研究取得的主要认识与成果如下：1）中元古代初期海水硫酸盐浓度及其硫同位素组成具有显著的空间不均一性特征，海水硫酸盐浓度极低；2）在中元古代极端贫硫酸盐、海水分层的状态下，底层海水中活跃的[HS-]库的波动可能对化变层附近海水硫酸盐硫同位素组成产生较大影响；3）δ34SCAS - δ13Ccarb组成及演化指示早中元古代地球表层系统发生了逐步氧化的过程；4）中元古代初期海水Sr同位素组成及演化表明，发生在高于庄组中部的叠层石衰减、碳硫同位素组成异常以及在该层位之上出现的真核生物丰度和多样性的增加可能与当时强烈的陆源风化作用有关。我们的工作深化了对中元古代早期生命与环境相互作用关系的认识。