华南埃迪卡拉纪氮同位素的时空变化及环境背景

The Ediacaran marine nitrogen (N) cycle and its environmental implications remain unresolved but they are critical for understanding the ocean reodox and environmental changes at the dawn of the early animal life. This proposal aims at an integrated sedimentological and geochemical study, including nitrogen isotope (δ15N), organic carbon isotope (δ13Corg), total organic carbon content (TOC) and total nitrogen content (TN), on multiple Ediacaran sections spanning shallow to deep facies in South China. Data obtained from shelf to basinal sections will be used to reveal the origin of spatio-temporal δ15N variations and to reconstruct the mode of ocean N cycle during the Ediacaran. Further, the combination of δ15N distribution and other redox proxies (e.g., Fe speciation, pyrite morphology, and redox-sensitive elements concentration, RSEs) will be used to decipher the ocean redox structure and its dynamic evolution because different proxies have different scope and scale of application. In addition, we will study the relationship between δ15N and δ13Ccarb across the DOUNCE and other negative δ13Ccarb excursions, with the aim to explore the linkage and feedback between N and C cycle at some key periods of the Ediacaran. This research will help to characterize the marine N cycle and its biological effect in a likely stratified Ediacaran ocean and to better understand the potential roles of the N cycle played in the fluctuation of the Ediacaran C cycle.

埃迪卡拉纪海洋氮（N）循环过程及环境背景是尚未解决的重要科学问题。为探索这一问题，立项拟对华南埃迪卡拉纪不同环境的代表性剖面开展综合的沉积学和地球化学分析工作，包括N同位素（δ15N），有机碳同位素（δ13Corg），总有机质碳（TOC）和总氮（TN）含量，分析埃迪卡拉纪δ15N时空变化的特点，揭示海洋主导的N循环过程，建立海洋N循环的模式。同时，综合δ15N的分布和其他已有的氧化还原替代指标（如Fe组分，黄铁矿形态和氧化还原敏感元素RSEs），根据不同指标的适用范围和尺度，详细解剖海洋氧化还原结构及可能的动态变化过程。项目将进一步研究DOUNCE及其他无机C同位素异常期的δ15N-δ13Ccarb耦合关系及变化规律，查明埃迪卡拉纪几个关键时期的N循环和C循环的内在关系和响应机制。本研究工作对于揭示埃迪卡拉纪海洋N循环过程及其生物效应和环境背景、深刻理解埃迪卡拉纪C循环波动均具有重要意义。

埃迪卡拉纪是地球表层环境由缺氧向有氧转化的关键过渡阶段，同时也是生物圈的重要变革期。然而这些环境事件和生物事件具体过程、内在联系和成因仍不清楚。根据本项目设计的研究思路，课题组对华南埃迪卡拉纪-早寒武世多条代表性剖面开展了沉积学、N同位素（δ15N）、C同位素（δ13C）、主微量元素和其他配套地球化学指标的研究工作，主要取得了以下几方面的成果：1）N-C同位素综合研究揭示了埃迪卡拉纪Shuram异常期间δ15N下降是反硝化作用分馏系数的降低的结果，本质上是因为海洋营养盐输入增加促进了生产力结果；后者导致表层环境进一步氧化，进而增强了有机碳库再矿化作用，造成海洋无机δ13C负异常；2）多剖面的δ15N对比研究表明，埃迪卡拉纪-早寒武世海洋N循环具有时空不均一性，可能反映海洋氧化还原环境的动态波动；营养N源的增加是促进真核生物快速演化的重要原因之一；3）Cr同位素（δ53Cr）和I/(Ca+Mg)的研究表明埃迪卡拉纪-早寒武世海洋在ca.630 Ma, ca.580 Ma, ca.560 Ma和ca. 525 Ma经历了至少4次明显的成氧事件，表明这一时期海洋氧化具有明显的阶段性；4）中新元古代δ15N的对比研究表明，海洋N循环过程在不同的时期显示出明显的差别，推测其与因营养盐浓度变化导致的初级生产力变化和海洋氧化还原环境变化有关。总体来看，本项目经过四年的研究取得了良好的成果，为课题组进一步开展前寒武纪地球表层环境研究方面提供了重要的资料和思路。