南沱冰期海洋氧化还原条件的地球化学记录——来自贵州东部南沱组白云岩硫碳同位素的证据

The oxygen content of the Earth's atmosphere is thought to have increased in the Neoproterozoic Period (NOE), during which oxygen possibly accumulated to the levels required to support animal life and ventilate the deep oceans. Geochemical lines of evidence for the oxygenation include globally correlated negative carbon isotope excursion and enhanced sulfur isotope fractionation between sulfide and sulfate. However,the NOE time and extent remain the subjects of debate.A recent study provided direct evidence to show that the ocean redox chemistryl during the period was highly heterogeneous even at kilometer-scale.The climate model predicts that the ocean would have been well mixed in Snowball Earth event. As a result, ocean redox change could be recorded in chemical sedimentary rocks in Nantuo Formation regardless their lithofacies variation. We gleaned three drill cores with dolostone in the lower part of Nantuo Formation, which provides a unique window to shed light on the marine redox changes of South China related to oscillations in glacier extent and hydrologic conditions. Based on the conducted works on the several surface outcrop sections and some preliminary geochemical research on the dolostone samples, we use refined in situ carbonate carbon and oxygen isotope, organic carbon isotope, carbonate associated sulfate and chromium reduction sulfide sulfur isotopes, coupled with major and trace elemental geochemistry in the same samples, to explore C-S biogeochemical cycling and to illustrate the ocean redox chemistry impact mechanism during the period.

新元古代雪球地球事件之后盖帽碳酸盐岩中全球可以对比的碳同位素负漂移和增加的硫同位素分馏等证据表明，新元古代大气氧浓度显著增加，可能对动物的出现和深部海洋的氧化产生了深刻的影响。但对这一氧化事件的时间和程度争议较大。最近研究提供的直接证据表明这一时期海洋氧化还原化学特征在公里尺度上也是高度异质性的。而气候模型显示雪球地球事件期间海水垂直方向上完全混合,因此冰期碳酸盐岩记录了海洋整体的化学特征。近年来申请者收集了贵州东部地区三个钻孔岩芯南沱组下部地层中同冰期白云岩，为南沱冰期海洋氧化还原条件研究提供了理想的材料。项目拟在前期对贵州多条南沱组剖面研究和岩芯中南沱组下部白云岩地球化学初步研究的基础上，开展精细的白云岩原位碳酸盐碳氧同位素、有机碳同位素、碳酸盐结合的硫酸盐硫和黄铁矿硫同位素，结合样品中的主量及微量元素综合研究，探讨南沱冰期硫-碳生物地球化学循环，揭示冰期海洋氧化还原状态及制约机制。

成冰纪是地质球历史上重大的转折期，经历了地球上最严重的冰期（称为“雪球地球”事件）、地球生物从原核生物为主向真核生物为主的转变及动物的出现、以及大气氧浓度的升高（即“新元古代氧化事件”），这些重大事件之间的因果关系，以及多细胞真核生物如何渡过这一严酷的冰期，是有关早期生命演化的重大科学问题。但由于缺乏“雪球地球”期间化学沉积岩，人们对这一时期的海洋氧化还原环境了解不多。以贵州为代表的南沱组从浅海、斜坡到深海不同沉积环境均有分布，并在斜坡环境中产有同冰期的白云岩，为解决前述科学问题提供了理想的材料。.项目组通过野外剖面测量、钻孔岩芯编录、偏光显微镜、X射线粉晶衍射、主量和微量元素分析、扫描电子显微镜、电子探针、穆斯堡尔谱、稳定碳氧同位素和硫同位素等综合分析研究，得到以下认识：.（1）产于神农架地区南沱组的宏体藻类和其后的陡山沱组中的翁会生物群中的宏体藻类固着器具有演化上的联系，“雪球地球”事件并未造成宏体藻类演化中断；.（2）南沱冰期具有五次显著的冰川进退情况，可以在盆地尺度得到反映。揭示了这一时期气候的五次冷暖波动，气候温暖期冰下风化作用的进行为当时的海洋带来生物所必须的营养元素；.（3）南沱冰期绝大部分海洋表面仍然被冰覆盖，但也有局部开放的水域。南华盆地南沱冰期海水整体处于富铁缺氧的环境，但近岸开放水体处于有氧状态，可能为南沱冰期包括动物在内的多细胞真核生物的栖息和繁衍提供了理想场所；.（4）贵州南沱组白云岩的发现表明“雪球地球”期间海水相对钙、镁离子是过饱和的。南沱组白云岩碳同位素具有较大的负值，低于上覆的陡山沱组盖帽白云岩组成，为分层海洋中深部水体中向上扩散的甲烷厌氧氧化形成。冰期缺氧条件和寒冷的气候导致有机质埋藏比例高，加之海水-大气之间气体交换的解耦，导致冰期大气氧的累积；.（5）南华盆地南沱冰期海水整体处于硫酸盐浓度极低的水平，但含量具有大幅的波动，可能对海水中磷的循环具有重要影响。