湘鄂地区早寒武世不同沉积相带黑色岩系铁组份变化及古海洋氧化还原演化

The Early Cambrian is the critical turning interval from the Proterozoic to Phanerozoic marked by vast environmental changes on Earth's surface. It has been hypothesized that full ocean oxygenation may have triggered the rapid radiation and diversification of metazoans in the Early Cambrian, but the widespread presence of contemporaneous black shale series in South China indicates the ocean, especially the deep ocean, might have not yet been completely oxygenated in the Early Cambrian. Insomuch, there are still uncertainties in relation to ocean structures and redox conditions in the Early Cambrian: whether the ocean was ferruginous- or euxinic-dominant? How did the oceanic redox states change spatially and temporally? How did the oceanic redox changes temporally link to the great bioradiation of metazoan? To better understand the oceanic redox changes in the Early Cambrian, in this study, high-resolution iron speciation data from the Lower Cambrian black shales in Hubei and Hunan area are used to reconstruct the spatial changes and temporal evolution of ocean redox conditions, and further to explore the relationship between evolution of oceanic redox conditions and ecological radiation and diversification of metazoans in the Early Cambrian.

早寒武世是地球表层环境从隐生宙向显生宙转变的关键时期，海洋的完全氧化被认为与该时期后生动物的快速辐射和分异存在着直接的联系，然而在早寒武世华南地区广泛分布了一套黑色岩系，显示海洋（特别是深海）并没有被完全氧化。由于缺少详细的横向研究，早寒武世海洋的结构和氧化还原状态存仍存在着很大的不确定性，比如这一时期海洋究竟是以硫化缺氧为主还是富铁缺氧为主？它们各自在空间上是如何分布的，在时间上又是如何演化的？而海洋氧化还原状态的转变与后生动物的快速辐射和分异又存在着何种联系？为此，本项目拟以湘鄂地区广泛分布的黑色岩系为研究对象，利用能够明确指示各种不同氧化还原环境的铁组份分析方法，以期恢复早寒武世海洋的氧化还原时空分布特征，探讨它们可能形成的原因以及演化的动力机制，揭示该时期海洋氧化还原状态的转变与生物演化之间的关系。

埃迪卡拉纪－寒武纪转折期不仅纪录了后生动物的产生、灭绝以及加速分异的过程，同时也伴随着海洋地球化学明显的变化、长期全球性海洋缺氧等，是一关键时期。为了更好认识这一时期地球表层环境演化，对鄂西－湘西地区埃迪卡拉纪－寒武纪转折期地层进行了详细的沉积学和地球化学分析。.在埃迪卡拉纪末期，从鄂西到湘西，发育碳酸盐岩台地相、台地边缘生物礁（丘）相、碳酸盐岩斜坡相和硅泥质盆地相。早寒武世最早期，以陆棚沉积体系为主，由于强烈拉张作用，沉积地层明显受到同生断裂控制，而这种同生断裂为热液活动提供了流体通道。随后发生了全球性大规模海侵，整个碳酸盐岩和硅质陆棚被淹没，发育深水陆棚相。.湘西柑子坪剖面留茶坡组底部和黔东地区坝黄剖面留茶坡组中上部火山灰锆石U-Pb加权平均年龄分别为542.1±5.0Ma和542.6±3.7Ma，这套数据为华南E-C界线提供了第一个直接年龄约束，同期的δ13C负漂和快速海侵事件也与全球E-C边界事件相吻合。黔东地区盘闷和坝黄剖面牛蹄塘组底部火山灰锆石U-Pb加权平均年龄分别为524.2±5.1Ma 和522.3±3.7Ma，显示牛蹄塘组或相当层位的沉积始于晚Nemakit-Daldynian (N-D)至Tommotian 期，同时，也与E-C界线之后的第二次δ13C正漂事件相吻合。.E-C海洋（特别是深海）的演化可分成两个阶段。阶段1（埃迪卡拉纪末期到Tommotian末期）：海水富铁缺氧，并曾短暂的被硫化缺氧水体所取代；阶段2（大致时期为Tommotian末期到Atdabanian期）：与阶段1存在明显的区别，海水（特别是深海）快速从缺氧转变为富氧环境，这一变化与大量海绵个体以及海绵骨针的出现相一致。.海水从还原到氧化状态的快速转变与Atadabanian早期澄江动物群的出现在时间是大致耦合的，这说明大气-海洋的快速增氧是早寒武世生物门类、生态快速分异、辐射和扩张的重要环境驱动力。海洋（特别是深海）氧化表明当时大气-海洋氧浓度已经升高到一个临界值，这为依赖于扩散有氧代谢的早期生命提供了一个前所未有的环境和发育（基因）创新机会，触发了生物门类、形态的快速分异、形体设计复杂化和大型化；同时海洋（特别是深海）的氧化提高了资源可利用率、拓展了适合生物生存的生态空间（或范围），进一步激发了宏体生物快速的生态开发和辐射。