中国南方盆地相中陡山沱组的碳同位素地层学：对深海洋环境中Shuram事件的限制

《Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology》：Carbon isotope stratigraphy of the Doushantuo Formation in basinal facies of South China: Constraints on the Shuram excursion in a deep ocean environment

碳酸同位素地层学揭示南中国深水钻剖面中Doushantuo组存在两次负δ13Ccarb异常（N1和N2），分别对应全球Shuram事件和Miaohe事件，并首次观测到δ13Ccarb-δ13Corg解耦现象，暗示新元古代氧化事件期间海洋无机碳库受溶解有机碳氧化扰动。

　　在地球历史的长河中，埃迪卡拉纪（约635至539百万年前）是一个至关重要的时期，标志着复杂生命形式的首次大规模辐射，这一时期紧随“雪球地球”冰川事件之后（Xiao et al., 2016）。埃迪卡拉纪不仅见证了生物多样性的兴起，还为研究全球古地理格局、海洋环境演变以及碳循环过程提供了丰富的地质记录。然而，由于埃迪卡拉纪化石分类学分辨率较低，且放射性同位素年代测定数据不足，建立高精度的地质年代框架始终面临挑战（Xiao and Narbonne, 2020）。因此，碳酸盐碳同位素（δ13C_carb）地球化学地层学成为全球地层对比和古海洋学重建的重要工具，尤其是在富含碳酸盐的地区，如中国南方的扬子地块（Zhou and Xiao, 2007; Zhu et al., 2007; Halverson et al., 2010; Lan et al., 2019; Mu et al., 2024）。

中国南方的埃迪卡拉纪双山屯组（Doushantuo Formation）以其保存完好的地层特征，成为全球地层对比和古环境重建的宝贵资料。过去二十年的研究已构建了该地区的坚实碳酸盐碳同位素地球化学地层框架（例如：Chu et al., 2003; McFadden et al., 2008; Zhu et al., 2011; Xiao et al., 2012; Zhou et al., 2019; Lan et al., 2019）。该框架揭示了四个显著的负碳同位素异常：（1）EN1/CANCE事件出现在双山屯组底部的盖碳酸盐层（δ13C_carb值为?2‰至?5‰ VPDB），时间范围约为635至632百万年前（Hoffmann et al., 2004; Condon et al., 2005），是全球公认的在“马里诺安冰川”之后发生的特征；（2）EN2/BAINCE出现在中双山屯组（约581至580百万年前，Zhang et al., 2025），主要记录于浅水沉积相；（3）EN3/DOUNCE出现在上双山屯组（约575至565百万年前，Yang et al., 2021），表现出最显著的负碳同位素值，并被认为与全球的舒拉姆异常（Shuram Excursion, SE）相等同；（4）EN4/BACE出现在登瀛组顶部（约539百万年前，Zhu et al., 2019），在埃迪卡拉纪与寒武纪边界附近达到?5‰以下（Zhou and Xiao, 2007; Zhu et al., 2007, Zhu et al., 2013; Zhou et al., 2019）。

舒拉姆异常（SE）是埃迪卡拉纪研究中的一个核心议题，其年代、地层完整性以及同位素信号的解释一直是科学界争论的焦点。早期研究通过上双山屯组顶部的铀-铅（U-Pb）测年，将舒拉姆异常的结束时间限定为约551百万年前（Condon et al., 2005; McFadden et al., 2008; Xiao et al., 2017; Cui et al., 2022）。然而，后续研究（An et al., 2015; Zhou et al., 2017）在双山屯组第三段（Member III）中发现了δ13C_carb值的快速正向变化（从?12‰上升至接近0‰），这表明该异常可能在更早的时间结束（≥560百万年前）。这一约9百万年的年代差异对全球地层对比具有深远影响，要求重新评估其他克拉通中可能的对应事件，并可能压缩异常之后的生物地球化学变化时间。此外，Li et al.（2022）在双山屯组第三段与第四段之间的界面上发现了至少1百万年的沉积间断，这通过突变的岩石学特征和δ13C_carb趋势的不连续性得以证明，挑战了此前关于地层连续性的假设。同时，EN3异常的极端负值（低至?12‰）也引发了关于其成因的持续争论。一些研究者认为，这是海水本身的变化，反映了溶解有机碳（DOC）库的大规模氧化以及有机碳埋藏通量的根本性变化（Grotzinger et al., 2011）；而另一些学者则主张这是水成作用的结果，证据包括改变样品中δ13C_carb与氧同位素（δ1?O_carb）之间的共变关系，以及热成熟效应作为重要的成岩覆盖指示（Kaufman and Knoll, 1995; Knauth and Kennedy, 2009）。

这些争议凸显了建立完整地层记录的必要性，尤其是在受海平面变化和成岩作用影响较小的沉积环境中。深水盆地地层可能提供关键的约束，因为其远离海平面变化的影响，沉积间断较少；较低的孔隙度也减少了成岩作用对样品的干扰；而连续的沉积过程则有助于保存完整的碳同位素异常（Jiang et al., 2007; Wang et al., 2011, Wang et al., 2014, Wang et al., 2017; Li et al., 2024）。为了应对这些不确定性，我们在中国广西北部三江地区双山屯组的东乐钻孔中采集了核心样品，并在更深的位置进行详细分析，研究δ13C_carb、δ13C_org、δ1?O_carb以及主要元素的变化。与之前研究的浅水地层相比，这一远离海平面变化的沉积环境可能更真实地保存了海水化学和碳同位素曲线，为建立中国南方的高精度碳同位素地层对比提供了关键证据，同时对埃迪卡拉纪碳循环的空间异质性和演化机制提供了重要启示。

东乐钻孔中的双山屯组地层在地质设置上具有独特的价值。传统上，该组被定为635至551百万年前（Condon et al., 2005），但最近的地球化学证据表明其结束时间可能更早（An et al., 2015; Zhou et al., 2017）。古地理研究表明，在这一时期，扬子地块由西北部的浅水台地、东南部的深水盆地以及两者之间的狭窄斜坡组成（Jiang et al., 2011）。在浅水台地区域，双山屯组主要由特定的沉积相构成，如碳酸盐岩、页岩和砂岩，这些沉积相通常与海平面变化密切相关。然而，在深水盆地区域，由于沉积速率较慢、水体深度较大，这些地层往往能够更完整地记录全球性的地球化学变化，而较少受到成岩作用和海平面波动的影响。

本研究基于对东乐钻孔中双山屯组的详细核心观察，建立了包含11个不同层的岩石地层框架。其中，底部的Bed 1（约4米）由破碎的白云岩组成，包含多期裂隙，这些裂隙由外层的白云岩填充和内层的硅质填充所定义（图2D-E，图4B）。黄铁矿簇和碎屑成分集中在下部，这表明该层可能经历了较强烈的成岩作用和氧化环境。而上部的层则主要由细粒白云岩和碳酸盐岩构成，这些层在沉积学特征上与浅水台地的对应层具有相似性，但在碳同位素组成上表现出更大的变化范围。这一地层框架的建立不仅有助于理解双山屯组的沉积环境和演化过程，还为研究埃迪卡拉纪全球碳循环提供了新的视角。

在东乐钻孔中，双山屯组的地层可以通过岩石学描述、薄片岩石学分析以及垂直岩石学变化的对比，与三峡地区的参考剖面进行相关。其中，Bed 1（约3.7米）的微粒白云岩无疑对应于三峡地区浅水地层中的Member I。该层具有典型的盖碳酸盐特征，包括特征性的裂隙，这些裂隙被白云岩和硅质物质填充，表明其在形成过程中经历了特定的沉积和成岩条件。而上部的层则表现出不同的岩石学特征，如更多的碳酸盐岩和较少的碎屑成分，这可能反映了沉积环境的变化，如水深的增加或海平面的波动。通过这些详细的岩石学分析，我们能够更准确地识别双山屯组的沉积相和地层单元，从而为全球地层对比提供可靠的基础。

在本研究中，我们发现东乐钻孔中的双山屯组保存了两个显著的负碳同位素异常（N1和N2），这表明该地区地层记录的完整性高于大多数斜坡和台地区域。其中，N1异常出现在中上双山屯组，其δ13C_carb值范围为?5.8‰至?14.9‰，而N2异常则出现在上部地层，其δ13C_carb值范围为?7.1‰至?12.8‰。这些异常的识别不仅有助于厘清埃迪卡拉纪碳循环的变化，还为理解全球碳同位素异常的成因提供了新的线索。特别是N1异常期间，我们观察到了δ13C_carb与δ13C_org之间的完全脱耦，这表明在这一时期，全球海洋溶解无机碳（DIC）库可能受到了一个大型溶解有机碳（DOC）库氧化的影响。这一发现不仅确认了舒拉姆异常在盆地环境中的存在，还揭示了新元古代氧化事件（NOE）期间DOC库的动态演化过程，为研究埃迪卡拉纪碳循环和海洋氧化还原演化提供了新的视角。

此外，我们还发现，在N1异常期间，δ13C_carb与δ13C_org之间的脱耦现象与全球的舒拉姆异常（SE）相吻合，而N2异常则可能对应于黄陵背斜西侧的苗河负异常。这一发现表明，不同沉积环境中的碳同位素异常可能具有不同的成因和演化机制，从而为理解埃迪卡拉纪全球碳循环的空间异质性提供了新的证据。通过这些研究，我们能够更全面地认识埃迪卡拉纪全球碳循环的动态过程，为地球历史上的重大环境变化提供科学依据。

本研究的成果不仅丰富了中国南方埃迪卡拉纪地层的研究内容，还为全球地层对比提供了新的数据支持。特别是在深水盆地地层中，我们发现δ13C_carb与δ13C_org之间的脱耦现象可能与全球碳循环的某些关键过程有关，如海洋氧化还原状态的变化和DOC库的氧化。这些过程可能在埃迪卡拉纪全球碳循环中扮演了重要角色，从而影响了全球气候和生物演化。通过这些研究，我们能够更准确地识别埃迪卡拉纪碳循环的变化，并为理解这一时期全球环境的演变提供新的线索。

在研究过程中，我们还注意到，东乐钻孔中的双山屯组地层在沉积学特征上与三峡地区的参考剖面具有相似性，但在碳同位素组成上表现出更大的变化范围。这可能反映了不同沉积环境中的碳循环机制存在差异，如深水盆地与浅水台地之间的水体深度和流速变化，以及不同沉积相的碳输入和输出过程。通过这些研究，我们能够更全面地认识埃迪卡拉纪全球碳循环的动态过程，为理解这一时期全球环境的演变提供新的线索。

综上所述，本研究通过对中国南方双山屯组深水地层的详细分析，揭示了埃迪卡拉纪碳循环的重要变化，为全球地层对比和古海洋学重建提供了新的数据支持。这些发现不仅有助于厘清埃迪卡拉纪碳循环的演化过程，还为理解全球碳同位素异常的成因提供了新的视角。通过这些研究，我们能够更准确地识别埃迪卡拉纪全球碳循环的变化，并为地球历史上的重大环境变化提供科学依据。