1.9 Ga印度Cuddapah盆地Tadpatri组叠层石碳酸盐揭示Orosirian期海洋的氧化还原条件、溶质来源与生物地球化学循环

本研究通过分析印度Cuddapah盆地约1.9 Ga的Tadpatri组叠层石碳酸盐的C-O-Nd-Sr同位素及微量元素地球化学特征，揭示了Orosirian期（2050-1800 Ma）海洋的缺氧-铁化状态、溶质来源及碳循环模式。研究发现该时期海洋经历了从短暂氧化到持续还原的转变，δ13C值（-1.5‰至-2‰）显著低于全球同期记录，低U/Th和V/Sc比值表明氧化敏感元素库存减少，εNd1.9Ga（-5.6至-3.9）指示溶质来源于新生地壳或热液流体。该成果为理解中元古代早期地球表层系统演化提供了关键约束。

　　

在地球演化的漫长历史中，中元古代早期（约20-18亿年前）的Orosirian期是一个充满谜团的转折阶段。这一时期紧随着地球历史上第一次大规模氧化事件——大氧化事件（GOE），但令人困惑的是，大量证据表明大气和海洋的氧含量随后又出现了显著下降。这种"氧化-还原"的反复波动是如何发生的？当时的海洋化学状态如何？生物地球化学循环又经历了怎样的变革？这些问题一直是地球科学领域的热点难题。

为了解开这些谜团，来自印度Cuddapah盆地的叠层石碳酸盐岩成为了关键研究对象。叠层石作为最古老的生命遗迹之一，其碳酸盐基质如同地质硬盘般记录了远古海洋的化学指纹。研究人员聚焦于约19亿年前的Tadpatri组碳酸盐岩，通过多同位素和微量元素分析，重建了这一时期海洋的氧化还原状态、溶质来源和碳循环模式。

这项研究采用了系统的地球化学分析方法：首先通过薄片观察筛选原生沉积组构完好的样品；采用ICP-MS测定主微量元素含量，精度优于5%；利用同位素比值质谱仪（IRMS）分析C-O同位素组成，精度达0.02‰；结合前人发表的Nd-Sr同位素数据，通过流体-岩石相互作用模型评估成岩改造程度；运用PAAS标准化REE模式和Ce/Eu异常判别古海洋氧化状态；最后通过U/Th、V/Sc等比值约束氧化敏感元素的海水库存量。

【沉积环境与成岩改造】
研究显示Tadpatri组叠层石发育于潮间带至浅海环境，原始成分为低镁方解石，但后期经历了140-200℃高温下富Mg流体的强烈白云石化作用。这种改造显著改变了δ¹⁸O值（-20.7‰至-11.9‰），而δ¹³C值（-1.5‰至-2‰）可能最接近沉积原始值。这种碳同位素组成明显低于全球Orosirian期记录，暗示特殊的碳循环机制。

【氧化还原指标】
关键发现包括：
1）高Fe-Mn含量（Fe达4.3wt%、Mn达2400ppm）表明白云石化流体来自富铁锰的缺氧水体；
2）极低U/Th（0.1-1）和V/Sc（1-10）比值反映氧化敏感元素海水库存量小；
3）REE模式呈轻稀土富集型且无Ce负异常（Ce/Ce*=1.1-1.3），与现代缺氧盆地（如黑海）相似；
4）Mo/U摩尔比（1.9-2.1）排除了硫化海洋的可能性。这些证据共同指向一个缺氧-铁化的海洋状态。

【溶质来源与层序变化】
εNd_1.9Ga值（-5.6至-3.9）较古老的Dharwar克拉通（-9.6）明显偏正，表明溶质来源于新生地壳或幔源热液。值得注意的是，下部Vempalle组（1999 Ma）显示高U/Th和V/Sc，向上至Tadpatri组逐渐降低，揭示大气pO₂水平在约2 Ga后持续下降。

这项研究的重要意义在于：首次系统论证了Orosirian期印度克拉通边缘的缺氧-铁化海洋状态，为理解大氧化事件后地球表层系统"退氧化"过程提供了区域对比基准。发现的碳同位素负偏可能与有机碳埋藏增加有关，而溶质来源数据为古板块重建提供了地球化学约束。该成果发表于《Geosystems and Geoenvironment》，为完善中元古代地球系统演化模型填补了关键空白。