重晶石记录揭示古海水氧同位素演化：为地球系统动力学提供新证据

为解决古海水氧同位素组成（δ18Oseawater）演化争议，研究人员通过分析289组沉积重晶石（barite）的δ18O-δ34S配对数据，提出微生物硫酸盐还原（MSR）过程中氧同位素平衡的新代理指标。研究发现显生宙海水δ18O值存在约4‰的阶段性上升，为板块构造活动与海水深度变化对地球氧循环的影响提供直接证据。该成果发表于《Nature Communications》，为重建古海洋环境开辟了新途径。

　　

地球海洋的氧同位素组成（δ¹⁸O_seawater）如同记录地球呼吸的"化学指纹"，其变化直接关联板块构造、气候演化和生命活动。然而，关于地质历史中δ¹⁸O_seawater是否保持稳态、是否存在阶段性跃升等核心问题，学界长期争论不休。传统代理指标如碳酸盐、燧石等易受成岩作用改造，而铁氧化物虽抗蚀变却存在定年争议。这种困境直到中国研究人员将目光投向一种特殊矿物——沉积重晶石（BaSO₄）才迎来转机。

重晶石的独特之处在于其硫酸根基团（SO₄^2-）的氧同位素具有"化学惰性"，可抵抗后期蚀变，但同时也导致其δ¹⁸O值通常与周围水体不平衡。这项发表于《Nature Communications》的研究创新性地发现：在微生物硫酸盐还原（MSR）过程中，随着δ³⁴S值的增加，硫酸盐氧同位素会逐渐逼近与海水的平衡值。这一现象如同"化学罗盘"，为追溯古海水δ¹⁸O提供了全新标尺。

研究团队采用多技术联合作战：通过扫描电镜（SEM）确认重晶石的原始沉积结构；采用盐酸预处理结合螯合剂溶解-再沉淀法（DDARP）纯化样品；利用稳定同位素质谱测定δ¹⁸O和δ³⁴S值，精度达±0.3‰。样本涵盖华南早寒武世至法国白垩纪6个地质时期的沉积重晶石，形成全球首套显生宙重晶石同位素轨迹数据库。

结果解读

同生沉积重晶石的形成
华南与墨西哥等地样品显示，层状重晶石与有机质硅质碎屑岩共生，结核状重晶石则发育于沉积物-水界面之下。电镜观测揭示其原生晶体结构（如板状、球状）被硅质或钙质基质包裹，排除了后期热液脉体的干扰。这种产状特征支持"硫酸盐限制型滞留海水（SLES）"模型——即缺氧条件下钡离子富集，与硫酸盐水团混合触发重晶石沉淀。

重晶石的δ¹⁸O-δ³⁴S轨迹
289组数据揭示出6条特征曲线：当δ³⁴S值从-35‰增至80‰时，δ¹⁸O值均出现平台现象。早古生代平台值稳定在18‰左右，而石炭纪和白垩纪跃升至22‰。特别值得注意的是，泥盆纪样品出现双平台结构（δ³⁴S≈36-38‰和>55‰），但平台δ¹⁸O值一致，证实其受同一孔隙水氧同位素控制。这种轨迹特征与实验室MSR培养实验高度吻合，验证了酶催化可逆反应（如APS?SO₃^2-）驱动氧同位素平衡的理论预测。

显生宙海水δ¹⁸O的演化
假设各时期重晶石形成温度相近（低纬度陆架环境），平台δ¹⁸O值4‰的增幅直接反映海水氧同位素组成变化。这一发现与泥盆-石炭纪碳酸盐记录及反应传输模型相互印证。研究提出三种驱动机制：洋壳增厚增强热液循环、陆源沉积物"毯覆效应"抑制低温水岩作用、或深部海洋氧化事件。

结论与意义
该研究创立了重晶石δ¹⁸O-δ³⁴S轨迹法，首次实现古海水氧同位素组成的抗蚀变重建。显生宙海水δ¹⁸O的阶梯式上升，揭示了板块构造活动通过调控高温/低温水岩反应通量影响全球氧循环。这一突破不仅解决了长达数十年的同位素地球化学争议，更为理解地球系统氧预算（如新元古代大氧化事件）提供了定量工具。未来通过扩大样本时空覆盖（如不同古纬度），该方法有望绘制更精确的地球"氧同位素演化图谱"。