寒武纪早期气候-海洋失稳驱动的大洋硫化水体扩张机制

本研究针对寒武纪早期(~539–514 Ma)海洋氧化还原状态演化机制这一争议性问题，通过分析华南扬子板块筇竹寺组页岩的Li同位素(δ7 Li)、Zn同位素(δ66 Zn)及多元素地球化学指标，揭示出中寒武世Age 2-3期间(~526–514 Ma)边缘海盆地从底部硫化水体扩张到表层渐进氧化的动态过程，提出气候驱动的海洋环流-上升流耦合机制，为理解早期生命演化与环境协同作用提供了新视角。

　　

寒武纪早期是地球生命演化史上最关键的转折期之一，被称为"寒武纪大爆发"的生物学事件与大气-海洋氧含量的剧烈波动同步发生。然而，这个时期海洋氧化还原状态的时空异质性始终是学界争论的焦点——全球尺度的钼同位素(δ⁹⁸
Mo)和钒同位素(δ⁵¹
V)数据支持大范围氧化，但局部页岩的铁形态分析和氧化还原敏感元素却指示普遍存在的底层水体缺氧（硫化或铁化）。这种矛盾暗示着早期海洋可能存在复杂的氧化还原分层格局，但其驱动机制和与气候-生物协同演化的关系尚不明确。

针对这一科学难题，中国石油天然气集团公司科学研究与技术开发项目支持的研究团队在《Global and Planetary Change》发表了创新性成果。研究人员选取华南扬子板块下寒武统筇竹寺组页岩为研究对象，通过整合锂-锌同位素体系(δ⁷
Li-δ⁶⁶
Zn)与传统地球化学指标，重建了~526–514 Ma期间南华盆地的气候-海洋协同演化史。

关键技术方法包括：1) 采用化学蚀变指数(CIA)和Ti/Al比值评估古气候；2) 锂同位素(δ⁷
Li)示踪陆源风化强度；3) 锌同位素(δ⁶⁶
Zn)表征海洋硫化程度；4) 结合Fe形态、Mo-U富集因子等氧化还原指标；5) 有机碳同位素(δ¹³
C_org
)和总有机碳(TOC)分析生产力变化。

主要研究结果

气候转型的矿物学证据
CIA值(43.5-63.5)与δ⁷
Li的正相关性揭示研究区经历从寒冷干旱(Unit I-II)向温暖湿润(Unit III)的气候转型，Ti/Al比值(0.05-0.07)的镜像变化进一步验证该结论。

硫化水体扩张的锌同位素信号
δ⁶⁶
Zn的显著负偏(-0.38‰至0.27‰)与Mo/U>1的耦合关系，证实Age 2中期开始出现大规模硫化水体，尤其在光层带底部形成强硫化条件。

海洋环流的驱动作用
寒冷气候伴随的强风场可能增强海洋上升流，将开放洋区的硫酸盐和营养盐输送到陆架区，促进初级生产力并诱发硫化。同时，硫化海底的磷再生机制形成正反馈，维持高生产力-有机碳埋藏循环。

氧化还原分层的生物效应
表层水的渐进氧化与底层硫化扩张的"解耦"模式，为寒武纪生物提供差异化生态位，可能通过调控营养供给和栖息地空间影响后生动物辐射。

结论与意义
该研究首次建立寒武纪早期气候-海洋环流-氧化还原的因果链：1) 寒冷期增强的风驱动力改变海洋动力结构；2) 上升流导致硫化前体物质（硫酸盐）和营养盐的再分配；3) 硫化-磷再生耦合形成生物地球化学正反馈。这一机制不仅调和了全球与局部氧化还原记录的矛盾，更揭示气候振荡通过物理-生物地球化学耦合作用塑造早期生命演化环境的深层规律。研究成果为理解地球系统关键转型期的环境-生命协同演化提供了新范式。