晚泥盆世劳伦大陆南部古氧化还原条件、铁循环与初级生产力研究——以美国俄克拉荷马州伍德福德页岩为例

研究人员针对晚泥盆世劳伦大陆南部伍德福德页岩（Woodford Shale）的碳封存机制，通过地球化学分析（TOC、FeHR/FeT、Mo/V浓度及脂质生物标志物），揭示了动态化学跃层（chemocline）调控的铁循环与初级生产力耦合关系，提出陆源铁（FeHR）通过风尘输送和“铁穿梭（iron shuttle）”促进海洋生产力，为晚古生代冰期（LPIA）前碳循环模型提供新见解。

　　

晚泥盆世是地球历史上气候与海洋环境剧变的时期，伴随全球海洋缺氧事件、生物大灭绝以及晚古生代冰期（LPIA）的启动。这一时期，劳伦大陆（Laurussia）广泛分布的黑色页岩记录了显著的有机碳埋藏，但其驱动机制——尤其是铁（Fe）等关键营养元素的供给途径——仍不明确。美国俄克拉荷马州的伍德福德页岩（Woodford Shale）作为典型代表，为揭示这一谜题提供了理想研究对象。

为解析该系统的生产力与碳循环机制，由Jeremy D. Owens和Austin J. McGlannan等领衔的研究团队综合运用总有机碳（TOC）、铁形态（Fe_HR/Fe_T）、钼（Mo）/钒（V）浓度及脂质生物标志物（如C₄₀芳香类胡萝卜素）分析技术，对伍德福德页岩的南北陆架剖面进行对比研究。样本（n=43）选自页岩层段，通过X射线荧光光谱（XRF）和色谱-质谱联用技术获取地球化学数据。

研究结果显示：

1. 北部陆架站点（Wyche-1岩心）：TOC含量2-19 wt%，Fe_HR/Fe_T比值（0.17-0.79）与Fe_py/Fe_HR（0.48-0.96）表明中下部层段以硫化（euxinic）条件为主，上部层段转为氧化-间歇硫化状态。
2. 动态化学跃层：下-中部伍德福德页岩普遍为硫化环境，而上部层段受弗拉阶-法门阶（Frasnian-Famennian）边界气候波动影响，化学跃层频繁迁移，导致铁赋存形式从黄铁矿（Fe_py）埋藏转向孔隙水扩散的铁穿梭（iron shuttle）机制。
3. 铁来源多样性：除陆架孔隙水铁外，风尘（eolian dust）和野火气溶胶可能输送了外源高活性铁（Fe_HR），促进初级生产力并驱动碳埋藏。

结论指出，伍德福德页岩系统通过铁循环的动态平衡调控了生产力与碳封存：硫化期作为铁汇（iron sink），而氧化期则成为铁源（iron source）。这一机制可能广泛适用于LPIA前夕的全球黑色页岩系统，为理解陆地植物扩张-海洋碳循环耦合提供了新视角。研究发表于《Global and Planetary Change》，其多指标整合方法为古海洋学领域树立了范例。