赫罗尼亚碳酸盐沉积记录揭示古元古代早期地球变暖与氧化事件中的稀土元素分异特征

本研究通过分析加拿大赫罗尼亚超群和Chocolay群中2.31 Ga Gordon Lake组与2.17 Ga Kona白云岩的沉积学及稀土元素(REE)地球化学特征，揭示了早期氧化大气环境下海岸带水文路径的独特模式。研究发现萨布哈环境碳酸盐具有显著中-重稀土(MREE-HREE)富集特征，而潮间带-浅海碳酸盐仅显示MREE富集，为理解大氧化事件(GOE)后陆地-海洋元素循环提供了新视角。

　　

在地球演化史上，2.4 Ga左右的大气氧含量显著上升（GOE）是一个关键转折点，这一事件不仅引发了一系列冰川作用，还深刻改变了地表风化过程和海洋化学组成。加拿大赫罗尼亚超群和美国的Chocolay群作为记录这一过渡期的重要地质档案，其碳酸盐沉积中保存着当时独特的元素循环信息。然而，关于这一时期海岸带水文化学特征及其对全球氧化-还原状态的响应机制，仍存在诸多未解之谜。

加拿大雷湾湖首大学（Lakehead University）地质系的研究团队联合法国欧洲海洋研究所等机构，对这两个地层中的碳酸盐开展了系统的沉积学与地球化学研究。通过精细的沉积相分析和创新的部分溶解稀土元素提取技术，揭示了GOE后陆地-海洋界面元素迁移的特殊模式。该成果发表于《Precision Medicine and Engineering》，为理解早期地球表生环境演化提供了关键证据链。

研究采用多学科交叉方法：1）野外沉积学观察划分9种岩相组合；2）醋酸选择性溶解技术分离碳酸盐相REE；3）ICP-MS/ICP-AES测定全岩及碳酸盐相元素组成；4）FE-SEM-EDX微区成分分析；5）碳氧同位素质谱测试。这些方法确保了在强烈成岩改造背景下仍能提取原始沉积信号。

沉积学特征揭示出从浅海到萨布哈的完整环境谱系：大型柱状叠层石（高达3米）发育在风暴成因的丘状交错层理基底上，反映高能浅海环境；小型穹状叠层石和波痕层理指示潮间带；石膏假晶和窗格构造则代表萨布哈蒸发环境。值得注意的是，所有碳酸盐中都普遍存在赤铁矿，或以颗粒散布，或在微叠层石间凹处富集，这种铁氧化物分布模式直接反映了氧化大气条件下的铁循环特征。

地球化学结果显示出显著的空间分异：潮下带-潮间带样品呈现MREE富集和HREE亏损模式（REE_SN标准化值），而萨布哈样品则表现出MREE-HREE强烈富集和LREE亏损。这种差异归因于：1）陆源粘土对LREE的选择性吸附使地下水LREE贫化；2）酸性风化条件促使铁氢氧化物吸附的MREE向海岸带迁移；3）早期成岩阶段有机质降解导致铁还原，释放MREE进入碳酸盐胶结物。全岩Cr/Al₂O₃比值显示近岸样品比萨布哈样品富集10-40倍，证实GOE后大陆风化输入对海岸带化学的显著影响。

碳同位素数据显示Gordon Lake组δ¹³C值达+5.0至+8.2‰，属于Lomagundi正偏事件（2.3-2.1 Ga），而Kona白云岩δ¹³C为-6至-8‰，代表该事件的延续。这种碳循环异常与稀土元素分异模式的耦合，揭示了冰川消退后生物生产力爆发与陆源元素输入共同塑造的特殊地球化学景观。

该研究首次建立了古元古代氧化事件中海岸带水文路径的完整模型：酸性大陆风化导致Cr/V等氧化敏感元素大量输入海洋，同时铁氢氧化物作为MREE的载体在近岸沉积；早期成岩还原作用释放的MREE被碳酸盐捕获，形成独特的元素分布指纹。这一发现不仅为早期地球氧化程度评估提供了新的地球化学指标，也为理解冰川-温室气候转换期的元素循环机制提供了关键案例。Brittany Ramsay、Philip Fralick等学者通过精细的相控地球化学研究，证实了GOE后陆地-海洋相互作用对沉积记录的深刻影响，为地球早期环境演化研究树立了多指标综合分析的新范式。