埃迪卡拉时期的天体年代学揭示了舒拉姆海侵事件的时间差异性及海平面变化节奏

《Precambrian Research》：Astrochronology of the Ediacaran Period reveals the temporal heterogeneity and sea-level pacing of Shuram excursion

　　

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  约6700万年的年代学研究为埃迪卡拉纪的碳循环扰动及化石组合的演变提供了时间约束。
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  该年代学框架揭示了舒拉姆事件在时间上的差异性。
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  中国南方记录的舒拉姆事件与二级海平面波动存在同步关系。

引言

埃迪卡拉纪（635–538百万年前）是海洋生态系统从元古宙向显生宙过渡的关键时期，这一时期出现了多种复杂的多元细胞生物以及形态各异的真核生物，其中包括埃迪卡拉型巨型化石、兰田生物群、瓮安生物群和苗河生物群（Xiao等人，2007；Yuan等人，2011；Chen等人，2019；Wang等人，2024a）。与此同时，重大的碳同位素偏移现象很可能反映了这一时期海洋氧化还原条件的变化以及环境与生命之间的协同演化过程（Fike等人，2006；Och和Shields-Zhou，2012；Li等人，2016；Zhou等人，2019）。在中国南方的碳酸盐平台上记录到的百万年级别的负碳同位素偏移事件，即EN1/CANCE、WANCE、EN2/BAINCE和EN3/DOUNCE（舒拉姆事件），被视为埃迪卡拉纪碳同位素地层学框架中的重要组成部分（Zhou和Xiao，2007；Zhu等人，2007、2013）。以往的研究将中国南方豆山沱组以及阿曼的纳丰群、澳大利亚南部的沃诺卡组、美国死亡谷的约翰尼组、加拿大西北部的加梅特雷尔组中记录的舒拉姆事件视为地质史上最负的碳同位素偏移现象（+5‰至-10‰）（Grotzinger等人，2011；Dodd等人，2023；Wang等人，2023）。舒拉姆事件的起源仍是新元古宙地球化学领域的一个核心争议点。Fike等人（2006）将阿曼的碳和硫同位素记录视为海洋氧化的证据。McFadden等人（2008）则将中国南方的碳同位素偏移现象与早期生物创新相关的脉冲式氧化事件联系起来。Shields等人（2019）则质疑仅依靠溶解有机碳氧化来解释这一现象的合理性，认为氧化剂供应的限制使得这种解释不够充分，进而提出蒸发岩溶解产生的硫酸盐通过增强微生物的硫酸盐还原作用以及相关的黄铁矿埋藏过程推动了舒拉姆事件的发展。最近，Dodd等人（2023）将与碳酸盐相关的磷酸盐记录与生物地球化学模型相结合，提出了一个由硫酸盐驱动的海洋有机物氧化作用以及加剧的大陆风化作用共同作用的C–P–S–O循环机制。相比之下，成岩作用模型则认为强烈的负碳酸盐δ¹³C值是由于沉积后流体与岩石的相互作用以及孔隙水中溶解无机碳的重新平衡所导致的，而非原始海水化学成分的变化所致（Hoffman和Lamothe，2019）。此外，针对不同沉积环境进行的综合研究表明，舒拉姆事件的幅度及其地层表现受到盆地限制、水深、成岩作用以及地表生产力等因素的强烈影响，这表明全球碳循环扰动与局部环境因素共同决定了所观察到的异常现象（Jiang等人，2011；Busch等人，2022）。然而，埃迪卡拉纪的时间范围精度远远低于针对较近地质时期所建立的精确天文时间尺度（Westerhold等人，2020）。埃迪卡拉纪内的这些地质年代学不确定性不仅影响了全球地层对比，还引发了关于深海氧化过程速率以及生态演化动态等问题的争议（Condon等人，2005；Canfield等人，2020；Zhou等人，2007；Xiao等人，2016；Xiao和Narbonne，2020）。

太阳系内多体引力相互作用所产生的轨道强迫作用，决定了10⁵–10⁶年尺度上的基本气候节律（米兰科维奇周期）。循环地层学通过识别米兰科维奇周期的地质印记，并以特定的轨道强迫周期作为时间深度校准的基准，从而为深时沉积物构建高精度的年代学框架（Laskar，2020）。本研究基于在中国南方长江三峡地区五河新钻探的岩芯，展示了埃迪卡拉纪豆山沱组中的米兰科维奇周期特征以及高分辨率的碳同位素分布情况（图1）。这一新的、长达约6700万年的连续年代学框架为埃迪卡拉纪提供了精度达405千年的时间参考，揭示了舒拉姆事件在全球范围内的表现存在明显的时间差异性，这种差异可能与陆地风化作用和氧化剂供应、大陆架连通性以及溶解有机碳的再矿化速率等方面的空间和时间差异有关。本研究无法排除其他可能导致舒拉姆事件的原因，比如成岩作用的影响以及蒸发岩的溶解作用。此外，为了探究导致舒拉姆事件全球表现出现时间差异的机制，本研究还展示了相对海平面重建结果，揭示了中国南方碳同位素波动受二级海平面变化的影响。无论采用何种解释，舒拉姆事件在时空上的差异性及其与相对海平面变化的关联，对于理解其形成机制、进行地层对比以及未来建模都具有重要的意义。这些研究成果显著提升了人们对埃迪卡拉纪海洋氧化模式以及宏观生物演化速度的理解。

章节要点

地质背景

豆山沱组形成于埃迪卡拉纪，沉积在中国南方克拉通的扬子地块上，其上覆为克里格尼亚期的南坨冰川杂岩，下伏为埃迪卡拉纪的邓营组。豆山沱组的底部有发育良好的白云岩盖层，其下方是锆石U-Pb年龄分别为635.23±0.57百万年和632.50±0.48百万年的灰岩层（Condon等人，2005）。豆山沱组的顶部则以富含有机质的黑色岩层为特征。

循环地层学的多参数分析

本研究采用了新的δ¹³C_carb同位素分布数据，该数据与中国南方九龙湾地区此前测得的结果高度一致（Jiang等人，2011；Zhou等人，2017a），显示出了豆山沱组整体存在的重大负碳同位素偏移现象，即EN1/CANCE、WANCE、EN2/BAINCE和EN3/DOUNCE（舒拉姆事件）（图2a），同时还结合了毫米级精度的XRF扫描数据（图S1、S2）以及连续的测井伽马射线数据。

埃迪卡拉纪负碳同位素偏移现象与生物群的年代学研究

考虑到可能存在小于百万年的时间间隔或钻探丢失的风险，本研究依据年代学研究得出的最大年龄限制来估算δ¹³C_carb同位素分布曲线以及生物群的年龄（图4）。EN3/DOUNCE事件的起始阶段表现为δ¹³C_carb值从0‰下降到约-10‰，这一阶段被命名为EN3a/DOUNCEa（McFadden等人，2008），其起始时间被限定在≤584.2±5.2百万年和≤580.0±5.6百万年之间（图4）。在豆山沱组的第四段中，δ¹³C_carb值已完全恢复到0‰水平（Zhou）。

结论

这一新的、长达约6700万年的年代学框架将埃迪卡拉纪的各类地质数据整合到了一个统一的时间框架之中，从而明确了晚新元古宙碳同位素偏移现象以及生物演化的速度。中国南方的舒拉姆事件表现出明显的时间差异性，与其他地区记录的舒拉姆事件相比，其起始时间更早（不早于584.2±5.2百万年），持续时间更长（超过12.2±1.4百万年），且程度更为严重。

作者贡献说明

薛乃华：论文撰写——审阅与编辑、论文撰写——初稿撰写、可视化处理、软件应用、方法设计、研究实施、资金获取、正式分析、数据整理。王伟：论文撰写——审阅与编辑、结果验证、研究指导、资源提供、项目管理、研究实施、资金获取、概念构思。David De Vleeschouwer：论文撰写——审阅与编辑、可视化处理、结果验证、研究指导、软件应用、方法设计、研究实施、正式分析。关成国：论文撰写——

利益冲突声明

作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益冲突或个人关系。

致谢

我们非常感谢两位匿名审稿人提出的建设性意见，这些意见极大地提升了原稿的质量。同时，我们也感谢Jacques Laskar和周传明在讨论中的帮助与宝贵建议。此外，我们还要感谢谢希和胡云峰在XRF实验方面提供的协助，赵向东在样品准备方面的支持，以及杨定华和李嘉豪在图表制作方面的努力。本研究得到了以下项目的支持：战略重点项目

薛乃华|王伟|David De Vleeschouwer|关成国|李明松|王萌|袁勋来|Philippe Claeys