EPSL:埃迪卡拉-寒武纪转折期大尺度汞循环及其对环境与生物演化的启示

田辉 研究员

迪卡拉-寒武纪转折期(560-514 Ma)是地球历史上生物变革的关键时期,主要表现为埃迪卡拉型动物的灭绝(大约541 Ma)和寒武纪早期多门类动物的爆发(大约541-514 Ma)。地球表生环境变化被认为是控制生物演化的关键因素之一,有关这一时期的环境与生物协同演化也一直是地球科学研究的热点和争论的焦点。尽管海洋缺氧被认为是埃迪卡拉型生物灭绝的主要原因,但一些证据表明这一时期的氧水平明显升高,至少浅水呈氧化状态,故缺氧可能不是唯一的生物灭绝原因。同时,寒武纪早期大规模有机质埋藏被认为是氧水平显著升高的重要因素并促使动物多样化,然而对有机质大规模埋藏的机制(如缺氧水体扩张或陆源营养盐输入导致的高生产力及有机质通量)仍存在一定的争议,也缺乏直接的地球化学证据。
针对上述问题,广州地球化学研究所博士后伍耀文在田辉研究员和彭平安院士的指导下,联合中科院贵阳地化所尹润生研究员、成都理工大学李超教授,对华南地区ZK4411钻井岩心样品(时间跨度约550–514 Ma)开展了高精度汞含量及同位素等地球化学分析,并结合印度和华南地区已发表的汞地球化学数据(Yin et al., 2017; Liu et al., 2021),建立了大尺度的汞循环模式,从新的视角探讨了这一关键时期环境与生物协同演化。
研究显示,晚埃迪卡拉时期华南和印度地块沉积物具有异常高的Hg/TOC比值和Δ199Hg~0‰的同位素特征,表明该时期存在持续性的大规模火山活动(图1和图2A)。火山活动释放的大量CO2等温室气体可能是造成前寒武-寒武界限处全球性的碳同位素负偏(BACE;541 Ma)和全球海平面逐步上升的重要因素。同时,火山喷发物(如CO2和SO2)也会造成气候波动和海洋酸化,从而使海洋生态系统崩溃,因此可能是埃迪卡拉型生物灭绝的重要机制。在寒武纪幸运期-第二期,华南地区沉积物具有较高的Hg/TOC比值但偏正的Δ199Hg同位素(图1和图2B),说明汞的主要来源是大气Hg(II)沉降,可能与火山活动减弱有关,进而降低了对海洋生物的伤害,这也为小壳型动物的发育创造了有利条件。值得注意的是,在寒武纪第三期(Age 3)早期(即大体型动物出现时期),华南和印度地块沉积物具有相似的汞同位素值(负的δ202Hg和正的Δ199Hg),并且Hg和TOC具有高度的关联性,反映出海水Hg(II)吸附于有机质而共同大规模埋藏(图1),这主要与海平面上升导致缺氧水体扩张至大陆架陆棚等区域有关(图2C)。在寒武纪第三期(Age 3)中晚期,沉积物具有低Hg/TOC比值以及Δ199Hg~0‰同位素特征,指示了陆源汞的输入,可能与陆源营养盐输入有关(图2D)。
总之,本研究提出的大尺度汞循环模式不仅揭示出火山活动可能是埃迪卡拉型生物灭绝和碳循环波动的重要原因,也为深入认识寒武纪第三期(Age 3)大规模有机质的埋藏机制及其导致的氧水平升高,以及埃迪卡拉-寒武纪转折期的环境与生物协同演化提供了新的视角,相关研究成果发表于国际知名期刊EPSL(Earth and Planetary Science Letters)上。该研究受国家杰出青年科学基金(41925014,41825019)等项目联合资助。
论文信息:Wu, Yaowen(伍耀文), Yin, Runsheng(尹润生), Li, Chao(李超), Chen, Di(陈迪), Grasby, Stephen E., Li, Tengfei(李腾飞), Ji, Sui(纪随), Tian, Hui*(田辉*), Peng, Ping’an(彭平安), 2022. Global Hg cycle over Ediacaran-Cambrian transition and its implications for environmental and biological evolution. Earth and Planetary Science Letters 587, 117551. DOI: 10.1016/j.epsl.2022.117551.

图1 埃迪卡拉-寒武纪转折期华南和印度地区高精度汞含量和同位素特征对比图。其中,华南Zhijin和Maosi剖面数据引自Yin et al. (2017);印度Mussoorie的汞地球化学数据引自Liu et al. (2021)。

图2 埃迪卡拉-寒武纪转折期汞循环以及海洋氧化还原状态模式图。

参考文献:
Liu, Z.R., Zhou, M.F., Wang, W., 2021. Mercury anomalies across the Ediacaran-Cambrian boundary: Evidence for a causal link between continental erosion and biological evolution. Geochimica et Cosmochimica Acta 304, 327–346.
Yin, R. S., Xu, L. G., Lehmann, B., Lepak, R. F., Hurley, J. P., Mao, J. W., Feng, X. B., Hu R. Z., 2017. Anomalous mercury enrichment in Early Cambrian black shales of South China: mercury isotopes indicate a seawater source. Chemical Geology 467, 159–167.