埃迪卡拉纪海洋的Ba循环研究取得重要进展

Ba同位素是新近发展的金属稳定同位素体系，具有示踪古海洋生物生产力的潜力。现代海洋中海水的Ba同位素组成分布主要受到生物生产力水平的控制,但是在整个地质历史上海洋在绝大多数时期主要以缺氧状态为主，而缺氧环境下Ba的生物地球化学循环则与氧化环境下截然不同。因此，直接利用Ba同位素示踪古海洋生物生产力水平可能存在问题。

埃迪卡拉纪是地球演化史上至关重要的时期，见证了全球性冰川事件之后气温的迅速回暖，大气和海洋氧气含量的显著提升，海洋碳循环的剧烈波动，以及真核生物的繁盛和后生动物的首次出现。这些气候、环境和生命演化事件皆被埃迪卡拉纪地层完美记录，为我们观察这一特殊时期Ba的生物地球化学循环变化提供了良好的机会。

图1. 华南三峡地区埃迪卡拉系陡山沱组和灯影组碳酸盐岩的δ¹³C_carb、Ba_carb、δ¹³⁸Ba_carb和Ce/Ce^*数据

为此，我们分析了华南三峡地区埃迪卡拉系陡山沱组和灯影组碳酸盐岩的Ba同位素组成（δ¹³⁸Ba；图1）：

陡山沱组第一段最底部和第二段的碳酸盐岩记录了负的δ¹³⁸Ba，平均值约为-0.3‰，表明Marinoan冰期之后扬子地台内盆地相存在一个巨大的、混合均一的、富集轻Ba同位素的库。陡山沱组第一段碳酸盐岩的δ¹³⁸Ba由-0.22‰上升到0.47‰，表明冰期之后风化作用增强为海洋输入了大量的营养物质，提高了海水的初级生产力水平。

陡山沱组第三段碳酸盐岩记录了地质历史上最为显著的碳同位素负漂移，但是δ¹³⁸Ba并没有显著的波动，在0.00‰到0.33‰之间，平均值为0.18±0.24‰，与河流输入的δ¹³⁸Ba值（约为0.17‰）一致。该结果提供了两个信息：（1）该时期扬子地台内盆地相Ba的主要来源为河流输入，而不是先前水体中富集轻Ba同位素的库，可能是风化作用增强或广海逐渐氧化导致的；（2）局部水体的缺氧/硫化可能限制了该时期该区域Ba的生物地球化学循环。

图2. 华南三峡地区埃迪卡拉系灯影组碳酸盐岩δ¹³⁸Ba_carb和Ce/Ce^*相关性图解

灯影组蛤蟆井段至石板滩段碳酸盐岩的δ¹³⁸Ba值由-0.04‰逐渐上升到0.91‰，同时Ce/Ce^*值逐渐由0.92下降到0.45，并且两者之间有非常好的负相关关系（图2）。这可能是由两个因素导致的：（1）初级生产力的提高导致了局部水体的逐渐氧化，同时伴随着生物重晶石的形成以及水体中Ba同位素的分馏；（2）水体的氧化允许形成的重晶石沉淀并保存于沉积物中。由此可以推测，在埃迪卡拉纪晚期扬子地台浅层水体的Ba生物地球化学循环可能与现代海洋类似，可能是真核宏体藻类取代蓝藻细菌成为主要的初级生产者导致的。

通过上述观察可知，海洋中Ba的生物地球化学循环会受到局部水体氧化还原状态的强烈控制，因此Ba同位素体系可能更适用于示踪氧化水体的生产力水平，可以为研究古海洋的化学演化提供一个非常有前景的方法。

上述研究成果最近发表于国际地球化学领域知名学术期刊Geochimicaet Cosmochimica Acta，卫炜特任副研究员为论文第一/通讯作者，黄方教授为共同通讯作者，共同作者包括研究生曾振、田兰兰，中国地质大学（武汉）沈俊副教授以及南京大学凌洪飞教授和魏广祎博士。该论文得到了中国科学院先导项目（XDB41000000和XDB26000000）、国家自然科学基金项目（41902025、42002002和41872002）、安徽省自然科学基金面上项目（1908085MD112）和中央高校基本科研业务费专项资金项目（WKZ2080000120）的资助。

论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0016703721001216