研究表明6億年前海洋深處有氧氣 相關(guān)研究成果近日在線發(fā)表于《地質(zhì)學(xué)》

如果沒有氧氣供給，人類會窒息而亡。復(fù)雜多細胞生物的生存和繁衍也離不開氧氣。埃迪卡拉紀古海洋孕育了地球上最早的復(fù)雜多細胞宏體生物，其深層海水是否含有氧氣?中科院南京地質(zhì)古生物研究所(以下簡稱南京古生物所)等單位開展研究，為揭示當(dāng)時海洋的氧化狀態(tài)提供了新證據(jù)。相關(guān)研究成果近日在線發(fā)表于《地質(zhì)學(xué)》。

距今6.35億至5.38億年前的埃迪卡拉紀是地球生命演化的關(guān)鍵轉(zhuǎn)折時期。該時期地層中產(chǎn)出了大量由復(fù)雜多細胞生命組成的化石生物群，如華南揚子地臺的藍田生物群、甕安生物群、廟河生物群及石板灘生物群等。復(fù)雜多細胞生物的出現(xiàn)表明當(dāng)時海洋環(huán)境中含氧量增加，但一些研究卻認為晚期埃迪卡拉紀海洋的深水區(qū)大部分時間仍處于還原缺氧狀態(tài)。

為此，南京古生物所研究員王偉、碩士研究生胡永亮、助理研究員關(guān)成國、研究員周傳明等與中科院地質(zhì)與地球物理研究所科研人員及國外學(xué)者合作，利用黃鐵礦硫同位素原位微區(qū)分析方法，并結(jié)合巖石學(xué)和礦物學(xué)分析，揭示了埃迪卡拉紀古海洋中的硫酸根庫容量比先前估計的高，表明在埃迪卡拉紀早期深層海水可能已經(jīng)開始大規(guī)模氧化。

地質(zhì)歷史時期古海洋環(huán)境重建多借助于地球化學(xué)手段，硫同位素是最常用的指標(biāo)之一。王偉告訴《中國科學(xué)報》：“我們的研究發(fā)現(xiàn)全巖硫同位素指標(biāo)在古環(huán)境重建中存在一定的局限性，并提供了相應(yīng)的解決方案。”

在大氣含氧量普遍較低的情況下，陸源硫酸根離子是海洋的重要氧化劑，對古海洋深水區(qū)的氧化起到關(guān)鍵性作用。在硫酸鹽還原細菌作用下，硫酸根與有機質(zhì)發(fā)生氧化還原反應(yīng)，硫同位素在氧化態(tài)(硫酸根)和還原態(tài)(例如黃鐵礦)中發(fā)生同位素分餾。盡管引發(fā)硫同位素分餾的因素很多，但其分餾程度常用來反推地質(zhì)歷史時期海洋環(huán)境中的硫酸根濃度和古海洋的氧化能力。

埃迪卡拉紀沉積地層中的硫同位素組成較為復(fù)雜。以往傳統(tǒng)硫同位素方法的應(yīng)用多采取全巖分析手段，缺乏系統(tǒng)的巖石學(xué)和礦物學(xué)分析，并未充分考慮沉積硫化物(例如黃鐵礦)形成過程及后期成巖作用的復(fù)雜性。王偉說：“早期的方法有可能導(dǎo)致提取的古海水中的同位素信號疊加了其他介質(zhì)(例如孔隙水、成巖后期的地下水體)信號，致使我們對當(dāng)時海洋水體的氧化還原狀態(tài)的認識產(chǎn)生偏差。”

為解決以上問題，研究團隊以埃迪卡拉紀深水相藍田巖芯樣品為研究對象，系統(tǒng)分析了埃迪卡拉紀藍田組硫同位素組成復(fù)雜變化的原因，并評估了全巖硫同位素方法恢復(fù)地質(zhì)歷史時期古海洋環(huán)境的可靠性。連續(xù)、完整、新鮮的巖芯樣品，為進行系統(tǒng)可靠的巖石學(xué)和礦物學(xué)觀察以及地球化學(xué)分析提供了有力保障。

研究表明，形成于開放水體環(huán)境、未經(jīng)成巖作用改造的草莓狀黃鐵礦的硫同位素組成最有可能代表底層水體的同位素分餾狀態(tài)，可以作為恢復(fù)古海洋氧化還原條件的研究載體。

研究團隊還基于硫循環(huán)模型，估算了埃迪卡拉紀硫酸根濃度，認為以往基于全巖硫同位素的研究很可能嚴重低估了這一時期海洋中的硫酸根濃度及其海洋氧化能力，推測埃迪卡拉紀硫酸根庫容量可能已經(jīng)足夠滿足深層海水的氧化，從而為復(fù)雜多細胞生命的發(fā)展提供了保障。(記者沈春蕾)