新元古代極大無機碳同位素δ13Ccarb負漂移事件的最新進展

1、新元古代極大無機碳同位素(813Ccarb)負漂移事件的最新進展摘要：新元古代晚期發(fā)生了地質(zhì)歷史上全球范圍內(nèi)最大的無機碳同位素(813Ccarb)負漂移事件，也被定義為“Shuram曲線(SE)事件”。傳統(tǒng)觀點認為SE事件反映了這一時期海洋碳循環(huán)的異常波動，極有可能源于海洋中超大型溶解有機碳庫的氧化。然而，此種機制難以解釋SE事件中部分現(xiàn)象如全球有機碳同位素(813Corg)較大的差異性。近幾年來，不斷有學(xué)者質(zhì)疑上述觀點，并認為SE事件遭受了成巖作用而不能反映原始的海洋碳循環(huán)過程。這一機制得到該時期碳酸鹽巖氧同位素(818Ocarb)與813Ccarb間線性關(guān)系的支持，但難以解釋SE事件中部分

2、特征如SE事件的全球性。因此，目前關(guān)于SE事件的兩種機制均具有一定的合理性但也存在一定程度的缺陷。關(guān)鍵詞：SE事件；超大型溶解有機碳庫；成巖作用；新元古代引言過去幾十年內(nèi)，碳同位素地層學(xué)已作為全球地層對比的重要手段之一。前寒武紀，特別是新元古代化石的極度貧乏，導(dǎo)致生物地層學(xué)的缺失，進而導(dǎo)致這一時期碳同位素地層學(xué)被廣泛的用于區(qū)域甚至全球地層劃分和對比(Halversonetal.,2005）。止匕外，碳與生命的新陳代謝密切相關(guān)。自養(yǎng)生物的代謝作用將無機碳轉(zhuǎn)變?yōu)橛袡C碳，而異養(yǎng)生物的代謝作用又將有機碳轉(zhuǎn)變?yōu)闊o機碳。需要指由的是，光合自養(yǎng)生物易繁盛于氧化的沉積環(huán)境，而化能自養(yǎng)生物和異養(yǎng)生物則易繁盛于缺

3、氧的沉積環(huán)境。因此，碳同位素也被用來示蹤地質(zhì)歷史時期海洋化學(xué)的演化過程。在新元古代化學(xué)地層學(xué)不斷深入研究的過程中，一個非同尋常的碳同位素曲線首次報道于阿曼地區(qū)埃迪卡拉紀Shuram組（BurnsandMatter,1993）。這一碳同位素曲線已被命名為“Shuram曲線（SE）事件”。在等級次序上，1000Myr（百萬年）內(nèi)碳同位素曲線及其量級的記錄顯示最負的碳同位素發(fā)現(xiàn)于新元古代地層（圖1）。目前為止，兩種機制被用來解釋SE事件：（1）SE事件記錄的是原始的碳同位素信號，可能源于埃迪卡拉紀超大型溶解有機碳庫的氧化（Rothmanetal.,2003;Fikeetal.,2006;McFadd

4、enetal.,2008）;（2）SE事件記錄的是遭受成巖作用的碳同位素信號（Derry,2010）。在前人研究的基礎(chǔ)上，本文將著重評述和分析SE事件的兩種機制。1 .Shuram曲線（SE）事件SE事件主要表現(xiàn)為以下6個特征：（1）極大的波動幅度，從+6%。到-12%。；（2）813Ccarb在地層上發(fā)育不對稱，從+6%。迅速下降到-12%。，然后其緩慢恢復(fù)；（3）613Ccarb值在連續(xù)地層中波動較小，且非常穩(wěn)定；(4)介于Marinoan冰期與埃迪卡拉型宏體化石之間；(5)很長的持續(xù)時間，記錄了SE事件的數(shù)百米厚淺海沉積地層的年代地層學(xué)證據(jù)表明其持續(xù)時間至少超過5Myr;(6)613Cc

5、arb與有機碳同位素(613Corg)間的非耦合關(guān)系；(7)全球眾多剖面上813Ccarb與818Ocarb間具有良好的相關(guān)性。埃迪卡拉紀SE事件是上述碳同位素負漂移記錄中量級最大的，最低可達-12%。，且其表現(xiàn)為在幾百米厚的地層中同位素值普遍小于-6%。記錄可能持續(xù)時間長達5Myr(BurnsandMatter,1993),盡管在全球范圍內(nèi)有相當數(shù)量的剖面記錄可能與SE事件相關(guān)聯(lián)，但就碳同位素波動幅度和時間延續(xù)長度而言，至少存在四個地區(qū)可與Shuram組的碳同位素負漂移相比較(圖2),包括阿曼地區(qū)(Fikeetal.,2006)、美國北部(Kaufmanetal.,2007)、中國華南(Mc

6、Faddenetal.,2008)和澳大利亞南部(Calveretal,2000)。數(shù)據(jù)來自：阿曼地區(qū)Shuram組(Fikeetal.,2006);澳大利亞南部Wonoka組(Calver,2006);中國華南Doushantuo組(McFaddenetal.,2008);美國加利福尼亞Johnnie組(Verdeletal.,2011)。2 .原始信號基于SE事件中813Ccarb與813Corg間的非耦合關(guān)系，Rothmanetal.(2003)提由了一個新的有別于現(xiàn)代海洋的碳循環(huán)模式來解釋新元古代時期碳循環(huán)過程。其認為新元古代晚期存在一個超大型溶解有機碳庫，遠遠超過無機碳庫的規(guī)模，且該

7、溶解有機碳庫的居留時間很長。此種背景下，輕微分的溶解有機碳被氧化形成CO2將導(dǎo)致同時期無機碳組分(DIC)富集輕微分，進而導(dǎo)致沉積物中記錄偏輕的碳同位素。止匕外，由于超大型溶解有機碳庫對海洋有機碳的緩沖作用，613Corg變化不大。這一機制隨后被廣泛的應(yīng)用于新元古代晚期碳循環(huán)的解釋(例如：Fikeetal.,2006;McFaddenetal.,2008)。然而，近來，新元古代超大型溶解有機碳庫理論不斷的接受挑戰(zhàn)。例如，海洋中超大型溶解碳庫的存在必將導(dǎo)致全球地區(qū)813Corg的穩(wěn)定性和均一性，但這一時期全球地區(qū)813Corg波動范圍較大，存在明顯的差異性(Calveretal.,2000;Fi

8、keetal.,2006;McFaddenetal.,2008)。3 .成巖作用基于阿曼、澳大利亞南部和中國華南地區(qū)613Ccarb與818Ocarb間具有良好的相關(guān)性(Fikeetal.,2006;Calver,2000;McFaddenetal.,2008),SE事件被認為是受到成巖作用的影響(Derry,2010)。然而，上述613Ccarb與618Ocarb間具有良好的相關(guān)性可由其他因素所導(dǎo)致包括溫度控制的微生物呼吸過程(Stanley,2010)和水體高溫導(dǎo)致的較高溫度的孔隙流體(Macdonaldetal.,2009)。此外，后期成巖作用引起的813Ccarb應(yīng)該是局部的現(xiàn)象，而非

9、全球特征。因此，613Ccarb與618Ocarb間耦合性可能不是由后期成巖作用導(dǎo)致的，而取決于溫度和/或海水或孔隙水體組分的變化。4.結(jié)論兩種重要機制被用來解釋新元古代晚期SE事件。觀點1:SE事件反映了這一時期海洋碳循環(huán)的異常波動，極有可能源于海洋中超大型溶解有機碳庫的氧化。然而，此種機制難以解釋SE事件中部分現(xiàn)象如全球有機碳同位素(813Corg)較大的差異性。觀點2:SE事件不能反映原始的海洋碳循環(huán)過程，其遭受了成巖作用。這一機制得到該時期碳酸鹽巖氧同位素(818Ocarb)與813Ccarb間線性關(guān)系的支持，但難以解釋SE事件中部分特征如SE事件的全球性。因此，目前關(guān)于SE事件的兩種

10、機制均具有一定的合理性但也存在一定程度的缺陷。參考文獻1BurnsSJandMatterA.CarbonisotopicrecordofthelatestProterozoicfromOman.EclogaeGeolHelv,1993,86:595-6072CalverCR.IsotopestratigraphyoftheEdiacarian(NeoproterozoicIII)oftheAdelaideRiftComplex,Australia,andtheoverprintofwatercolumnstratification.PrecambrRes,2000,100:121-1503De

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