寒武纪早期生物扰动对海水硫酸盐含量影响的时空对比研究

Recently, more and more scholars pay attention on the effects of the evolution of life on environmental changes during the Cambrian, an important view is that the appearance and development of bioturbation during the Cambrian play a key role in seawater sulfate concentrations, but this hypothesis is still under debated. In this study, we will conduct sedimentary facies, bioturbation index, sulfur isotopic compositions of cogenetic carbonate-associated sulfate and pyrite on the early Cambrian (late Fortunian-lower Age 2) strata from different settings with different bioturbation intensity in Yunnan Province, which yields small shelly fossil assemblages 2 and 3. Together with the maximum rates of changes in sulfur isotopic compositions of seawater sulfate and pyrite burial flux based on the investigations of published papers, the maximum and mean values of seawater sulfate concentrations can be quantitatively calculated through rate and microbial sulfate reduction-trend model, respectively. By comparing our reconstructed bioturbation index and seawater sulfate concentrations in the temporal and spatial scales, this study will provide the essentially quantitative data to primarily explore the effects of bioturbation on seawater sulfate concentrations during the early Cambrian (late Fortunian-early Age 2) from the temporal and spatial angles, which helps us to deeply understand the effects of the evolution of life on environmental changes at this time.

近来，寒武纪生物演化对环境的影响逐渐受到学界的关注，其中一个重要理论是生物扰动在寒武纪的出现和发展对海水硫酸盐含量产生了重要的影响，但该认识在当前仍存在很大的争议。本申请拟以云南寒武纪幸运期晚期-第二期早期保存有不同生物扰动强度的不同沉积相区地层为重点研究对象（含小壳化石组合2和3的层位），对其开展沉积相分析、生物扰动指数测量和同源碳酸盐岩晶格硫的硫同位素组成和黄铁矿硫同位素组成分析，然后辅以文献调研来获得海水硫酸盐硫同位素的最大变化速率和黄铁矿的埋藏分数，最终利用速率模型和微生物硫酸盐还原趋势模型分别将上述地球化学参数解译为海水硫酸盐含量的最大值和平均值。在此基础之上，本申请将生物扰动指数与定量重建的海水硫酸盐含量进行时空对比研究，以期从时空角度为初步探讨寒武纪幸运期晚期-第二期早期生物扰动对海水硫酸盐含量的影响提供关键的定量化信息，进而为深入理解该时期生物演化对环境的影响提供关键信息。

地质历史时期生物与环境通常是协同演化的。寒武纪早期不仅是地球表层生物演化和环境波动的关键时期，也是生物与环境相互作用表现得最为突出的时期。为了探讨寒武纪早期生物与环境相互作用的过程，我们对寒武纪早期及其前后埃迪卡拉纪和奥陶纪-志留纪之交地层样品开展总有机碳、铁组分、主量元素、微量元素、碳-氧-硫-氮同位素和黄铁矿形态学等多元地球化学研究。寒武纪早期硫同位素与生物扰动之间的对比研究，发现该时期生物扰动对硫酸盐含量和超重的黄铁矿硫同位素产生了重要的影响。然而，生物扰动现象所指示的氧化状态与铁组分所指示的缺氧铁化状态不吻合，这可能缘于铁组分受到成岩作用的影响。通过对寒武纪早期小壳动物群灭绝时期海水化学状态的研究，我们发现缺氧状态可能是小壳动物群灭绝的重要因素之一。此外，我们还发现南华盆地在寒武纪早期为一个中等局限的盆地，且南华盆地与广海之间的连通性对海水氧化还原状态起着关键的作用，暗示南华盆地海水氧化还原状态可能难以完全反映全球信息，从而需要重新审视该时期海水化学状态与生物演化之间的关系。通过对埃迪卡拉纪晚期缺氧页岩中氧化还原敏感元素的研究，我们发现缺氧页岩中氧化还原敏感元素呈现高度的空间差异性，暗示华南缺氧页岩中氧化还原敏感元素指标可能难以有效地约束全球海洋氧化还原状态。通过对华南奥陶纪-志留纪之交海水化学的研究，我们发现海侵的时候，南华盆地与广海连通性较好，上升流广为发育，初级生产力高，海水变得缺氧；海退的时候，南华盆地变得更加局限，上升流减弱，初级生产力降低，海水变得更加氧化。华南奥陶纪-志留纪之交海水化学呈现高频波动，其中缺氧水体的普遍发育可能是奥陶纪-志留纪之交生物大灭绝的触发机制之一。我们的研究表明生物对海水化学产生重要作用，但是海水化学还受到其他因素（例如盆地局限和海平面变化）的影响。此外，地质历史时期海洋广泛的缺氧可能是早期动物灭绝的重要触发因素之一。