新元古代極大無(wú)機(jī)碳同位素（δ13Ccarb）負(fù)漂移事件的最新進(jìn)展

付挺

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(wú)機(jī)碳同位素（δ13Ccarb）負(fù)漂移事件，也被定義為“Shuram曲線（SE）事件”。傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為SE事件反映了這一時(shí)期海洋碳循環(huán)的異常波動(dòng)，極有可能源于海洋中超大型溶解有機(jī)碳庫(kù)的氧化。然而，此種機(jī)制難以解釋SE事件中部分現(xiàn)象如全球有機(jī)碳同位素（δ13Corg）較大的差異性。近幾年來(lái)，不斷有學(xué)者質(zhì)疑上述觀點(diǎn)，并認(rèn)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(guò)程。這一機(jī)制得到該時(shí)期碳酸鹽巖氧同位素（δ18Ocarb）與δ13Ccarb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事件的兩種機(jī)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(jī)碳庫(kù)；成巖作用；新元古代

引言

過(guò)去幾十年內(nèi)，碳同位素地層學(xué)已作為全球地層對(duì)比的重要手段之一。前寒武紀(jì)，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(jìn)而導(dǎo)致這一時(shí)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(duì)比（Halverson et al.， 2005）。此外，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(wú)機(jī)碳轉(zhuǎn)變?yōu)橛袡C(jī)碳，而異養(yǎng)生物的代謝作用又將有機(jī)碳轉(zhuǎn)變?yōu)闊o(wú)機(jī)碳。需要指出的是，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)生物則易繁盛于缺氧的沉積環(huán)境。因此，碳同位素也被用來(lái)示蹤地質(zhì)歷史時(shí)期海洋化學(xué)的演化過(guò)程。

在新元古代化學(xué)地層學(xué)不斷深入研究的過(guò)程中，一個(gè)非同尋常的碳同位素曲線首次報(bào)道于阿曼地區(qū)埃迪卡拉紀(jì)Shuram組（Burns and Matter， 1993）。這一碳同位素曲線已被命名為“Shuram曲線（SE）事件”。在等級(jí)次序上，1000 Myr（百萬(wàn)年）內(nèi)碳同位素曲線及其量級(jí)的記錄顯示最負(fù)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(jī)制被用來(lái)解釋SE事件：（1）SE事件記錄的是原始的碳同位素信號(hào)，可能源于埃迪卡拉紀(jì)超大型溶解有機(jī)碳庫(kù)的氧化（Rothman et al.， 2003； Fike et al.， 2006； McFadden et al.， 2008）；（2） SE事件記錄的是遭受成巖作用的碳同位素信號(hào)（Derry， 2010）。在前人研究的基礎(chǔ)上，本文將著重評(píng)述和分析SE事件的兩種機(jī)制。

1. Shuram曲線（SE）事件

SE事件主要表現(xiàn)為以下6個(gè)特征：（1）極大的波動(dòng)幅度，從+6‰到-12‰；（2）δ13Ccarb在地層上發(fā)育不對(duì)稱，從+6‰迅速下降到-12‰，然后其緩慢恢復(fù)；（3）δ13Ccarb值在連續(xù)地層中波動(dòng)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(zhǎng)的持續(xù)時(shí)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(shí)間至少超過(guò)5 Myr；（6）δ13Ccarb與有機(jī)碳同位素（δ13Corg）間的非耦合關(guān)系；（7）全球眾多剖面上δ13Ccarb與δ18Ocarb間具有良好的相關(guān)性。

埃迪卡拉紀(jì)SE事件是上述碳同位素負(fù)漂移記錄中量級(jí)最大的，最低可達(dá)-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(shí)間長(zhǎng)達(dá)5 Myr（Burns and Matter， 1993），盡管在全球范圍內(nèi)有相當(dāng)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(dòng)幅度和時(shí)間延續(xù)長(zhǎng)度而言，至少存在四個(gè)地區(qū)可與Shuram組的碳同位素負(fù)漂移相比較（圖2），包括阿曼地區(qū)（Fike et al.， 2006）、美國(guó)北部（Kaufman et al.， 2007）、中國(guó)華南（McFadden et al.， 2008）和澳大利亞南部（Calver et al， 2000）。

數(shù)據(jù)來(lái)自：阿曼地區(qū)Shuram組（Fike et al.， 2006）；澳大利亞南部Wonoka組（Calver， 2006）；中國(guó)華南Doushantuo組（McFadden et al.， 2008）；美國(guó)加利福尼亞Johnnie組（Verdel et al.， 2011）。

2. 原始信號(hào)

基于SE事件中δ13Ccarb與δ13Corg間的非耦合關(guān)系，Rothman et al.（2003）提出了一個(gè)新的有別于現(xiàn)代海洋的碳循環(huán)模式來(lái)解釋新元古代時(shí)期碳循環(huán)過(guò)程。其認(rèn)為新元古代晚期存在一個(gè)超大型溶解有機(jī)碳庫(kù)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)無(wú)機(jī)碳庫(kù)的規(guī)模，且該溶解有機(jī)碳庫(kù)的居留時(shí)間很長(zhǎng)。此種背景下，輕餾分的溶解有機(jī)碳被氧化形成CO2將導(dǎo)致同時(shí)期無(wú)機(jī)碳組分（DIC）富集輕餾分，進(jìn)而導(dǎo)致沉積物中記錄偏輕的碳同位素。此外，由于超大型溶解有機(jī)碳庫(kù)對(duì)海洋有機(jī)碳的緩沖作用，δ13Corg變化不大。這一機(jī)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：Fike et al.， 2006； McFadden et al.， 2008）。

然而，近來(lái)，新元古代超大型溶解有機(jī)碳庫(kù)理論不斷的接受挑戰(zhàn)。例如，海洋中超大型溶解碳庫(kù)的存在必將導(dǎo)致全球地區(qū)δ13Corg的穩(wěn)定性和均一性，但這一時(shí)期全球地區(qū)δ13Corg波動(dòng)范圍較大，存在明顯的差異性（Calver et al.， 2000； Fike et al.， 2006； McFadden et al.， 2008）。

3. 成巖作用

基于阿曼、澳大利亞南部和中國(guó)華南地區(qū)δ13Ccarb與δ18Ocarb間具有良好的相關(guān)性（Fike et al.， 2006； Calver， 2000； McFadden et al.， 2008），SE事件被認(rèn)為是受到成巖作用的影響（Derry， 2010）。然而，上述δ13Ccarb與δ18Ocarb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(guò)程（Stanley， 2010）和水體高溫導(dǎo)致的較高溫度的孔隙流體（Macdonald et al.， 2009）。此外，后期成巖作用引起的δ13Ccarb應(yīng)該是局部的現(xiàn)象，而非全球特征。因此，δ13Ccarb與δ18Ocarb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。endprint

4. 結(jié)論

兩種重要機(jī)制被用來(lái)解釋新元古代晚期SE事件。觀點(diǎn)1：SE事件反映了這一時(shí)期海洋碳循環(huán)的異常波動(dòng)，極有可能源于海洋中超大型溶解有機(jī)碳庫(kù)的氧化。然而，此種機(jī)制難以解釋SE事件中部分現(xiàn)象如全球有機(jī)碳同位素（δ13Corg）較大的差異性。觀點(diǎn)2：SE事件不能反映原始的海洋碳循環(huán)過(guò)程，其遭受了成巖作用。這一機(jī)制得到該時(shí)期碳酸鹽巖氧同位素（δ18Ocarb）與δ13Ccarb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事件的兩種機(jī)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(xiàn)

[1]Burns S J and Matter A. Carbon isotopic record of the latest Proterozoic from Oman. Eclogae Geol Helv， 1993， 86： 595-607

[2]Calver C R. Isotope stratigraphy of the Ediacarian （Neoproterozoic III） of the Adelaide Rift Complex， Australia， and the overprint of water column stratification. Precambr Res， 2000， 100： 121-150

[3]Derry L A. A burial diagenesis origin for the Ediaacaran Shuram-Wonoka carbon isotope anomaly. Earth Planet Sci Lett， 2010， 294： 152–162

[4]Halverson G P， Maloof A C， Hoffman P F. Towards a Neoproterozoic composite carbon-isotope record. Geol Soc Am Bull， 2005， 117： 1181-1207

[5]Kaufman A J， Corsetti F A and Varni M A. The effect of rising atmospheric oxygen on carbon and sulfur isotope anomalies in the Neoproterozoic Johnnie Formation， Death Valley， USA. Chem Geol， 2007， 237： 47-63

[6]Macdonald F A， McClelland W C， Schrag D P， Macdonald W P. Neoproterozoic glaciation on a carbonate platform margin in Arctic Alaska and the origin of the North Slope subterrane. Geol Soc Am Bull， 2009， 121： 448–473

[7]McFadden K A， Huang J， Chu X L， et al. Pulsed oxidation and biological evolution in the Ediacaran Doushantuo Formation. Proc Natl Acad Sci USA， 2008， 105： 3197-3202

[8]Rothman D H， Hayes J M and Summons R E. Dynamics of the Neoproterozoic carbon cycle. Proc Natl Acad Sci USA， 2003， 100： 8124–8129

[9]Stanley S M. Relation of Phanerozoic stable isotope excursions to climate， bacterial metabolism， and major extinctions. Proc Natl Acad Sci USA， 2010， 107， 19185–19189.

[10]Verdel C， Wernicke B P and Bowring S A. The Shuram and subsequent Ediacaran carbon isotope excursions from southwest Laurentia， and implications for environmental stability during the metazoan radiation. Geol Soc Am Bull， 2011， 123： 1539-1559endprint