| |
 |
图 来自全球四个古大陆（a）六个埃迪卡拉纪剖面的CAP和相关地球化学记录(b-g)。这六个剖面记录了地质历史时期最大无机碳同位素负偏事件—Shuram Excursion (SE)事件
在国家自然科学基金项目（批准号：41825019、42130208、41821001）等资助下，成都理工大学李超教授研究团队与国外合作者在埃迪卡拉纪海洋磷循环研究方面取得进展。研究成果以“解密埃迪卡拉纪磷循环（Uncovering the Ediacaran phosphorus cycle）”为题，于2023年5月31日在《自然》（Nature）上在线发表。论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-023-06077-6。
作为生命关键组成元素，磷（P）是控制现代和地质历史时期海洋生产力大小的首要营养盐，而氧气（O2）则是复杂真核生命代谢所必需的氧化剂，破解二者关系是地球宜居性演化研究的关键内容。现代海洋中，P和O2（或氧化程度）在百万年的地质尺度上表现为负反馈关系：当海洋O2升高时，海洋会通过增加铁氧化物吸附等方式将P移出海水进入沉积物，导致海洋生产力以及光合作用产氧下降，从而阻止海洋进一步氧化；相反，海洋O2降低（即海洋出现缺氧时）会将沉积物中的P再活化而重新释放到海洋中，从而增加海洋生产力和氧气产量，阻止海洋缺氧的扩大。这一负反馈机制在很大程度上将现代海洋，乃至显生宙（<539 Ma）氧化为主体的海洋锁定在了一个相对稳定的氧化世界里，使地球上的复杂真核生命得以延续繁衍。很多研究表明：前寒武纪海洋（>539 Ma）具有分层结构，氧化仅存在于海洋的表层，而缺氧占据海洋的主体。那么，显生宙氧化海洋P-O2负反馈过程是否也存在于前寒武纪的海洋中呢？对此，科学家还不能给出很好的回答，其中一个重要原因在于缺乏能够直接有效追踪古海洋溶解P含量的定量指标，因而无法准确定量古海洋中溶解P的波动。
针对上述问题，成都理工大学李超团队采用自己研发的碳酸盐结合态磷酸盐（Carbonate-Associated Phosphate，简称CAP）指标分析了埃迪卡拉纪Shuram Excursion（简称为SE）事件地层，发现世界各地区样品的CAP数据均呈现“M”型演化趋势，磷含量的变化与δ238Ucarb记录的海洋氧化程度是解耦的，这与期望中的显生宙氧化海洋中P-O2循环耦合关系截然不同（图）。研究认为埃迪卡拉纪海洋P-O2循环的解耦合很可能与当时古海洋具有极小的P库有关，这可能是当时广泛缺氧铁化环境（注：一种缺氧和富含Fe2+的水体环境）通过有机磷或蓝铁矿等持续对海洋P移除的结果。研究团队通过改进的COPSE模型的地质模拟，进一步指出SE时期古海洋的氧化是由于地质构造运动增强了大陆风化（由图中87Sr/86Sr数据的上升支持），让大量陆地风化起源的氧化剂、营养盐输入海洋引起的得到了图中δ34SCAS （碳酸盐结合态硫酸盐硫同位素）数据的支持。研究结果暗示了要打破前寒武纪海洋内部P-O2循环的解耦和实现海洋的氧化可能需要海洋以外的因素来驱动。
该成果揭示了前寒武纪海洋维持漫长缺氧状态的根本原因和早期地球缺氧海洋最终实现氧化的根本机制，极大深化了人类对于地球宜居性演化和复杂生命演化规律的理解。这一成果对于早期地球海洋环境下相关矿产资源和油气资源的形成和勘查也有重要的启示意义。