通常認為，氧氣是複雜多細胞生物得以生存和繁衍的重要條件之一。孕育了地球上最早的複雜多細胞生物的埃迪卡拉紀海洋，其深層海水是否發生了大規模氧化？中國科學院南京地質古生物研究所王偉副研究員等人的最新研究成果，為瞭解當時海洋的氧化狀態提供了新的證據，相關成果於2021年1月27日線上發表於國際知名期刊《地質學》（Geology）。
距今6.35–5.38億年前的埃迪卡拉紀是地球生命演化的關鍵轉折時期。該時期地層中產出了大量由複雜多細胞生命組成的化石生物群，例如：華南揚子地台的“藍田生物群”、“瓮安生物群”、“廟河生物群”及“石板灘生物群”等。複雜多細胞生物的生命活動需要消耗大量氧氣，它們的出現代表著當時海洋環境中含氧量的增高，但是許多研究卻認為新元古代晚期埃迪卡拉紀海洋的深水區仍處於還原狀態。
近期，南京古生物所王偉副研究員、關成國助理研究員和周傳明研究員等與中國科學院地質與地球物理研究所同事合作，利用黃鐵礦硫同位素原位微區分析方法（nanoSIMS），並結合岩石學和礦物學分析，揭示了埃迪卡拉紀海洋中的硫酸根庫容量比先前估計的要高，表明當時深層海水可能已經開始大規模氧化。同時，本研究指出全岩硫同位素名額在古環境重建中存在一定的局限性，並提供了相應的解決方案。
地質歷史時期古海洋環境的恢復多借助於地球化學手段，硫同位素是其中最常用的地化名額之一。在大氣含氧量普遍較低的情况下，陸源硫酸根離子是海洋的重要氧化劑，對古海洋深水區的氧化起到關鍵性作用。在硫酸鹽還原細菌作用下，硫酸根與有機質發生氧化還原反應，硫同位素在氧化態（硫酸根）和還原態（例如黃鐵礦）中發生同位素分餾。儘管引發硫同位素分餾的因素很多，但其分餾程度（Δ34S=δ34SCAS–δ34SPy）常用來反推地質歷史時期海洋環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複雜，主要表現在不同沉積層位的Δ34S值存在較大變化範圍（0~50‰）。綜合其他地化名額，普遍認為埃迪卡拉紀較大範圍的Δ34S值與該時期海洋中較低的硫酸根濃度有關（深水區硫酸根濃度< 1 mM）。然而，以往傳統硫同位素方法的應用多採取全岩分析手段，缺乏系統的岩石學和礦物學分析，並未充分考慮沉積硫化物（例如黃鐵礦）形成過程及後期成岩作用的複雜性。早期的方法有可能導致所選取的古海水中的同位素訊號疊加了其他介質（例如孔隙水、成岩後期的地下水體）的訊號，致使我們對當時海洋水體的氧化還原狀態的認識產生偏差。
為解决以上問題，研究團隊以埃迪卡拉紀深水相藍田岩芯樣品為研究對象，系統分析了埃迪卡拉系藍田組硫同位素組成複雜變化的原因，並評估了全岩硫同位素方法恢復地質歷史時期古海洋環境的可靠性。連續、完整、新鮮的岩芯樣品為進行系統可靠的岩石學和礦物學觀察，以及地球化學分析提供了有力保障。
研究結果表明：1）埃迪卡拉紀藍田岩芯中的沉積黃鐵礦主要存在兩種形態：草莓狀黃鐵礦和自形/半自形黃鐵礦。草莓狀黃鐵礦具中等大小的粒徑範圍（5.9±2.0μm–8.7±4.1μm），具較低且穩定的同位素組成（δ34SPy平均值為–25.3±6.2‰），形成於底層水體或沉積物的淺表面，代表了開放的形成環境。部分草莓狀黃鐵礦具有成岩過程中形成的重結晶和包殼現象，與保存完好的草莓狀黃鐵礦相比，它們的硫同位素數值相對較高但仍為負值；2）與之相比，自形/半自形黃鐵礦具立方體、五角十二面體和八面體晶形，以單晶體和聚合體形態存在，具較高而變化範圍較大的δ34SPy值（12.6±13.3‰）。推測它們形成於與上覆水體不甚通暢的封閉環境，較大的值域分佈應為在孔隙水微環境中發生的瑞利分餾導致的庫效應所致；3）草莓狀黃鐵礦和自形/半自形黃鐵礦中的δ34SPy值相差較大，在同一樣品中兩者的δ34SPy值最大差异可達43.6±4.5‰。剖面中全岩δ34SPy值的變化應由樣品中草莓狀黃鐵礦和自形/半自形黃鐵礦組成比例不同導致，並不能反映海水中硫酸根濃度水准的變化。
研究表明形成於開放水體環境、未經成岩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，可以作為恢復古海洋氧化還原條件的研究載體。本研究還基於硫迴圈模型，估算了埃迪卡拉紀硫酸根濃度，認為以往基於全岩硫同位素的研究很可能嚴重低估了此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足够滿足深層海水的氧化，從而為複雜多細胞生命的發展提供了保障。
本研究的樣品採集、光學顯微鏡和掃描電子顯微鏡觀察在南京古生物所實驗室完成，nanoSIMS同位素測試在中科院地質與地球物理研究所納米離子探針實驗室完成。
此項研究獲得了國家科技部、中國科學院和國家自然科學基金委員會專案資助。
相關論文資訊：Wei Wang*，Yongliang Hu，A. Drew Muscente，Huan Cui，Chengguo Guan，Jialong Hao，Chuanming Zhou*，2021，Revisiting Ediacaran sulfur isotope chemostratigraphy within situnanoSIMS analysis of sedimentary pyrite.Geology，v. 49，https://doi.org/10.1130/G48262.1
圖1埃迪卡拉紀深水相藍田組中的黃鐵礦硫同位素組成特徵
圖2埃迪卡拉紀深水相藍田組黃鐵礦的主要形態及其原位微區硫同位素組成特徵