汞同位素示踪埃迪卡拉纪海洋碳循环

 埃迪卡拉纪（~635-551 Ma）大尺度的碳同位素漂移（CIE）暗示海洋内部异常的碳循环。全球最大的碳同位素负漂移（Shuram NCIE）,与海洋氧化和大型生物的繁盛相耦合。有关Shuram NCIE出现的机制存在两个争论：1）深海大型溶解有机碳（DOC）储库的重新矿化；2）成岩作用。另一个全球性的CIE被记录在埃迪卡拉纪早期的帽碳酸盐岩中，陆地火山喷发、海底甲烷渗漏和缺氧深水上涌三种机制都可能是导致这次碳同位素负漂移的原因。显然有关这一时期异常碳循环的主控因素尚需要进一步约束。 

 海水中溶解汞（Hg）主要与DOC紧密络合。Hg同位素的非质量分馏（Δ¹⁹⁹Hg）和质量分馏（δ²⁰²Hg）均可作为古海洋中碳循环的有效地球化学工具。埃迪卡拉纪海洋中Hg与DOC之间的耦合可能反应在碳同位素和汞同位素的协同变化。 

图1. 埃迪卡拉纪陡山沱组（华南）和Wonoka 组（澳大利亚南部）的古地理位置（改编自Yao et al., 2014） 

 中国科学院地球化学研究所温汉捷课题组樊海峰研究员、冯新斌课题组付学吾研究员联合昆士兰大学Jack Ward博士，系统分析了埃迪卡拉纪陡山沱组（华南）和Wonoka组（澳大利亚南部）(图1) 的汞同位素组成来解密埃迪卡拉纪NCIE和PCIE的形成机制，探讨当时海洋内部的碳循环。 

 图2 陡山沱组碳，汞同位素组成及汞含量、Hg/TOC、Rb/Sr比值 

本研究获得两点重要的认识： 

1）研究结果显示陡山沱组碳同位素正漂移（PCIE）期间Δ¹⁹⁹Hg呈现逐渐降低的趋势，且并与δ²⁰²Hg相反（图2）。Δ¹⁹⁹Hg降低的趋势主要与增加的陆源输入有关，与当时海平面的下降相吻合。考虑到大量陆源碎屑物质的输入，汞同位素没有为碳同位素正漂移提供额外的约束。 

2）在Shuram NCIE期间，陡山沱组与Wonoka组呈现同样的δ²⁰²Hg变化趋势。Shuram NCIE早期，增加的δ²⁰²Hg与降低的δ¹³C暗示汞主要来源于陆源溶解汞的输入，而碳主要来自深海DOC在氧化还原界面的重新矿化（图3A）。Shuram NCIE晚期，降低的δ²⁰²Hg暗示这一时期深海仍然存在一个巨大的DOC 储库（图3B）。深海巨大DOC储库的存在很大程度上延缓了海洋的氧化进度。 

此外，本研究显示汞同位素的质量分馏在示踪海洋内部精细的汞和碳循环方面展现出了巨大的潜力，今后的研究中应该引起更多的关注。 

　　                                     图 3. 埃迪卡拉纪Shuram期间海洋汞和碳的循环 

感谢中国科学院（XDB18030302, ZDBS-LY-DQC029, IIT JCTD-2019–17）和国家自然科学基金委员会（41890840, U1812402）联合资助。研究成果发表在国际权威期刊《Geology》上。 

Fan, H, et al., 2020, Mercury isotopes track the cause of carbon perturbations in the Ediacaran ocean: Geology, v. 49, https://doi.org/10.1130/G48266.1. 

（矿床室 樊海峰/供稿）