新元古代极大无机碳同位素（δ13Ccarb）负漂移事件的最新进展

付挺

摘要：新元古代晚期发生了地质历史上全球范围内最大的无机碳同位素（δ13Ccarb）负漂移事件，也被定义为“Shuram曲线（SE）事件”。传统观点认为SE事件反映了这一时期海洋碳循环的异常波动，极有可能源于海洋中超大型溶解有机碳库的氧化。然而，此种机制难以解释SE事件中部分现象如全球有机碳同位素（δ13Corg）较大的差异性。近几年来，不断有学者质疑上述观点，并认为SE事件遭受了成岩作用而不能反映原始的海洋碳循环过程。这一机制得到该时期碳酸盐岩氧同位素（δ18Ocarb）与δ13Ccarb间线性关系的支持，但难以解释SE事件中部分特征如SE事件的全球性。因此，目前关于SE事件的两种机制均具有一定的合理性但也存在一定程度的缺陷。

关键词：SE事件；超大型溶解有机碳库；成岩作用；新元古代

引言

过去几十年内，碳同位素地层学已作为全球地层对比的重要手段之一。前寒武纪，特别是新元古代化石的极度贫乏，导致生物地层学的缺失，进而导致这一时期碳同位素地层学被广泛的用于区域甚至全球地层划分和对比（Halverson et al.， 2005）。此外，碳与生命的新陈代谢密切相关。自养生物的代谢作用将无机碳转变为有机碳，而异养生物的代谢作用又将有机碳转变为无机碳。需要指出的是，光合自养生物易繁盛于氧化的沉积环境，而化能自养生物和异养生物则易繁盛于缺氧的沉积环境。因此，碳同位素也被用来示踪地质历史时期海洋化学的演化过程。

在新元古代化学地层学不断深入研究的过程中，一个非同寻常的碳同位素曲线首次报道于阿曼地区埃迪卡拉纪Shuram组（Burns and Matter， 1993）。这一碳同位素曲线已被命名为“Shuram曲线（SE）事件”。在等级次序上，1000 Myr（百万年）内碳同位素曲线及其量级的记录显示最负的碳同位素发现于新元古代地层（图1）。

目前为止，两种机制被用来解释SE事件：（1）SE事件记录的是原始的碳同位素信号，可能源于埃迪卡拉纪超大型溶解有机碳库的氧化（Rothman et al.， 2003； Fike et al.， 2006； McFadden et al.， 2008）；（2） SE事件记录的是遭受成岩作用的碳同位素信号（Derry， 2010）。在前人研究的基础上，本文将着重评述和分析SE事件的两种机制。

1. Shuram曲线（SE）事件

SE事件主要表现为以下6个特征：（1）极大的波动幅度，从+6‰到-12‰；（2）δ13Ccarb在地层上发育不对称，从+6‰迅速下降到-12‰，然后其缓慢恢复；（3）δ13Ccarb值在连续地层中波动较小，且非常稳定；（4）介于Marinoan冰期与埃迪卡拉型宏体化石之间；（5）很长的持续时间，记录了SE事件的数百米厚浅海沉积地层的年代地层学证据表明其持续时间至少超过5 Myr；（6）δ13Ccarb与有机碳同位素（δ13Corg）间的非耦合关系；（7）全球众多剖面上δ13Ccarb与δ18Ocarb间具有良好的相关性。

埃迪卡拉纪SE事件是上述碳同位素负漂移记录中量级最大的，最低可达-12‰，且其表现为在几百米厚的地层中同位素值普遍小于-6‰记录可能持续时间长达5 Myr（Burns and Matter， 1993），尽管在全球范围内有相当数量的剖面记录可能与SE事件相关联，但就碳同位素波动幅度和时间延续长度而言，至少存在四个地区可与Shuram组的碳同位素负漂移相比较（图2），包括阿曼地区（Fike et al.， 2006）、美国北部（Kaufman et al.， 2007）、中国华南（McFadden et al.， 2008）和澳大利亚南部（Calver et al， 2000）。

数据来自：阿曼地区Shuram组（Fike et al.， 2006）；澳大利亚南部Wonoka组（Calver， 2006）；中国华南Doushantuo组（McFadden et al.， 2008）；美国加利福尼亚Johnnie组（Verdel et al.， 2011）。

2. 原始信号

基于SE事件中δ13Ccarb与δ13Corg间的非耦合关系，Rothman et al.（2003）提出了一个新的有别于现代海洋的碳循环模式来解释新元古代时期碳循环过程。其认为新元古代晚期存在一个超大型溶解有机碳库，远远超过无机碳库的规模，且该溶解有机碳库的居留时间很长。此种背景下，轻馏分的溶解有机碳被氧化形成CO2将导致同时期无机碳组分（DIC）富集轻馏分，进而导致沉积物中记录偏轻的碳同位素。此外，由于超大型溶解有机碳库对海洋有机碳的缓冲作用，δ13Corg变化不大。这一机制随后被广泛的应用于新元古代晚期碳循环的解释（例如：Fike et al.， 2006； McFadden et al.， 2008）。

然而，近来，新元古代超大型溶解有机碳库理论不断的接受挑战。例如，海洋中超大型溶解碳库的存在必将导致全球地区δ13Corg的稳定性和均一性，但这一时期全球地区δ13Corg波动范围较大，存在明显的差异性（Calver et al.， 2000； Fike et al.， 2006； McFadden et al.， 2008）。

3. 成岩作用

基于阿曼、澳大利亚南部和中国华南地区δ13Ccarb与δ18Ocarb间具有良好的相关性（Fike et al.， 2006； Calver， 2000； McFadden et al.， 2008），SE事件被认为是受到成岩作用的影响（Derry， 2010）。然而，上述δ13Ccarb与δ18Ocarb间具有良好的相关性可由其他因素所导致包括温度控制的微生物呼吸过程（Stanley， 2010）和水体高温导致的较高温度的孔隙流体（Macdonald et al.， 2009）。此外，后期成岩作用引起的δ13Ccarb应该是局部的现象，而非全球特征。因此，δ13Ccarb与δ18Ocarb间耦合性可能不是由后期成岩作用导致的，而取决于温度和/或海水或孔隙水体组分的变化。endprint

4. 结论

两种重要机制被用来解释新元古代晚期SE事件。观点1：SE事件反映了这一时期海洋碳循环的异常波动，极有可能源于海洋中超大型溶解有机碳库的氧化。然而，此种机制难以解释SE事件中部分现象如全球有机碳同位素（δ13Corg）较大的差异性。观点2：SE事件不能反映原始的海洋碳循环过程，其遭受了成岩作用。这一机制得到该时期碳酸盐岩氧同位素（δ18Ocarb）与δ13Ccarb间线性关系的支持，但难以解释SE事件中部分特征如SE事件的全球性。因此，目前关于SE事件的两种机制均具有一定的合理性但也存在一定程度的缺陷。

参考文献

[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