埃迪卡拉紀高精度地質年代學研究取得進展

　　近日，中國科學院南京地質古生物研究所研究員朱茂炎帶領的中國、英國、美國、俄羅斯國際合作團隊，在埃迪卡拉紀高精度地質年代學研究中取得重要進展，為揭示地球這一關鍵轉折期的演變提供了全新的時間框架。相關研究成果在線發表在《科學進展》（Science Advances）上。

　　距今6.35-5.39億年前的埃迪卡拉紀是介于以極端冰期為特征的成冰紀和以寒武紀大爆發為特征的寒武紀之間的地質年代。該時期地球的巖石圈、水圈、大氣圈和生物圈均發生劇烈變化，是地球宜居性演化的關鍵轉折期。

　　埃迪卡拉紀時期，地球剛從全球幾乎被冰雪覆蓋的極端寒冷氣候中蘇醒，表層海洋以氧化的海水為主，表層海洋之下以缺氧的海水為主卻伴隨周期性的氧化事件，大氣的氧含量逐步升高。特別是海洋中的發生無機碳同位素劇烈波動，可能表明底層大洋發生間歇性氧化。這一系列環境事件或導致埃迪卡拉紀的宏體復雜生物的繁盛，尤其是動物開始出現并發生分異，海洋生態系統由微生物占主導的席狀生態系統向類似現代海洋生態系統轉變。因此，探索埃迪卡拉紀地球表層各系統演變與復雜生命崛起之間相互聯系和機制，成為當今地球系統科學和宜居性研究的前沿課題。其中，高精度地質年代學是揭示地球表層各系統演變與復雜生命崛起之間相互聯系的關鍵。

　　埃迪卡拉紀記錄了一次地球歷史上最大的海洋碳同位素負異常事件，國際上稱為“Shuram”事件，在我國華南稱為“DOUNCE”事件。“Shuram/DOUNCE”事件的年齡、持續時間與全球性問題，是建立埃迪卡拉紀全球年代標準和剖析埃迪卡拉紀生命與環境演化問題的關鍵。關于“Shuram/DOUNCE”事件及其與宏體復雜生物起源演化之間成因聯系等問題的研究，成為當前地球科學領域的熱點，而圍繞這些科學問題的爭議頗為激烈。

　　南埃迪卡拉紀陡山沱組（距今6.35-5.50億年以前）保存著豐富的化石記錄，以碳酸鹽巖和黑色頁巖為主的巖石組合為開展地球化學研究提供了最佳的素材。2005年，美國麻省理工學院科研人員與朱茂炎團隊合作發表在《科學》（Science）上的論文，奠定了陡山沱組高精度地質年代學研究的基礎，并首次將“Shuram/DOUNCE”事件的結束時間確定為5.51億年前。隨著研究的推進，陡山沱組上部碳酸鹽巖碳同位素地層的區域復雜性被逐漸揭示（圖1）。陡山沱組上部地層的區域對比，以及與之相關的陡山沱組上部地層中碳同位素負漂移事件的次數、“Shuram/DOUNCE”事件的層位及年齡，再次成為學界爭論的焦點。

　　針對上述關鍵的科學問題，科研團隊對華南陡山沱組中部的黑色頁巖和陡山沱組上覆的燈影組和留茶坡組中的火山灰夾層，分別開展黑色頁巖Re-Os和鋯石CA-ID-TIMS U-Pb地質年代學研究。研究獲得的年代學數據為陡山沱組中的具刺疑源類、甕安生物群、翁會生物群、廟河生物群及燈影組中的典型埃迪卡拉化石組合提供了年齡約束，并確定了陡山沱組中碳同位素負漂移事件的時代，特別是將華南埃迪卡拉紀斜坡相的“Shuram/DOUNCE”事件結束的時間確定為早于5.56億年前。

　　若“Shuram/DOUNCE”事件具有全球等時性，那么華南埃迪卡拉紀臺地相陡山沱組上部至少記錄了兩次碳同位素負漂移事件。年齡偏老的持續時間長的是“Shuram/DOUNCE”事件，年齡偏年輕的事件持續時間比較短，結束于5.50億年前。上述結論得到其他地區埃迪卡拉紀碳酸鹽巖碳同位素和年代學數據的支持，如加拿大、阿曼、巴西和納米比亞（圖2）。綜合數據表明，“Shuram/DOUNCE”事件發生在5.75~5.65億年之間，誤差在5百萬年左右（主要基于黑色頁巖Re-Os年代學數據）。

　　此外，該研究重新厘定了埃迪卡拉生物群（5.75-5.39億年前）三個演化組合【阿瓦隆（Avalon）組合、白海（White Sea）組合和納瑪（Nama）組合】之間的時間關系。已發表的數據表明，阿瓦隆組合年齡為5.75-5.60億年前，納瑪組合的年齡為5.50-5.39億年前。為解決白海組合的年齡問題，研究團隊與俄羅斯科學家合作，對俄羅斯境內記錄有白海組合的地層中的火山灰夾層開展高精度地質年代學研究，結果表明，白海組合開始的時間稍早于5.57億年前，結束的時間略晚于5.53億年前。埃迪卡拉生物群三個演化組合時間關系的厘定為闡釋它們之間的演化關系奠定了基礎。

　　基于已發表的和新的年代學數據，研究綜合埃迪卡拉紀的碳酸鹽巖碳同位素數據和化石記錄，建立了最新的埃迪卡拉紀綜合年代學模型（圖3）。該模型為埃迪卡拉系的劃分與對比奠定了基礎，并為探討埃迪卡拉紀生物快速演化與同時期海洋碳酸鹽巖碳同位素劇烈波動之間的成因聯系提供了年代學依據。

　　英國地質調查局、美國耶魯大學參與該工作。研究工作得到中科院戰略性先導科技專項（B類）、國家自然科學基金委員會、英國環境研究理事會、美國國家科學基金委員會和俄羅斯科學基金會的資助。

　　論文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abi9643

圖1.華南埃迪卡拉紀地層

圖2.埃迪卡拉紀中晚期兩次碳同位素負漂移事件的年代學約束

圖3.埃迪卡拉紀綜合年代學模型