早寒武纪黏土矿床的演化推动了海洋氧含量的脉动变化

《Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology》：Evolution of the Early Cambrian clay factory drove pulsed marine oxygenation

海洋镁同位素与黏土矿物研究揭示早寒武世有机碳高效埋藏机制及其对海洋氧化状态的影响。

　　

杨倩敏|傅勇|杨增润

贵州大学资源与环境工程学院，中国贵州贵阳550025

摘要

海洋氧化还原状态的变化主要由氧气生成与消耗之间的动态相互作用驱动，而这一过程受到海洋有机物埋藏效率的强烈调控。然而，海洋有机物生成和埋藏效率对海洋环境变化的响应及其对海洋氧化还原状态的潜在反馈机制仍存在争议。本研究提供了来自扬子地块早寒武世牛蹄塘组黑色页岩的高分辨率镁同位素（δ²⁶Mg）和元素数据集，这些数据表明通过逆向风化作用形成了大量的自生粘土矿物。这一过程可能与早寒武世硅质生物的进化辐射有关。利用全球生物地球化学模型，研究表明，通过逆向风化作用形成的大量自生粘土显著提高了有机物的埋藏效率，从而促进了早寒武世海洋中氧气的积累。

引言

普遍认为，在早寒武世，大气和海洋经历了间歇性和逐步的氧化过程，这为寒武纪大爆发期间后生动物生命的快速辐射提供了前提条件（Wang等人，2012；Jin等人，2016；He等人，2019；Li等人，2026）。大量研究揭示了该时期海水的时空异质性化学结构和氧化还原条件（Li等人，2015；Li等人，2017；Li等人，2020），其特征是持续存在的缺氧（厌氧和硫化）区域与表层海洋的逐步氧化共存（Schr?der和Grotzinger，2007；Li等人，2020；Tosca等人，2010；Cheng等人，2020；Li等人，2026）。在陆地植物辐射和扩展之前，海洋沉积物中总有机碳（TOC）的有效埋藏可能是数百万年时间尺度上大气氧气增加的主要机制（Berner，2001）。有机物的生成和埋藏的长期动态与生物进化、全球构造过程以及生物地球化学循环的变化紧密相关（Berner，2001；Wei等人，2019）。因此，海洋中营养物质可用性的增加以及新的初级生产者的出现可能增强了生物泵效应和有机物的埋藏，从而推动了海洋和大气中氧气水平的上升（Brocks等人，2017；Wei等人，2019；Zhao等人，2020b）。因此，控制海洋沉积物中有机物埋藏效率的因素在地球历史上的全球氧化还原模式形成中起着根本性作用（Lyons等人，2014；Wei等人，2024）。然而，早寒武世有效埋藏有机碳与海洋-大气系统动态氧化之间的定量耦合机制仍然知之甚少，并存在激烈争议。

海洋沉积物中有机物的埋藏效率受多种因素调控，包括沉积速率、海水化学成分和温度、有机颗粒的生化反应性以及矿物保护作用（Hedges和Keil，1995；Cai等人，2020；Babakhani等人，2025）。通过矿物保护作用，有机物与矿物基质相互作用——要么吸附在矿物表面，要么免受微生物活动引起的氧化分解。在这些过程中，粘土矿物在现代海洋沉积物中的有机物埋藏中起着重要作用（Kennedy等人，2006b；Kennedy和Wagner，2011；Blattmann等人，2019；Wei等人，2025）。因此，海洋沉积物中的自生矿物组合与有机物埋藏之间的关系可能与地质时间尺度上的氧化循环和古海洋氧化还原条件密切相关。最近的研究表明，早寒武世海洋的特点是溶解硅和铁的浓度升高（Isson和Planavsky，2018；Ke等人，2025）。这一时期的广泛逆向风化作用导致自生粘土的积累速率远高于现代海洋（Isson和Planavsky，2018；Ke等人，2025）。这一过程可能改变了海洋的地球化学性质，从而提高了有机物的埋藏效率，并可能有助于大气中氧气水平的上升（Mackenzie和Kump，1995；Dunlea等人，2017；Isson和Planavsky，2018；Zheng等人，2024）。随后，在显生宙期间硅质生物（如海绵、放射虫和硅藻）的辐射导致海水中溶解硅浓度的下降，这显著减少了逆向风化的强度（Conley等人，2017；Krissansen-Totton和Catling，2020），进而影响了海洋有机碳的埋藏效率。然而，关于这种反馈的实证地球化学证据以及早寒武世自生粘土埋藏通量变化与海洋-大气系统氧化之间的联系仍然缺乏且结论不一。

位于贵州省北部的扬子地块内的启兴-1钻芯形成于早寒武世的斜坡-盆地过渡沉积环境。该钻芯中牛蹄塘组的独特矿物组合和保存完好的沉积序列为研究逆向风化对有机物有效埋藏的影响提供了极佳的材料。在这里，我们利用页岩中硅酸盐组分的镁（Mg）同位素组成以及K/Al元素比值，定量重建了早寒武世自生粘土和碎屑粘土的相对比例。通过将这些数据与六箱生物地球化学模型相结合，我们旨在明确揭示自生粘土矿物埋藏通量对有机物埋藏效率的影响，并最终阐明“粘土工厂”演化在海洋氧化还原动态中的关键调控作用。本研究旨在为早寒武世脉冲式海洋氧化的驱动机制提供新的见解，填补了我们对粘土矿物形成、有机碳埋藏和地球表面氧气循环之间耦合机制理解的关键空白。

研究区域位于贵州省北部（图1），处于扬子地台的西南边缘。在罗迪尼亚超级大陆解体和冈瓦纳超级大陆聚合的全球构造背景下（Li等人，2013；Yao等人，2014；Zhang等人，2015），扬子地块经历了强烈的伸展作用，导致地块倾斜和克拉通内裂谷盆地的形成（Liu等人，1995；Ding等人，2019）（图1a）。在晚埃迪卡拉纪至早寒武纪期间，扬子地块上发育了一个被动大陆边缘沉积系统，其特征是广泛分布且不同的沉积相带，包括以碳酸盐岩为主的平台相以及富含硅质和磷灰石的斜坡-盆地相（Liu等人，1995；Chen等人，2013）。贵州省北部的早寒武世牛蹄塘组及其周边地区继承了这些早期的古地理演化特征（Yeasmin等人，2017）。该地区经历了多阶段的差异性地壳运动，包括区域性沉降和间歇性的局部抬升与剥露，导致抬升区和沉降区之间的显著构造差异（Wang等人，2017；Zhao等人，2020a）。这种构造体制破坏了浅水碳酸盐生成与沉降速率之间的平衡。沉降平台区域的底部水体的封闭性增强促进了有机物的富集和埋藏。同时，有机物的广泛分解加剧了水柱中的氧气消耗，最终引发了区域性缺氧事件（Zhao等人，2024），这促进了牛蹄塘组黑色页岩的广泛沉积。

研究的Qixing-1钻孔岩芯（图1）位于贵州省毕节市的启兴区。从古地理学角度来看，该岩芯位于早寒武世中国南方扬子地区西南部的低坡-盆地环境中。远离陆源碎屑源，岩芯主要由层状硅质岩和细粒黑色页岩/泥岩组成，代表了低能量的深水斜坡-盆地相（Lin等人，2024）。黑色页岩的广泛发育表明沉积期间水柱分层明显且底部水体处于缺氧状态，而层状硅质岩主要形成于硅质生物（如放射虫和硅藻）繁盛的海洋环境中（Dong等人，2021；Gao等人，2021）。研究区域的层序依次为登英组、牛蹄塘组和明心寺组（图1c）。登英组由薄层硅质岩和重晶石矿层组成。上覆的牛蹄塘组主要由薄层硅质页岩、多金属页岩和黑色页岩构成。随后的明心寺组主要由浅灰色至灰色砂岩组成（Yeasmin等人，2017）。对牛蹄塘组底部凝灰岩的多次高精度测年结果显示其平均年龄约为5.21亿年（Lingang等人，2011；Shuaichao等人，2017）。

部分内容摘录

采样与制备

页岩样本取自Qixing-1钻芯中的牛蹄塘组。共收集了88个样本用于镁同位素、主要元素、微量元素和X射线衍射（XRD）分析。样本经过严格筛选，排除了任何晚期埋藏成岩作用或热液改造的迹象。样本用Milli-Q水（电导率：0.055 μS/cm；电阻率：18.2 MΩ cm）冲洗，风干后研磨成200目粉末。

建模概述与原理

为了评估寒武纪牛蹄塘组中镁同位素（δ²⁶Mg）的变化与海洋沉积粘土中逆向风化强度之间的关系，我们开发了一个随机质量平衡模型。计算和参数详情请参见支持材料S3。

岩石学特征

XRD和SEM分析揭示了Qixing-1钻芯样本的矿物组合。岩芯观察显示，牛蹄塘组主要由灰黑色页岩组成，具有明显的垂直岩性异质性，表明沉积环境存在周期性波动（图2）。XRD分析表明，该组样本主要含有石英、长石、粘土矿物以及少量的黄铁矿和方解石（表S1）。

早寒武世逆向风化的演化

风化作用导致母岩中较轻的Mg²⁺优先丢失，从而形成具有较重δ²⁶Mg特征的风化残余物，这种特征可以通过后续的深埋、潜在的流体改造和部分熔融过程得以保存（Teng等人，2016；Li等人，2021）。相比之下，逆向风化需要大量的碱性阳离子输入，同时伴随着有机物的降解和再矿化（Zheng等人，2024）。这些对比过程

结论

本研究提供了来自中国贵州省寒武纪牛蹄塘组深水黑色页岩硅酸盐组分的高精度镁同位素（δ²⁶Mg）、矿物学以及主要和微量元素数据。一致的高δ²⁶Mg值和K/Al比值表明，牛蹄塘组早期沉积的粘土主要是自生粘土，而高δ²⁶Mg值和K/Al比值的逐渐降低表明沉积的粘土

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傅勇报告获得了中国国家自然科学基金（编号42063009）的财政支持。傅勇报告获得了中国国家自然科学基金（编号41763006）的财政支持。傅勇报告还获得了贵州省科技创新领军人才工作站（战略矿产金属学与勘探技术方向，编号KXJZ[2004]016）的财政支持。