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【前沿报道】PNAS:磁性矿物揭示中元古代湖泊氧化
2019-01-15 | 作者: | 【 】【打印】【关闭

  生物演化是一条长河,为了揭示演化历程及其环境驱动因素,研究人员一方面从沉积地层里努力搜寻古生物记录,另一方面奋力开发和应用可以示踪古环境的沉积学、地球化学指标,并重建二者的相互关系。目前,我们对地球表层氧化状态及生物演化有了框架性认识(图1(Lyons et al., 2014),认为生物演化进程受制于大气和海洋氧化历程。例如,古元古代末期至新元古代中期(约18-8亿年),真核生进化迟缓,可能受限于当时较低的大气氧气含量;至新元古代中后期(约8-5.4亿年),动物终于姗姗而来,可能得益于大气氧气含量的显著增加(图1)。然而,氧气含量与生物演化的确切关系,并非如此简单,充满争论。这些争论,一定程度上源于地球化学指标示踪环境的多解性或不确定性。 

1 地球大气氧气含量及生物演化概略图。其中18-8亿年期间,大气氧气含量较低,真核生物演化缓慢,被称为无聊的十亿年” (图自,修改自Lyons et al., 2014)     

  目前,示踪古环境的地球化学方法层出不穷,其中铁组分方法因其简洁、有效而得到广泛应用(Raiswell et al., 2018)。该方法基于缺氧环境相对易于富集高活性铁、硫化环境相对易于富集黄铁矿的原理,通过化学流程针对性提取沉积岩里不同Fe价态的矿物(如菱铁矿、铁白云石、针铁矿、赤铁矿、磁铁矿、黄铁矿等)含量,根据其相对比例及与总铁的比例关系,对氧化、缺氧铁化或硫化环境进行区分判别(图2)。然而,该方法的环境判别体系存在一个过渡区域,对相关环境识别模棱两可;同时该方法的判别阈值建立自海相沉积物,对于陆相沉积物的适用性并不明确。例如,北美中元古界Nonesuch组(约11亿年)陆相地层大量产出最早的非海相真核生物化石(Strother et al., 2011),支持“陆地氧化环境是真核生物演化辐射的摇篮”的观点,而铁组分研究却揭示该组沉积于缺氧环境(Cumming etal., 2013),对真核生物与氧化环境的关系提出了挑战。 

2 铁组分方法对氧化还原环境的判别体系(Raiswell et al., 2018    

  在此背景下,美国加州大学伯克利分校和斯坦福大学研究人员近期在PNAS发表,进一步深入探讨了中元古界Nonesuch组湖相地层的氧化还原环境属性及其对真核生物演化的启示(Slotznick et al., 2018)。首先,他们基于岩芯样品建立了铁组分地球化学剖面(图3),揭示部分层段沉积环境处于氧化至缺氧过渡区域,难以精确判定。然后,他们综合沉积学、磁性矿物学、元素地球化学及显微成像技术(图4),全面分析了样品里Fe的赋存矿物类型及其含量,发现自下至上分别为富黄铁矿-贫赤铁矿带、富磁铁矿-赤铁矿带、富赤铁矿带,分别响应了缺氧、贫氧-氧化、氧化环境(图3)。因此,他们对该组陆相沉积环境的氧化还原属性进行了精确约束,揭示11亿年前的Nonesuch古湖泊为一个浅层水体氧化、中层水体贫氧、深层水体缺氧的垂向结构。其中,浅层氧化水体为该组真核生物提供了宜居的环境,促进了其演化。 

3 Nonesuch组代表性钻井的磁性矿物学和铁组分地球化学剖面。自下而上,水体由深变浅,沉积环境由缺氧变氧化(Slotznick et al., 2018    

4 Nonesuch组各相带的典型背散射图像和矫顽力频谱,揭示不同的富铁矿物组合。相带1以黄铁矿和少量磁铁矿为特征,相带2以磁铁矿和赤铁矿为特征,相带3以赤铁矿为特征Slotznick et al., 2018 

  该研究一方面创新性地结合磁性矿物学和显微成像学等手段,对传统铁组分方法进行了优化与修正,具有重要的应用价值;另一方面进一步揭示了中元古代陆相氧化还原环境与真核生物演化的关系,具有重要的科学意义。     

    

  【参考文献】 

  1. Cumming V M, Poulton S W, Rooney A D, et al. Anoxia in the terrestrial environment during the Late Mesoproterozoic[J]. Geology, 2013, 41(5): 583-586. 

  2. Lyons, T W, Reinhard, C T, Planavsky, N J, 2014. The rise of oxygen in Earth's early ocean and atmosphere[J]. Nature, 506: 307-315. 

  3. Raiswell R, Hardisty D S, Lyons T W, et al. The iron paleoredox proxies: A guide to the pitfalls, problems and proper practice[J]. American Journal of Science, 2018, 318(5): 491-526. 

  4. Slotznick S P, Swanson-Hysell N L, Sperling E A. Oxygenated Mesoproterozoic lake revealed through magnetic mineralogy [J]. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2018, 115: 12938–12943. 

  5. Strother P K, Battison L, Brasier M D, et al. Earth’s earliest non-marine eukaryotes[J]. Nature, 2011, 473: 505-509. 

    

  (撰稿:张恭境,/油气室)

 
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