埃迪卡拉纪（约6.35-5.51亿年前）是地球生命演化与表层环境剧变的关键时期。华南陡山沱组作为该时期连续沉积的经典剖面，保存了丰富的沉积记录与早期生命化石，为揭示古海洋环境与地球早期生物地球化学循环提供了独特窗口。黄铁矿（FeS₂）作为沉积岩中常见的自生硫化物，其形貌、结构和硫同位素组成（δ³⁴S）是重建古海洋氧化还原状态与硫循环过程的重要指标。然而，黄铁矿在埋藏过程中常经历复杂的成岩改造，原始沉积信息与后期热液/变质叠加信号相互交织，制约了其环境指示意义的准确解读。
中国科学院地质与地球物理研究所李金华研究员团队与西北大学张兴亮教授等人合作，创新性地耦合高空间分辨率电子显微技术（扫描电镜SEM、聚焦离子束FIB、球差矫正扫描透射电镜Cs-STEM）与原位二次离子质谱（SIMS）硫同位素分析，对华南陡山沱组下部硅质结核及其围岩中的黄铁矿开展了系统性微纳尺度到原子水平的研究。通过精细解析黄铁矿的形态结构、矿物共生组合与原位硫同位素组成，团队首次在该层位中厘定了黄铁矿的多重成因机制，重塑了埃迪卡拉纪早期硫循环的关键过程，相关成果发表于国际学术期刊Chemical Geology。
一、黄铁矿形态多样性与微结构演化序列
研究团队基于扫描电镜系统观测，在陡山沱组II段下部的硅质结核及黑色页岩基质中识别出四类形态与产状显著不同的黄铁矿（图1）：
（1）结核内草莓状黄铁矿（类型1）：草莓体直径2.7~21.8 μm，由纳米级微晶（200~1790 nm）紧密堆积而成，赋存于致密硅脂基质中。
（2）围岩内草莓状黄铁矿（类型2）：形态与尺寸类似类型1，但赋存于多孔的页岩基质中。
（3）结核边缘自形黄铁矿（类型3）：晶体粗大（数百微米至毫米级），具典型成岩/热液特征（如振荡环带、溶蚀港湾），包裹于结核外围方解石边中。
（4）基质内树枝状黄铁矿集合体（类型4）：呈不规则树枝状或链状，与层状硅酸盐粘土矿物（如蛭石）紧密共生。
定量统计显示，后两类非草莓状黄铁矿（类型3与4）占比高达~73%，是样品中黄铁矿的主要组成部分。
图1 华南埃迪卡拉纪陡山沱组II段硅质结核中黄铁矿多样性及其同位素特征
二、纳米尺度共生矿物与蚀变响应
透射电镜与显微谱学分析进一步揭示了各类黄铁矿的微观差异与演化信息（图2，图3）：
（1）类型1：（结核内内草莓状黄铁矿）：微晶结构保存完好，晶间孔隙含碳质残留，指示其形成与有机质降解密切相关。
（2）类型2：（围岩内草莓状黄铁矿）：微晶边缘普遍发育磁黄铁矿（Fe₁₋ₓS）环边，并常见蛭石（层状硅酸盐）包覆。磁黄铁矿是黄铁矿在高温还原条件下的蚀变产物，为后期热流体活动提供了直接矿物学证据。
（3）类型3：（结核边缘自形黄铁矿）：晶体内部含有丰富的硅质、碳质微包裹体，记录了多期流体渗透与晶体生长历史。
（4）类型4：（围岩内树枝状黄铁矿）：黄铁矿微晶沿粘土矿物层间生长，显示其成核与粘土矿物提供的活性界面密切相关。
图2 类型1（结核内）和类型2（围岩内）草莓状黄铁矿的透射电镜特征
图3 类型3（自形大型晶体）和类型4（树枝状集合体）黄铁矿的透射电镜特征
三、原位硫同位素指纹与成因解耦
研究团队运用高空间分辨率SIMS技术，成功获取了不同类型黄铁矿的原位硫同位素数据（δ³⁴Spy）（图1）：
（1）草莓状黄铁矿（类型1和2）：δ³⁴Spy值显著负偏（-28.9‰ ~ -3.8‰），与同期海水硫酸盐（δ³⁴SCAS ≈ +31.8‰）存在巨大分馏（Δ³⁴S最高达~60‰），是典型微生物硫酸盐还原（MSR） 作用的特征。
（2）自形大型晶体（类型3）与树枝状集合体（类型4）：δ³⁴Spy值显著正偏（分别为+24.7‰ ~ +27.4‰ 和 +17.1‰ ~ +33.1‰），且类型3晶体内部高度均一。这种高正值、均一化的同位素特征，是指示热化学硫酸盐还原（TSR）作用的关键地球化学标志。
四、成因模型与对硫循环认识的修正
综合微结构与同位素证据，团队构建了陡山沱组黄铁矿的两阶段形成模型（图4）：
（1）早期成岩阶段（MSR主导）：在水柱或沉积物-水界面附近，硫酸盐还原菌利用有机物进行MSR，产生具轻硫同位素（32S富集）的H₂S，与活性铁结合形成草莓状黄铁矿。其负的δ34S值反映了MSR过程的巨大分馏效应，暗示当时海水硫酸盐库规模并不受限。
（2）晚期埋藏阶段（TSR主导）：随着沉积物深埋，温度升高（拉曼地温计指示可达270–410℃），在高温和有机质/烃类参与下，发生TSR反应。此过程分馏小，且硫酸盐来源可能为富34S的蒸发岩溶解或经水岩交换的热液硫，导致形成自形粗晶与树枝状集合体黄铁矿，并记录下正偏的δ34S值。
关键启示：以往研究将陡山沱组普遍存在的正δ³⁴Spy值简单归因于沉积时期海水硫酸盐匮乏。该研究表明，这些正信号主要由晚期TSR过程形成的高占比（~73%）非草莓状黄铁矿贡献，是强烈的成岩叠加信号，而非原始沉积环境的直接反映。因此，仅依靠全岩硫同位素数据可能会严重误导对古海洋硫酸盐库规模和氧化还原状态的判断。
图4 陡山沱组下部各类型黄铁矿形成的概念模型
五、总结与展望
研究通过“显微结构观察-原位同位素分析”联用技术，成功解耦了陡山沱组黄铁矿中交织的MSR与TSR成因信号，明确了埃迪卡拉纪早期硫循环经历了从沉积期微生物主导到埋藏期热化学过程主导的演化。成果强调，高分辨率的原位微区分析是厘清沉积记录中多期地质过程叠加、实现精准古环境重建的关键。未来，推广此类多尺度、多技术融合的研究方法，将有助于更清晰地揭示地球历史上生命演化与环境变迁之间复杂的协同作用机制。
研究成果发表于国际学术期刊CG（程师其，冯连君，唐国强，刘延，邱浩，李秋立，储雪蕾，张兴亮，李金华*. In-situ sulfur isotope and microscopic analyses reveal multiple pyrite genesis mechanisms in the early Ediacaran Doushantuo Formation, South China[J]. Chemical Geology, 2026, 702: 123226. DOI: 10.1016/j.chemgeo.2025.123226.）。研究得到了国家重点研发计划（2023YFF0803603）、国家自然科学基金（42225402, 42388101）及地球多圈层相互作用烃类富集理论项目（THEMSIE04010106）的资助。
程师其（博士生）
