在新元古代晚期至古生代早期，海洋氧化程度的显著提高，即所谓的“新元古代氧化事件”，被认为与早期多细胞动物的出现和演化密切相关。然而，近年来的地球化学指标和模型模拟结果显示，晚新元古代至早古生代的大气氧含量明显低于现代水平，海洋氧化还原呈现剧烈波动状态，总体氧化程度远低于现代海洋。因此，我们可以说，在低大气氧背景下发生了海洋氧化事件。在植物登陆之前，海洋中有机物的合成和埋藏过程是地表最主要的氧气来源，因此海洋生物碳泵的加强被认为是造成这一时期大气和海洋氧化的重要因素。然而，除了海洋生物碳泵外，还有其他因素可能在这一时期的氧化过程中发挥着重要作用，比如所谓的“矿物碳泵”，即矿物促进的有机碳埋藏（图1）。然而，这方面的作用尚不明确，需要进一步的研究来揭示其在古生代早期海洋氧化事件中的确切作用。
图1 矿物促进的有机碳埋藏增加大气氧含量示意图
现代表层海洋合成的有机碳在沉降过程中会发生明显的再矿化，最终只有极小比例的有机碳可以埋藏进入沉积物中。在此过程中，大量的溶解氧被消耗，导致海水的缺氧程度增加。研究表明，有机物在海洋中的埋藏效率与黏土矿物在大陆架地区的沉积通量直接相关。黏土矿物对有机质的吸附及物理保护可以有效地提高有机质在海底沉积物中的埋藏效率。因此，一些学者提出了陆架沉积物中黏土矿物含量的升高促进了新元古代末期海洋氧化事件的发生，但这一观点受到了后续研究的质疑。目前，关于新元古代末期到古生代早期海洋氧化还原变化与陆源黏土矿物输入之间的联系尚缺乏直接有效的证据。
南京大学地球科学与工程学院魏广祎副教授联合中科院地质与地球物理研究所赵明宇特聘研究员、陈代钊研究员、蔡春芳研究员和姜磊研究员以及其他国内外研究单位的科研人员，发展了海相沉积泥岩锂同位素体系(δ7Li)，用以示踪陆源黏土矿物在大陆架沉积物中的输入比例变化。结合全球沉积地球化学和古环境数据库(SGP)以及生物地球化学循环模型，探索了黏土矿物输入与低氧背景下海洋氧化还原状态之间的耦合关系。
在化学风化过程中，轻的Li同位素优先进入次生硅酸盐矿物中，因此各类黏土矿物记录了偏负的δ7Li信号。海相沉积泥岩全岩的δ7Li值可以有效反映不同来源硅酸盐矿物的相对比例。魏广祎副教授在成都理工大学李超教授、中科院南京地质古生物研究所周传明研究员、中国地质大学(武汉)沈俊研究员、美国耶鲁大学Noah Planavsky、Lidya Tarhan教授、波莫纳学院Robert Gaines教授、斯坦福大学Erik Sperling教授等国内外专家学者的合作支持下，系统收集和分析了新元古代末期到寒武纪中期全球各地区近600块海相页岩样品的Li同位素及K/Al比值（图2），用以限定这一时期大陆硅酸盐化学风化和陆源黏土形成的变化。结果显示，寒武纪早期之后的泥岩记录了明显变负的δ7Li和较低K/Al比值，指示大陆硅酸盐化学风化增强和陆源黏土在海相沉积物中的比例增加。作者进一步对SGP数据库中P、TOC、U含量数据进行汇总分析（图3），发现负的δ7Li信号时段海相沉积岩的P、TOC、U含量出现同步上升，表明大陆硅酸盐风化增强和黏土矿物输入增加与海洋P储库、有机碳埋藏量以及海洋总体氧化水平的上升紧密相关。通过全球生物地球化学循环模型对黏土矿物输入增加后大气和海洋氧含量变化进行模拟，结果显示在低大气氧条件下，陆源黏土输入通量增加可以导致大气和深海氧含量的显著增加（图4）。
图2 新元古代末期到寒武纪中期 (ca. 660-500 Ma) 海相沉积泥岩Li同位素和K/Al变化
图3 海相沉积泥岩Li同位素组成变化与同时期P,TOC,U含量的对应关系
图4 全球生物地球化学循环模型模拟陆源黏土输入通量对海洋有机碳埋藏效率、大气和深海氧含量的促进作用
主要参考文献
Wei G Y,Zhao M,Sperling E A,et al. Lithium isotopic constraints on the evolution of continental clay mineral factory and marine oxygenation in the earliest Paleozoic Era[J]. Science Advances, 2024,10(13): eadk2152.（原文链接）
（撰稿：赵明宇/新生代室）
