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高精度年代学研究解密埃迪卡拉纪地球生命演化的节奏
2021-11-23 | 编辑: | 【

  近日,由中国科学院南京地质古生物研究所朱茂炎研究员领导的中英美俄国际合作团队在埃迪卡拉纪高精度地质年代学研究中获得重要进展,为揭示地球这一关键转折期的演变提供了一个全新的时间框架。该成果于2021113日在线发表于《科学》(Science)杂志子刊《科学进展》(Science Advances),英国地质调查局杨传博士为第一和通讯作者,朱茂炎研究员和耶鲁大学Alan Rooney博士为共同通讯作者。 

  距今6.35-5.39亿年前的埃迪卡拉纪是介于以极端冰期为特征的成冰纪和以寒武纪大爆发为特征的寒武纪之间的地质年代。该时期地球的岩石圈、水圈、大气圈和生物圈均发生了剧烈变化,因而是地球宜居性演化的关键转折期。 

  埃迪卡拉纪时期,地球刚从全球几乎被冰雪覆盖的极端寒冷气候中苏醒过来,表层海洋以氧化的海水为主,表层海洋之下以缺氧的海水为主但伴随着周期性的氧化事件,大气的氧含量逐步升高。特别是海洋中的发生无机碳同位素剧烈波动,可能表明底层大洋发生间歇性氧化。这一系列环境事件可能导致了埃迪卡拉纪的宏体复杂生物的繁盛,特别是动物开始出现并发生分异,海洋生态系统由微生物占主导的席状生态系统向类似现代海洋生态系统转变。因此,揭示埃迪卡拉纪地球表层各系统演变与复杂生命崛起之间相互联系和机制,成为当今地球系统科学和宜居性研究的前沿课题。其中,高精度地质年代学是揭示地球表层各系统演变与复杂生命崛起之间相互联系的关键。 

  埃迪卡拉纪记录了一次地球历史上最大的海洋碳同位素负异常事件,国际上通常称为“Shuram”事件,在我国华南称为“DOUNCE”事件。“Shuram/DOUNCE”事件的年龄、持续时间和全球性问题是建立埃迪卡拉纪全球年代标准和解决埃迪卡拉纪生命与环境演化问题的关键。因而,有关“Shuram/DOUNCE”事件及其与宏体复杂生物起源演化之间成因联系等问题的研究成为目前地球科学领域中热点,围绕这些科学问题的争议非常激烈。 

  南埃迪卡拉纪陡山沱组(距今6.35-5.50亿年以前)不仅保存有丰富的化石记录,而且以碳酸盐岩和黑色页岩为主的岩石组合为开展地球化学研究提供了最佳的素材。2005年,麻省理工学院Dan Condon博士、Sam Bowring教授与朱茂炎研究员团队合作发表在《科学》(Science)期刊上的文章奠定了陡山沱组高精度地质年代学研究的基础,并首次将“Shuram/DOUNCE”事件的结束时间确定为5.51亿年前。随着研究的深入,陡山沱组上部碳酸盐岩碳同位素地层的区域复杂性逐渐被揭示出来(图1)。陡山沱组上部地层的区域对比,以及与之相关的陡山沱组上部地层中碳同位素负漂移事件的次数、“Shuram/DOUNCE”事件的层位及年龄,再次成为学界争论的焦点。 

  针对上述关键科学问题,研究团队对华南陡山沱组中部的黑色页岩和陡山沱组上覆的灯影组和留茶坡组中的火山灰夹层分别开展黑色页岩Re-Os和锆石CA-ID-TIMS U-Pb地质年代学研究。获得的年代学数据不仅为陡山沱组中的具刺疑源类、瓮安生物群、翁会生物群、庙河生物群及灯影组中的典型埃迪卡拉化石组合提供了年龄约束,而且确定了陡山沱组中碳同位素负漂移事件的时代,特别是将华南埃迪卡拉纪斜坡相的“Shuram/DOUNCE”事件结束的时间确定为早于5.56亿年前。 

  如果“Shuram/DOUNCE”事件具有全球等时性的话,那么华南埃迪卡拉纪台地相陡山沱组上部至少记录了两次碳同位素负漂移事件。年龄偏老的持续时间长的是“Shuram/DOUNCE”事件,年龄偏年轻的事件持续时间比较短,结束于5.50亿年前。上述结论得到了其他地区埃迪卡拉纪碳酸盐岩碳同位素和年代学数据的支持,比如加拿大、阿曼、巴西和纳米比亚(图2)。综合数据表明,“Shuram/DOUNCE”事件发生在5.75~5.65亿年之间,误差在5百万年左右(主要基于黑色页岩Re-Os年代学数据)。 

  这项工作的另一重要进展是,重新厘定了埃迪卡拉生物群(5.75-5.39亿年前)三个演化组合:阿瓦隆(Avalon)组合、白海(White Sea)组合和纳玛(Nama)组合之间的时间关系。已经发表的数据表明,阿瓦隆组合年龄为5.75-5.60亿年前,纳玛组合的年龄为5.50-5.39亿年前。为解决白海组合的年龄问题,研究团队通过与俄罗斯同行合作,对俄罗斯境内记录有白海组合的地层中的火山灰夹层开展高精度地质年代学研究,结果表明,白海组合开始的时间稍早于5.57亿年前,结束的时间略晚于5.53亿年前。埃迪卡拉生物群三个演化组合时间关系的厘定为认识它们之间的演化关系奠定了基础。 

  基于已经发表的和新的年代学数据,研究团队将埃迪卡拉纪的碳酸盐岩碳同位素数据和化石记录综合起来,建立了最新的埃迪卡拉纪综合年代学模型(图3)。该模型不仅为埃迪卡拉系的划分与对比奠定了基础,而且为探讨埃迪卡拉纪生物快速演化与同时期海洋碳酸盐岩碳同位素剧烈波动之间的成因联系提供了年代学依据。 

  该研究得到中科院先导专项B、中国国家自然科学基金委员会(NSFC)、英国环境研究理事会(NERC)、美国国家科学基金委员会(NSF)和俄罗斯科学基金(RSF)的资助。 

  论文信息:Yang, C.*, Rooney, A.D.*, Condon, D.J., Li, X.-H., Grazhdankin, D. V, Bowyer, F.T., Hu, C., Macdonald, F.A., and Zhu, M.*, 2021, The tempo of Ediacaran evolution. Science Advances, 7, eabi9643. 

1 华南埃迪卡拉纪地层

2 埃迪卡拉纪中晚期两次碳同位素负漂移事件的年代学约束

3 埃迪卡拉纪综合年代学模型


 
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