近日，本研究中心王海洋博士在国际地质学研究著名期刊《Precambrian Research》上发表题为“Redbed formation in the redox-stratified mid-Proterozoic ocean”的研究论文(李超教授为论文通讯作者，中心的程猛研究员和张子虎工程师为合作者)。

元古宙中期(~1.8-0.8 Ga)常被认为是一个大气氧含量相对较低、海洋广泛缺氧、生物演化停滞不前的稳定时期。然而，近来不断有证据显示该时期存在多次大气−海洋增氧事件，地层中发现有丰富的底栖多细胞藻类化石；同时，在该时期不同板块的沉积记录中发现有大量富集氧化铁的红色页岩、灰岩等(图1)。鉴于显生宙海相红层的形成常被认为代表了海洋一次缺氧事件之后的再氧化，元古宙中期海洋红层的形成可能代表了该时期缺氧海洋的氧化性增强。因而，弄清其成因对于理解前寒武纪海洋环境的氧化进程、形式、机制及它们在多细胞真核生物演化中所发挥的作用等具有重要意义。为此，该研究团队系统分析了位于我国华北板块南缘豫陕盆地崔庄组与北缘燕山盆地下马岭组红绿页岩的Fe组分和同位素组成，并结合主微量元素和有机碳含量，对元古宙海洋红层的沉积环境及成 因机制予以约束，并以此探讨了海洋红层对该时期大气−海洋氧化程度的启示。

图1 华北板块崔庄组和下马岭组的红绿页岩

结果发现, 1) Fe组分特征及能谱分析显示崔庄组与下马岭组的红层中含有丰富的氧化铁矿物；2) 主微量元素特征及Fe同位素组成指示这些富集的氧化铁与陆源输入无关，其可能为海底热液供给的二价铁离子被氧化而形成；同时，3) TOC含量和P/Al比值显示红层沉积时期海洋中磷酸盐含量极低，初级生产力水平低下。综合这些地球化学特征和对现代类似环境的观察，该研究认为崔庄组和下马岭组红绿页岩形成于古海洋的氧化还原跃变层附近，即深部缺氧铁化水体富集的二价铁离子进入浅部氧化水体被氧化，形成铁氧化物沉积于跃变层之下相对缺氧的水体中(图2)。氧化铁得以在缺氧环境中大量保存与低的生产力有关，即氧化铁沉降远大于被有机质的消耗。因而，红层的Fe同位素组成可能保留了二价Fe在水柱中氧化时的原始Fe同位素信号，据此模拟推算当时海水表层的溶解氧含量可能为~0.1 μM。该研究表明元古宙广泛分布的海洋红层为该时期低大气氧含量背景下海洋低生产力及缺氧分层的产物，主要受海平面波动等的控制，并非海洋动态的增氧记录。  

图2 元古宙中期红绿页岩沉积模式概念图

该研究得到国家自然科学基金委基金(No. 41821001, 41825019, 42103072, 42173001)、“111”引智计划(No. BP0820004)，以及中国博士后基金(2021M691495)的资助。

论文信息：

Title：Redbed formation in the redox-stratified mid-Proterozoic ocean

Authors: Haiyang Wang, Chao Li, Meng Cheng, Zihu Zhang, Thomas J. Algeo

Source: Precambrian Research

DOI: 10.1016/j.precamres.2022.106815

Link: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0301926822002595