近日，南京大学国际同位素效应研究中心与我中心合作开展的关于埃迪卡拉纪硫酸根叁氧同位素的研究在国际权威综合性期刊Nature Communications上发表，揭示了地球历史上最大的碳酸盐岩碳同位素组成的负偏——Shuram事件的原生海洋氧化成因，为地球表生系统环境演变和早期动物辐射之间的关联提供了关键线索。

距今6.35至5.39亿年前的埃迪卡拉纪，见证了地球历史上最大的一次碳酸盐碳同位素组成（δ¹³C_carb）的负偏，被称为Shuram（或DOUNCE、Wonoka）事件。该事件在全球不同板块上均有记录，且它的发生与地球早期动物的演化大致对应，因而一直备受学界关注。对于Shuram事件的成因，有学者认为它与全球海洋氧化程度升高导致大规模的有机碳氧化有关，代表了一次全球表生系统碳循环的巨大扰动，但也有学者指出其可能为成岩作用的结果，并非原生事件。

对于Shuram是否代表原生的海洋氧化事件，破解其成因的关键在于弄清氧化剂的来源。目前的研究表明，当时海洋中增加的氧化剂可能来自于大气氧、陆架地区光合作用产生的溶解氧、陆地黄铁矿或海洋硫化氢等氧化而形成的硫酸根、以及之前（如10-7.2亿年间的拉伸纪）沉积的石膏等蒸发岩的风化输入。

硫酸根的硫氧同位素组成能够对这些氧化剂的来源提供精确约束。大气中的氧气具有特征的非质量依赖的¹⁷O负异常，该信号形成于平流层光化学反应O₂-O₃-CO₂过程，是硫酸根中¹⁷O负异常的唯一来源（图1）。因此，如果Shuram事件代表了大气氧对海洋的氧化，由硫化物氧化而新形成的硫酸根应继承大气氧的¹⁷O负异常，且其δ³⁴S和δ¹⁸O均相对较低（产物硫酸根会继承硫化物的硫同位素组成，氧同位素则与周围水的氧同位素相近）。相反，之前非氧化事件沉积的蒸发岩通常不具有明显的¹⁷O负异常，而δ³⁴S和δ¹⁸O也相对较高。同样地，由局部光合作用氧气引发的硫化物氧化所产生的硫酸根也不具有¹⁷O的负异常。

图1： Shuram事件中¹⁷O负异常硫酸根的形成机制。大气中氧气的¹⁷O负异常源于平流层光化学反应O₂-O₃-CO₂过程，该信号会通过陆地黄铁矿风化或海水中硫化氢的有氧氧化进入到产物硫酸根中。

为了验证上述假设，研究团队对三个独立古大陆上的埃迪卡拉纪地层（华南陡山沱组、澳大利亚Wonoka组和塔里木水泉组）开展了详细的碳酸盐岩结合态硫酸根（CAS）硫氧同位素组成的研究（CAS能追踪古海洋中的硫酸盐信息）。令人振奋的是，三个地区Shuram期间的CAS均显示出明显的¹⁷O负异常，且¹⁷O信号与δ³⁴S、δ¹⁸O及δ¹³C_carb存在良好的正相关性，即随着δ¹³C_carb的负偏，δ³⁴S与δ¹⁸O也同步降低，而¹⁷O则出现显著的负异常（图2）。由于后期成岩过程很难将大气氧带入沉积物碳酸盐岩中，因此这一发现毋庸置疑为Shuram事件的原生成因提供了支持。通过进一步的定量分析和模型推演，研究团队提出，是大气氧在Shuram期间氧化了海洋中缺氧且富硫化氢和有机碳的深部水体，产生了大量具有¹⁷O负异常的硫酸盐，并最终导致了Shuram事件的发生（图1）。这项研究为大气氧参与形成地球历史上最大碳同位素负偏事件提供了最为直接的证据，证实了5.7亿年前全球海洋氧化事件的发生，同时也为地球表生系统环境氧化与早期动物辐射之间的关联建立了链接。

图2：三个古大陆上Shuram地层的C-S-O同位素组成。浅灰色阴影区域表示碳同位素组成最大负偏阶段（在此简单定义为δ¹³C_carb低于-6‰）。实线代表LOWESS（局部加权回归平滑）曲线。

尽管关于这次海洋氧化事件的一些细节还需更多的工作来探索，但这项研究为科学界提供了新的研究方向和深入探讨的基石，期待更多科学家在这一领域展开更深入的研究，为解开地球历史之谜贡献力量。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-39962-9。其中，我中心王海洋研究员为论文第一作者，程猛研究员为合作者，李超教授为共同通讯作者。