近期，成都理工大学沉积与生物地球化学国际研究中心的李超教授和英国伦敦大学学院地球科学系Fuencisla Cañadas博士在Communications Earth & Environment杂志上合作发表了题为“埃迪卡拉纪晚期上升洋流驱动的高有机生产力”文章，深度剖析了晚埃迪卡拉纪南华盆地海洋有机碳含量异常高的原因。
研究背景
在地球历史长河中，埃迪卡拉纪（Ediacaran，约635-541百万年前）是一个关键的时期，标志着早期动物生命的迅速多样化。然而，关于这一时期海洋环境的详细情况，尤其是其氧化还原条件（即氧气和其他氧化还原物质的分布）以及生物生产力的变化，仍存在诸多未解之谜。传统的观点认为埃迪卡拉纪的海洋是一个停滞的、分层氧化的环境，特别是在深海区域常处于缺氧状态，且磷（P）含量很低，这会严重制约古海洋初级生产力（PP）。然而，在某些特定的地质时期，如舒拉姆事件（Shuram Excursion）期间，海洋环境经历了显著的变化，这些变化可能对地球早起古海洋生产力产生了深远的影响。
总有机碳含量（TOC）是反映海洋生产力最常见的指标，中国南方的埃迪卡拉系陡山沱组四段黑色页岩TOC高达15%（重量百分比，wt%）。理论上，在低磷的埃迪卡拉纪缺氧海洋中难以实现如此高的生产力，那么陡山沱组四段黑色页岩高TOC是如何实现的？
古海洋初级生产力计算及模拟结果
研究者使用Knies et al.(2008)提出的沉积学方法对有机碳生产速率进行了恢复计算，在陡山沱组四段之前的地层中，初级生产力（PP）较低，约为10-100g cm−2yr−1，但在接近陡山沱组四段边界处急剧增加，达到峰值约1700g cm−2yr−1，这一数值是现代海洋平均水平的2.5倍以上（图1）。
图1. 不同沉积相带古生产力恢复结果
基于计算出的古海洋初级生产力特征，研究者使用挪威SINTEF公司的OF-Mod（Organic Facies Modelling）软件，通过基于多种氧化还原-营养盐供给模式的盆地尺度模拟，对初级生产力和沉积物总有机碳进行了时空定量重建（图2）。结果表明有机碳积累速率（OCAR）与总有机碳含量（TOC）高度相关，在缺氧环境下尤为显著。同时，通过模拟不同氧化还原环境条件，发现上升流区域的生产力增加促进了表层水体的氧化和下层水体的更加缺氧，在研究区域上表现出空间上相互关联但方向相反的氧化还原演化趋势（即“氧化-还原反耦合”）。
图2.不同氧化-还原条件与总有机碳含量耦合关系模拟结果。（a）展示了缺氧条件下，无上升洋流影响的陆棚-斜坡区域模拟结果。（b）展示在温和氧化条件下，无上升洋流影响的陆棚-斜坡区域模拟结果。在（a）和（b）中，左图显示了整个盆地的初级生产力（PP）和缺氧指数的分布特征，中部图件显示了基于初级生产力（PP）和氧化还原条件之间相互作用的模拟TOC值（TOC_S），右图显示了实测TOC值（TOC_mc）和模拟TOC值（TOC_S）值之间的相关性。
此外，利用古水深图、海平面曲线、古海岸线以及从古地理图中估算的砂质比例数据，通过数值模型重建了盆地范围的线性沉积速率和沉积过程，验证了上升流对高有机碳含量的影响。通过比较不同氧化还原环境-营养物供给条件下的模拟TOC值（TOC_S）与实测TOC值（TOC_mc），发现只有在温和氧化的陆棚-斜坡区域且同时发育上升洋流的条件下，模拟值与实测值才呈现强相关性（R²=0.80, p=0.001），尤其是在低斜坡区域（图3）。
图3.引入上升洋流过程后不同氧化-还原条件与总有机碳含量耦合关系模拟结果。（a）展示了缺氧条件下，受到上升洋流影响的陆棚-斜坡区域模拟结果。（b）展示在温和氧化条件下，受到上升洋流影响的陆棚-斜坡区域模拟结果。在（a）和（b）中，左图显示了整个盆地的初级生产力（PP）和缺氧指数的分布特征，中部图件显示了基于初级生产力（PP）和氧化还原条件之间相互作用的模拟TOC值（TOC_S），右图显示了实测TOC值（TOC_mc）和模拟TOC值（TOC_S）值之间的相关性。
科学意义及未来研究前景
研究通过定量重建晚埃迪卡拉纪的初级生产力和沉积物总有机碳含量，揭示了在磷含量有限的情况下，南华盆地陡山沱组上部却记录了高达15%的总有机碳含量的原因。通过模拟，研究发现温和氧化的陆棚-斜坡区域并发育上升洋流的情况下，模拟值与实测TOC值之间具有强相关性，表明这一机制对于解释该时期异常高的有机碳生产率和保存率至关重要。这一发现不仅解决了关于该时期古生产力与有机碳高含量之间矛盾的争论，而且还为理解地球历史上最大的碳同位素负偏移期间的海洋碳循环提供了重要见解和线索。
研究利用盆地尺度的模拟，基于不同的氧化还原-营养物场景，展示了初级生产力的表层与深水区缺氧加剧的同步发生。这种模型为南华盆地内矛盾的氧化还原记录提供了合理解释。研究提出了氧化还原趋势在表层海水与深部海水域中的相反发展，这可能是理解不同地球化学代用指标间矛盾氧化还原解释的关键，同时为早期动物生命在海洋中的早期辐射和多样性演化提供了重要的环境背景。
论文信息（*为通讯作者）：
Fuencisla Cañadas*, Dominic Papineau, Thomas J. Algeo, Chao Li*. 2024. Upwelling-driven high organic production in the late Ediacaran. Communications Earth & Environment, 5(1), 461, https://doi.org/10.1038/s43247-024-01632-z
