近日，成都理工大学沉积与生物地球化学国际研究中心李超教授团队宋辉博士研究生在沉积学领域国际权威期刊Sedimentology 上发表了最新研究成果，题为《Nanoscale serrated framboidal pyrite documents pulsed bottom-water oxygenation in the early Cambrian anoxic ocean》（纳米级锯齿状草莓状黄铁矿记录寒武纪早期缺氧海洋底水脉冲氧化事件）。该研究通过高分辨率透射电镜，首次在鄂西宜昌下寒武统水井沱组页岩中，发现草莓状黄铁矿微晶边缘特殊的锯齿状结构，并结合矿物相鉴定与化石分布，为寒武纪早期古海洋的间歇性氧化提供了直接矿物学证据，为解读地球早期生命与环境协同演化提供了全新视角。
1. 研究背景
寒武纪早期是地球生命史上的一个关键时期，生命大爆发标志着这一时期具有生物生存及繁盛的条件。已有研究表明，在埃迪卡拉纪—寒武纪早期，虽然广泛分布的黑色页岩沉积和部分地球化学指标表明古海洋普遍缺氧，但可能受大陆架区域“硫化楔”收缩或幕式底水流活动等因素驱动，当时海洋发生了几次短暂、快速的氧化事件，这些氧化窗口被认为促进了复杂需氧生物的爆炸性辐射。然而，有报道指出下寒武统地层中保存完好的海绵骨针化石（需氧生物）与代表缺氧信号的氧化还原指标共存，反映了传统地球化学指标的时间分辨率可能不足以反映这种高频的氧化过程。
黄铁矿（FeS2）是古代沉积记录中广泛分布的硫化物，在还原环境中极为稳定性，但暴露于活性氧化剂时会发生快速氧化溶解。其中，草莓状黄铁矿是形成于同沉积—早成岩阶段的一种特殊形态黄铁矿，对古海洋短暂快速的氧化事件具有灵敏的形态学响应。基于此，李超教授研究团队联合德克萨斯大学奥斯汀分校张同伟教授团队等以鄂西宜昌地区流溪03钻井下寒武统水井沱组的页岩为研究对象（图1），利用扫描电镜（SEM）和透射电镜（TEM）对草莓状黄铁矿的微观形态和结构特征进行了系统表征，试图解开古海洋的间歇性氧化之谜。
图1 (A)鄂西宜昌地区地质简图（改自Liu et al., 2022; Zhang et al., 2022）；(B)早寒武世扬子板块古地理图（修改自Zhao et al., 2019; Algeo & Li, 2026）；(C) 流溪03钻井岩心地层柱（化石分布来自Zhang et al., 2022；水井沱组底部的SIMS U-Pb年龄（526.4±5.4 Ma）来自Okada et al., 2014）
2. 研究发现
团队通过高分辨球差透射电镜（AC-TEM），在原子—纳米尺度上，清晰观测到草莓状黄铁矿的纳米级到原子级氧化特征（图2）：在水井沱组底部毫米至厘米厚的薄层中，草莓状黄铁矿微晶呈现不规则锯齿边缘，部分边缘被包裹在约5nm厚的非晶质薄膜中，薄膜主要成分为铁、氧元素；矿物晶格条纹标定结果显示（图3），黄铁矿中出现了一些氧化副产物，主要包括白铁矿（FeS2）、硫酸亚铁（FeSO4）和硫酸铁水合物（FeSO4·nH2O），它们以氧化相的形式出现，表明了黄铁矿发生了局部氧化溶解过程。
图2 流溪03钻井下寒武统水井沱组代表性样品的锯齿状结构及STEM元素面扫
图3 流溪03钻井下寒武统水井沱组代表性样品的HRSTEM标定。(A) LX-145，深度298.87 m；(B) LX-114，深度256.63 m；(C) LX-111，深度252.31 m。Py：黄铁矿（FeS2）Mrc：白铁矿（FeS2）；ISH：水合硫酸铁（Fe(SO3)(H2O)3）
此外，本研究结合理论基础及文献报道，从草莓状黄铁矿形态学角度，完善了黄铁矿阶段性氧化理论，其并非是简单的线性过程，而是存在着阶段性氧化（图4）。第一阶段，随着氧化还原电位升高，黄铁矿表面发生氧化并形成非晶质钝化层，暂时降低了氧化速率；第二阶段，氧化还原电位进一步升高，钝化层被氧化，形成特征性的锯齿状结构。本研究首次为黄铁矿的阶段性氧化提供了直接显微图像证据，填补了该领域微观机制研究的空白。
图4 黄铁矿氧化过程的概念模型。(A)黄铁矿氧化的两个步骤；(B)锯齿状结构形成的微观模拟过程
3. 研究意义
团队通过镜下特征及热力学地史背景系统分析，排除了后期大气淋滤及热液对黄铁矿微晶锯齿状结构的影响。同时，这些微结构与保存的底栖生物化石的高度时空耦合表明（图5），草莓状黄铁矿的形态特征和晶体结构记录了同沉积—早期成岩阶段的氧化还原波动。更重要的是，这些锯齿状结构在极薄的地层中呈现出的不连续性及强度差异性是海底含氧量在相对较短的时间尺度（可能是千年或更高频率）高度动态波动的证据。在整体缺氧的寒武纪早期海洋中，这种高频率但低强度的氧化事件既阻止了黄铁矿的完全氧化，又为复杂的生命形式（如早期后生动物）在深水环境（如大陆斜坡）中生存提供了条件，同时快速的氧化还原振荡也极大提升了化石的保存潜力。该成果首次将纳米级矿物微结构与寒武纪古海洋高频氧化事件直接关联，创新了古海洋氧化还原条件的研究方法，为解读寒武纪生命大爆发的环境驱动机制提供了关键矿物学证据，对地球早期生命 — 环境协同演化研究具有重要科学意义。
图5 (A)草莓状黄铁矿锯齿化程度与化石分布的空间相关性及早寒武世海洋深水氧合波动概念模型；(B)扫描电镜下草莓状黄铁矿微晶锯齿状结构发育程度的微米尺度变化
宋辉博士研究生为论文第一作者，美国德克萨斯大学奥斯汀分校张同伟教授和李超教授为共同通讯作者。参与此项研究工作的有美国辛辛那提大学Thomas J. Algeo教授、西北大学邵德勇副教授、长庆油田公司孟康工程师及宜昌城发能源有限公司总经理助理张瑜博士。
论文信息：Hui Song, Tongwei Zhang*, Thomas J. Algeo, Kang Meng, Deyong Shao, Yu Zhang, Chao Li*. (2026) Nanoscale serrated framboidal pyrite documents pulsed bottom-water oxygenation in the early Cambrian anoxic ocean. Sedimentology. DOI: https://doi.org/10.1111/sed.70099
