2024年7月，国际著名期刊Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology发表了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程猛研究员最新研究成果“Active methane release from the early Cambrian seafloor? Clues from Ba isotopes”。程猛研究员为论文第一作者，李超教授和中国科学技术大学黄方教授为通讯作者。参与此项研究工作的还有本中心陈欣阳和王海洋研究员、中国科学技术大学卫炜副研究员、中国科学院地质与地球物理研究所冯连君研究员、中国地质大学（武汉）佘振兵教授、贵州大学付勇教授和美国辛辛那提州立大学Thomas J. Algeo教授。

01  研究背景

寒武纪大爆发出现了现今绝大部分动物门类的祖先、建立了类似现代的生态系统，是地球历史上最为重要的生物演化事件。该事件的触发机制长期以来一直困扰着人们，近年来有大量研究认为环境因素在其中发挥了关键作用。然而，对寒武纪早期地球表生系统的环境重建工作还存在大量的空白，已有的单一参数的重建在回答寒武纪生命大爆发触发机制上显示出较大困难，对当时环境系统的多参数重建工作十分迫切。已有研究多认为寒武纪早期为温室气候背景，地球海洋表层温度显著较现代为高。然而，对该温室气候发育的机制还知之甚少。甲烷是重要的温室气体，探索甲烷在寒武纪早期温室气候中的作用是本研究的科学目标。对此，我们选取了华南下寒武系的两条沉积剖面开展了扫描电镜、能谱、Fe-S-C化学及Ba同位素研究。

02  研究发现

我们首先通过扫描电镜和能谱的工作回答研究样品的Ba是以什么方式存在的、是什么时候形成的。结果显示绝大部分Ba以重晶石和钡冰长石的形式存在。此外，重晶石晶粒大、呈现厚板状，结合少量矿物周围的软沉积变形，表明其主要形成于早期成岩过程中；尽管钡冰长石的形成机制研究还较少，其晶体与重晶石类似的特征，以及其与重晶石的伴生关系也表明其形成于早期成岩过程。

图1. 扫描电镜显示沉积物中Ba主要以重晶石和钡冰长石形式存在

对寒武纪系下部沉积中Ba的来源长期存在热液和海水两种不同的解释，我们用Ba同位素对Ba的来源进行了限制。研究样品的Ba同位素组成远较典型的热液成因重晶石偏重，不支持Ba的热液来源；同时，研究样品的Ba同位素也与现代海洋水柱中形成的海相重晶石Ba同位素组成存在显著差异，即使考虑到寒武纪早期的海洋可能具有富Ba和低生产力的特征，该特征也不支持重晶石形成于水柱中，这与扫描电镜观察所指示的形成于早期成岩孔隙水环境一致。

那么，华南寒武纪系下部大量出现的重晶石和钡冰长石又是怎么形成的呢？对于成岩重晶石的形成，基于对现代沉积物的研究已经形成了十分成熟的认识：在孔隙水中硫酸盐-甲烷转换带附近，下部富Ba的流体和上部富硫酸盐的流体相遇即可导致重晶石的过饱和沉淀。对于钡冰长石，由于其主要形成于两条研究剖面的深水剖面，同时硫同位素显示深水剖面的硫酸盐更低，结合钾长石的溶蚀现象，我们推测钡冰长石形成是海水高Ba、高K、低硫酸盐的结果。

图2. 寒武系下部富Ba矿物形成机制及对甲烷释放的指示

03  研究意义

含Ba矿物的形成与甲烷释放有什么关系呢？在现代孔隙水成分研究中，Ba和甲烷常常相伴富集，而硫酸盐的存在是甲烷从沉积物孔隙水进入水柱的天然屏障。该屏障导致现代海洋孔隙水中超过90%的甲烷难以逃离沉积物，因而也无法进入大气形成温室效应。我们的研究指示在深水区，海水具有贫硫酸盐特征，硫酸盐不足以消耗大量的Ba的释放，这暗示同样可能无法消耗甲烷的释放，从而使得甲烷大量逃逸进入大气，进而引发了寒武纪早期的温室气候。

论文信息：Meng Cheng, Wei Wei, Xinyang Chen, Haiyang Wang, Lianjun Feng, Zhenbing She, Yong Fu, Thomas J. Algeo, Fang Huang*, Chao Li*. 2024. Active methane release from the early Cambrian seafloor? Clues from Ba isotopes. Palaeogeogr. Palaeoclimatol. Palaeoecol. 653, 112399.

https://doi.org/10.1016/j.palaeo.2024.112399