標定埃迪卡拉生物和環境的共同演化

標定埃迪卡拉生物和環境的共同演化

編譯：儲雪蕾/中國科學院地質與地球物理研究所

埃迪卡拉紀（635至541Ma）時期出現了動物，見證了動態的海洋氧化還原環境、可能快速的板塊運動和對全球生物地球化學循環唯有的大擾動。這些擾動中最大的是Shuram碳同位素漂移（CIE），它被稱為埃迪卡拉紀環境變化的驅動力，可能與埃迪卡拉生物的創新或滅絕有關。ShuramCIE是地球歷史上最大的海相碳酸鹽巖的碳同位素負漂移，δ¹³C_carb急劇下降了~17‰至-12‰，然後才緩慢地恢復到背景值（圖1），是全球碳循環中一次最大擾動^1,2。有趣的是，地球上六大古陸不同沉積環境沉積的碳酸鹽巖都有ShuramCIE記錄，所以它是元古宙最神秘的地球化學事件之一。目前，圍繞這次事件有三大爭論：1)起始和持續的時間；2)成巖作用還是其它成因；和3)與海洋氧化還原變化、冰期，以及埃迪卡拉動物群是什麼（因果）關係？時間上誰先？誰後？

埃迪卡拉生物群是由阿瓦隆（Avalon）、白海（WhiteSea）和納瑪（Nama）3個最早的宏體化石組合構成，它們依次出現和滅絕。阿瓦隆化石組合幾乎完全是在斜坡和盆地的環境中保存，為大的分形生物（稱為葉狀體）和可能的海綿和刺胞動物。更年輕、更多樣化的白海組合包括更複雜和移動的類群，如狄更遜水母（Dickinsonia）和雙側對稱的Kimberella，主要出現在潮下至潮間的大陸架環境。埃迪卡拉紀晚期的納瑪組合是高度分化的，以早期兩側對稱的遺蹟化石、有節結的動物群和最早的生物礦化動物為主，都出現在淺海碳酸鹽巖和矽質碎屑巖沉積的環境中。由於埃迪卡拉紀地質年代細分的缺失，使得生物更替與重大構造或生物地球化學事件（如ShuramCIE）之間的關係不清楚²。

圖1. 加拿大西北部和阿曼埃迪卡拉系地層和同位素年齡. 前人發表U-Pb鋯石年齡採自火山灰層³和Re-Os年齡採自富有機質的沉積巖⁴。

為準確限定印度-亞洲大陸碰撞的時間、位置和動力學過程，在國家自然科學基金和中科院國際合作夥伴計劃項目的資助下，中國科學院地質與地球物理研究所博士研究生袁傑、鄧成龍研究員、朱日祥院士、郭正堂院士、賀懷宇研究員、李仕虎博士、沈中山博士研究生、秦華峰副研究員，以及首都師範大學楊振宇教授，荷蘭烏特勒支大學Wout Krijgsman教授，南京大學胡修棉教授、安慰博士，中國科學院青藏高原研究所丁林院士共同合作，對藏南特提斯喜馬拉雅地塊江孜地區的上白堊統床得組大洋紅層和薩嘎地區的古新統桑單林組深水紅色矽質頁巖（圖1）開展構造古地磁學、巖石磁學、磁性地層學和巖相學（圖2，圖3）等綜合研究，獲得了可靠的古地磁數據，揭示了特提斯喜馬拉雅地塊在白堊紀晚期-古近紀初期快速向北漂移的特徵，提出了「北印度海」（North India Sea）假說，並在此基礎上構建了兩階段的印度-亞洲大陸碰撞動力學新模型（圖4，圖5）。

圖1 研究區地質與地形。（a）青藏高原及其周邊地形圖；（b）印度與亞洲大陸碰撞帶地質簡圖，修改自Yin（2006）；（c）江孜地區地質簡圖，修改自Chen等（2006）；（d）薩嘎地區地質簡圖

阿曼Nafun群和加拿大Rackla群的地質概況

阿曼的埃迪卡拉系Nafun群在北部的Huqf沙漠和AlHajar山有出露，在南部的Salt盆地和Huqf-Haushi高地的多個鑽孔巖芯中出現。Nafun群沒有明顯的變質或變形，上覆的Ara群和Fara組的火山碎屑和火山灰的年齡限定Nafun群年代為埃迪卡拉紀。Nafun群的Khufai組以碳酸鹽巖為主，位於Marinoan冰期之後沉積的蓋帽碳酸鹽巖之上，年齡應小於635Ma。ShuramCIE記錄開始於Khufai組最上部，完全恢復出現在上覆的富碳酸鹽巖的Buah組。雖然不清楚Nafun群中埃迪卡拉生物群化石的情況，不過在Ara群的鑽孔巖芯中曾報導有Cloudina和Namacalathus³。

在加拿大的Yukon和NorthwestTerritori的Mackenzie、Wernecke和Ogilvie山區有Rackla群出露。在Wernecke和Mackenzie山區Rackla群覆蓋在大約635Ma的Marinoan冰期之後的蓋帽碳酸鹽巖之上，從Sheepbed組開始，基底的年齡為632.1±5.9Ma⁴。Sheepbed組又被碳酸鹽巖和矽質碎屑巖混合的Nadaleen組覆蓋，含有阿瓦隆組合化石，包括盤狀的Aspidella和Hiemolora化石、erniettomorphNamalia和各種rangeomorphs化石，其δ¹³C_carb值高到+9‰（圖1）。上覆的Gametrail組碳酸鹽巖中δ¹³C_carb值急劇下降至是-13‰，即ShuramCIE最低點。到靠近上覆Blueflower組的接觸部位恢復到0到+2‰。在Blueflower組中有各種遺蹟化石組合，rangeomorphs、管狀和盤狀，以及公認的狄更遜水母化石。接著是埃迪卡拉紀末期碳酸鹽巖為主的Algae和Risky組地層層序，它們分別被寒武系最底部的Narchilla組和Ingta組覆蓋，呈不整合接觸。這些地層中含有小殼和多種多樣的遺蹟化石組合。

Ogilvie山區埃迪卡拉系地層（Rackla群）未被正式命名，填圖稱PH3、PH4和PH5單元。PH3主要由黑色頁巖構成，它直接覆蓋在Marinoan冰期之後的蓋帽碳酸鹽巖上，屬於埃迪卡拉系層序。接著的PH4包括ShuramCIE，δ¹³C_carb值低到-9‰，到頂部含有結核的灰巖中 δ¹³C_carb值返回至0到+2‰。PH4與PH5之間接觸為角度不整合，由粉砂巖和砂巖構成的PH5根據遺蹟化石判定為早-中寒武世。

Re-Os地質年代學

在阿曼南部Salt盆地L井和M井取了Khufai和Buah組各一套富有機質的頁巖樣品，開展Re-Os同位素年代學測定。基底Khufai組的L井樣品在記錄了ShuramCIE之下的沉積層位獲得的Re-Os年齡為578.2±5.9Ma（2σ，n=7，MSWD=0.97），其初始¹⁸⁷Os/¹⁸⁸Os（即Osⁱ）值為1.15±0.05。M井的Buah組樣品記錄了ShuramCIE事件後並已經恢復到正的δ¹³C_carb值時的沉積年齡，為562.7±3.8Ma（2σ，n=7，MSWD=1.40），Osⁱ值為0.68±0.01（圖2B）。

圖2. 五個層位樣品的Re-Os等時線圖.(A) L井：阿曼Khufai組. (B) M井：Buah 組. (C) J1719：Yukon地區Wernecke山區Nadaleen組. (D) J1443：Yukon地區Wernecke山區Nadaleen組. (E) A1707：Yukon地區Ogilvie山區PH4.

為限定加拿大西北地區埃迪卡拉系層序中ShuramCIE的起止時間，從Rackla群的黑色鈣質泥巖地層取了3套樣品做Re-Os同位素定年（圖1和2）。Wernecke山區Nadaleen組上部的J1719和J1443樣品給出兩個Re-Os的沉積年齡分別為574.0±4.7Ma（2σ，n=8，MSWD=0.75）和575.0±5.1Ma（2σ，n=5，MSWD=1.20），它們的Osⁱ值分別為0.60±0.01和0.60±0.01（圖2C，D）。這兩套樣品都位於ShuramCIE記錄之下，限定了事件的起始年齡。在ShuramCIE之上的Ogilvie山區PH4中A1707樣品的Re-Os年齡為567.3±3.0Ma（2σ，n=6，MSWD=0.81），Osⁱ值為0.61±0.04（圖2E），限定事件結束的時間。

ShuramCIE事件開始、持續的時間和同時性

在阿曼，漂移開始在578.2±5.9Ma之後，在562.7±3.8Ma終止，時間跨度小於15.5±7.0Ma（圖3）。在加拿大西北部限制漂移持續的時間不超過6.7±5.6Ma，574.0±4.7Ma之後開始，而且在567.3±3.0Ma結束（圖3）。最近對紐芬蘭的Conception群含化石層序中寄主矽質碎屑的δ¹³C_carb數據與Shuram CIE變化對比，將事件的發生限制在574.17±0.66和562.5±1.1Ma之間^5-7，可以與阿曼和加拿大西北部對比，而且在紐芬蘭限定持續時間小於11.7±1.3（圖3）。重要的是，加拿大西北部和阿曼的Re-Os定年證明多個古大陸的Shuram CIE同時都發生在574.0±4.7Ma之後。新的時間框架表明Shuram CIE開始比Gaskiers冰期結束至少早5.2±4.8Ma⁵，如此Gaskiers冰期不可能是全球最大碳同位素漂移的直接驅動力（圖3）。

圖3. 年齡的概率分布.圖中藍色年齡數據為Re-Os年齡¹；其他均為鋯石U-Pb年齡^5-7。注意採用PizzaDisc火山灰的年齡作為埃迪卡拉生物群的最小年齡⁷；ShuramCIE頂盛年齡年齡見參考文獻6；其它說明見參考文獻1。

標定埃迪卡拉紀

最近，在紐芬蘭的ivesheadiomorphs和frondose化石首現之上大約25m處Drook組中火山灰層定年，限定埃迪卡拉生物群出現早於574.17±0.66Ma⁷。這與Nadaleen組的574.0±4.7Ma的Re-Os年齡¹一致，表明這些生物同時全球出現，而且很可能是在ShuramCIE之前（圖4）。這與不同大陸邊緣的深水斜坡環境孕育早期宏觀生命的假說⁸是一致的。

根據現在的年齡數據，阿瓦隆組合出現在Gaskiers冰期之後和ShuramCIE及它引起的海洋氧化之前（圖3和圖4）。因此，記錄了ShuramCIE結束的華南陡山沱組IV段的沉積應該放在大約565Ma，而不是550Ma。全球海洋的氧化也應在大約565Ma，而由陡山沱組III段最上部碳酸鹽巖δ²³⁸U和IV段黑色頁巖δ⁹⁸Mo的數據估算的全球海底硫化的比例（圖4）應該更早。新的年齡框架表明埃迪卡拉海的氧化明顯先於白海組合，而且與發生在大約550Ma白海組合的滅絕也是沒有聯繫的（圖4）。

圖4. 埃迪卡拉紀時期碳同位素變化、定年數據和化石組合圖.

*：U-PbTIMS鋯石定年；†：U-PbSHRIMP鋯石定年；‡ 表示Re-Os定年。年齡數據：深綠色—紐芬蘭；粗體的深藍色—阿曼；粗體的淺藍色—加拿大西北部。缺氧海底面積的百分比是由Mo和U同位素的質量平衡模擬得到。WS，即WhiteSea白海；Frt，即Fortunian幸運階.

多個古大陸和古緯度的海相地層中都有Shuram CIE記錄，而且在目前的定年誤差內是等時的。因此，它作為一次重要事件可能是地球歷史上最大的全球碳循環擾動之一。然而，同時開始與結束的Shuram CIE是很難與成巖作用的解釋協調一致，熱液或大氣降水的蝕變作用也不會產生相似時間跨度、地層厚度和巖相都互不相同卻類似的蝕變。將Shuram CIE與化石記錄的動物演化聯繫起來時，仍有一些重要的細微差別需要考慮，包括保存對化石外觀的控制，以及環境變化與生物響應之間允許的時間滯後這一長期存在的問題。表面上看，新的埃迪卡拉紀年齡框架可能與劇烈的環境變化脫鉤，但需強調一個穩固的年代框架非常重要，它將元古代末期環境變化與埃迪卡拉化石記錄聯繫起來了。

參考文獻

1. J. P. Grotzinger, et al., Enigmatic origin of the largest-known carbon isotopeexcursion in Earth’s history. Nat. Geosci. 4, 285–292 (2011).

2. S. J. Burns, et al., Carbon isotopic record of the latest Proterozoic from Oman.Eclogae Geol. Helv. 86, 595–607 (1993).

3. S. A. Bowring et al., Geochronologic constraints on the chronostratigraphicframework of the Neoproterozoic Huqf Supergroup, Sultanate of Oman. Am. J. Sci.307, 1097–1145 (2007).

4. A. D. Rooney, et al., A Cryogenian chronology: Two long-lasting synchronousNeoproterozoic glaciations. Geology 43, 459–462 (2015).

5. J. P. Pu, et al., Dodging snowballs: Geochronology of the Gaskiers glaciationand the first appearance of the Ediacaran biota. Geology 44, 955–958 (2016).

6. D. E. Canfield, et al., Carbon isotopes in clastic rocks and the Neoproterozoiccarbon cycle. Am. J. Sci. 320, 97–124 (2020).

7. J. J. Matthews, et al., A chronostratigraphic framework for the rise of theEdiacaran macrobiota: New constraints from Mistaken Point Ecological Reserve,Newfoundland. Geol. Soc. Am. Bull. In press.

8. T. H. Boag, et al., Oxygen, temperature and the deep-marine stenothermal cradleof Ediacaran evolution. Proc. Biol. Sci. 285, 20181724 (2018).

校對：李玉鈐