海洋氧化还原状态是生物演化的决定性因素之一，海洋缺氧/硫化往往是导致生物大灭绝的直接原因和灭绝之后海洋生态系统复苏的限制因素。而透光带是海洋光合作用和生物生存的关键地带，因此古海洋透光带硫化现象（Photic zone euxinia，PZE，即有毒的H2S在透光带富集的现象）被认为是导致显生宙多次生物大灭绝的直接原因之一。现代海洋也由于全球变暖和人为污染等问题出现溶解氧下降、硫化水体扩张的现象，成为地球宜居性的一大威胁。因此，PZE的精确重建对于认识环境和生物的协同演化尤为重要。

       汞同位素是PZE的新兴指标。汞同位素对海洋透光层的光化学过程以及大气-海水界面的氧化还原过程非常敏感，因此对于指示海洋透光带的氧化还原状态具有独特的优势。天津大学地球系统科学学院郑旺教授在前期研究中发现中元古代海洋中，沉积于PZE条件下的黑色页岩的汞同位素出现显著的非质量分馏（MIF）负漂移和同步的质量分馏（MDF）正漂移，与PZE传统指标，生物分子标志物的变化一致，从而首次提出了汞同位素对PZE的指示作用，为汞同位素重建古海洋氧化还原状态的应用奠定了基础（Zheng et al., PNAS, 2018）。
近期，天大地科院同位素前沿科学中心与美国乔治梅森大学合作，利用汞同位素重建了晚泥盆纪的海洋透光带硫化事件，并评估了其对晚泥盆纪生物大灭绝的影响。晚泥盆纪生物大灭绝的机制是显生宙五大灭绝事件中的一个难题，现有的研究普遍认为与大型火山活动和海洋缺氧/硫化有关。本研究测定了北美Illinois盆地Chattanooga页岩的高分辨率汞含量及汞同位素（图1），得到了以下主要发现：

图1. 北美Illinois盆地晚泥盆纪Chattanooga页岩的高分辨率汞含量及汞同位素数据。 

       1）晚泥盆纪两次主要灭绝事件的界线（FFB和DCB）附近并未出现汞的异常富集现象，与此前基于北美和华南其它盆地的汞浓度研究结果一致，表明晚泥盆纪火山活动并未造成全球性的汞异常，其环境影响可能是区域性的。因此大型火山活动很可能不是晚泥盆纪生物大灭绝的主要诱因。

       2）更重要的是，FFB与DCB灭绝界线附近都出现了显著的汞同位素MIF负漂移（达到?0.24‰）和同步的MDF正漂移峰值，与中元古代PZE的汞同位素漂移方式非常一致，表明两次灭绝都伴随着海洋PZE。尤其是DCB前后出现了多次汞同位素漂移，其漂移幅度大于FFB，表明DCB前后发育了更为强烈和反复的PZE现象。

       3）FFB与DCB之间，汞同位素呈现出长期渐进的MIF和MDF的同步负漂移，与陆地植被的同位素特征一致。因此，汞同位素也为晚泥盆纪生物陆地植被的扩张提供了新的证据。陆地植被的扩张增强了地表风化和营养物质向海洋的输入，从而造成海洋的富营养化，这可能是引起DCB反复发育PZE的原因。

       上述基于汞同位素的发现揭示了晚泥盆纪主要环境变化事件（火山活动、陆地植被扩张、海洋透光带）之间的关系（图2），并为海洋透光带硫化对晚泥盆纪生物大灭绝的影响提供了新的证据，也进一步表明汞同位素在重建古环境演化方面具有巨大的应用潜力。

图2. 晚泥盆纪主要环境变化事件之间的关系以及相应的汞同位素变化。

       该研究近期发表在国际知名地学期刊《Earth and Planetary Science Letters》上，天津大学地科院郑旺教授为论文第一作者，陈玖斌教授和美国乔治梅森大学Geoffrey J. Gilleaudeau教授为共同通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金（41973009，41625012），美国国家科学基金（EAR 1760203）以及美国NASA博士后基金的联合资助。另有一项与本研究密切相关的研究也同步发表于《通讯-地球与环境》（Communications Earth & Environments）（详见下面“同步发表的相关研究”）。 
 

论文信息：
Zheng W. (郑旺), Gilleaudeau G. J.*, Algeo T. J., Zhao Y. (赵亚秋), Song Y. (宋宜), Zhang Y. (张元明), Sahoo S. K., Anbar A. D., Carmichael S. K., Xie S. (谢树成), Liu C.-Q. (刘丛强) and Chen J. (陈玖斌)* (2023) Mercury isotope evidence for recurrent photic-zone euxinia triggered by enhanced terrestrial nutrient inputs during the Late Devonian mass extinction. Earth Planet. Sci. Lett. 613, 118175.
 

文章链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0012821X23001887

来源丨天津大学地球系统科学学院

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