华南地区埃迪卡拉纪-寒武纪过渡期间，关于间歇性火山活动及其导致的碳封存作用的新限制条件

《Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology》：New tuff constraints on episodic volcanism and consequent carbon sequestration during the Ediacaran-Cambrian transition in South China

埃迪卡拉-寒武纪过渡期中国南方火山碎屑层地球化学与年代学研究显示，Bahuang（549.9±2.0 Ma）和Yacha（513.4±2.1 Ma）两剖面火山岩源岩具幔源和元古宙下地壳混合特征，Bahuang含更多古老 crustal 物质。火山岩氧 fugacity 较低，但对其碳沉积影响不显著。火山活动后黑页岩K?O、Al?O?、TFe?O?升高，TOC与Fe、K等营养元素正相关，表明火山输入促进古生产力提升和有机碳埋藏，为E-C过渡期碳汇触发机制提供证据。

　　

杨振|傅勇|张宗祥

贵州民族大学生态环境工程学院，中国贵阳550025

摘要

在南中国，埃迪卡拉纪-寒武纪（E-C）过渡期间，凝灰岩（或K-膨润土）得到了广泛发育。这些火山碎屑层通常夹杂在云南的白云岩和磷灰岩中，而在贵州和湖南则主要出现在硅质岩中。总体而言，它们通常被黑色页岩层所覆盖。为了研究火山活动对古环境的影响及其作为碳汇的潜在作用，我们对南中国两个连续深水沉积序列中的凝灰岩层进行了综合地球化学和地质年代学研究。样品采集自桐仁市八 Huang 地区的李乌查波组中部和三水市雅查地区李乌查波组顶部。分析工作包括全岩主量和微量元素分析、锆石U-Pb测年以及Lu-Hf同位素分析。研究结果显示，八 Huang 凝灰岩的锆石结晶年龄为549.9±2.0 Ma（MSWD =0.28），雅查凝灰岩的锆石结晶年龄为513.4±2.1 Ma（MSWD =0.07）。八 Huang 凝灰岩的锆石 εHf(t) 值主要为负值，范围从-5.17到2.77，而雅查凝灰岩的锆石 εHf(t) 值范围从-0.71到4.67。这表明八 Huang 和雅查凝灰岩的岩浆来源均来自地幔和年轻下地壳，其中八 Huang 凝灰岩含有更多的古老地壳物质。八 Huang 和雅查凝灰岩的岩浆氧逸度相对较低，雅查凝灰岩的氧逸度略高于八 Huang 凝灰岩。氧逸度对碳沉积的影响似乎不显著。火山活动之后，黑色页岩中的 K?O、Al?O? 和 Fe?O? 含量显著增加，而总有机碳（TOC）与这些元素呈正相关。这表明，E-C 过渡时期的火山活动促进了碳汇的增强。

引言

新元古代末期埃迪卡拉生物群的消失，以及早寒武纪骨骼动物的爆发性辐射（即“寒武纪大爆发”），引起了全球学者的广泛关注。人们普遍认为，E-C 过渡期间大气中氧气水平的持续增加和海洋氧化还原条件的动态变化在早期生命演化中起到了关键作用（Li 等人，2010；Li 等人，2017；Och 等人，2013；Wen 等人，2015；Zhu 等人，2019）。E-C 过渡期间大陆风化作用在较高大气氧气水平下的重要作用现已得到较为成熟的研究（Fu 等人，2021；Zhang 等人，2021）。然而，导致这种大气氧饱和的驱动因素仍不清楚。碳在生物演化和古海洋沉积环境变化中起着核心作用，其地球化学记录可能为探究大气氧饱和的潜在原因提供重要线索。最新研究表明，E-C 过渡时期的俯冲作用引发的陆弧火山活动增强了风化作用，促进了营养物质的输入和氧气的上升，从而推动了寒武纪大爆发（Wu 等人，2025a；Wu 等人，2025b）。火山活动会释放大量挥发性物质，如 CO?、SO? 和 H?O，因此通常被视为碳源。然而，最近的研究表明，火山活动也可以在地质历史上充当碳汇的触发因素，并与生物辐射、灭绝事件以及烃源岩的形成密切相关（Lee 等人，2018；Shao 等人，2024；Delmelle 等人，2025）。

火山活动在全球范围内广泛存在，例如在扬子地块（Zhu 等人，2009；Chen 等人，2015；Lan 等人，2017）、塔里木地块（Yang 等人，2021）、纳米比亚（Linnemann 等人，2019）和澳大利亚（Langsford 和 Jago，2023）等地。在寒武纪大爆发期间，陆弧火山活动发挥了双重作用，既充当了“营养泵”，又充当了“氧气引擎”，通过增强年轻岩石的风化作用（Wu 等人，2025a；Wu 等人，2025b）。南中国发生了强烈的火山灰沉积事件。这些事件不仅记录了冈瓦纳大陆聚合/分裂的构造过程，还可能通过火山营养物质输入推动了海洋环境的变化和早期生命的演化（Yang 等人，2022a；Yang 等人，2023；Zhang 等人，2025）。地层剖面显示，凝灰岩层通常标志着岩性地层边界，并被含有磷质结核的页岩所覆盖，而这种页岩又上方是黑色页岩。这种垂直序列表明沉积碳含量逐渐增加（Chen 等人，2015）。因此，确定火山活动是作为碳源还是碳汇的触发因素至关重要，因为这有助于理解其与生物演化、古海洋环境变化和主要矿化事件之间的关系。

从岩相古地理学的角度来看，从云南东部到贵州北部再到湖南西部，以及从贵州东部到湖南西部，沉积相依次包括内陆盆地、台地、斜坡和斜坡-盆地相（图1a）。显然，在内陆盆地和台地环境中（即浅水区域），火山记录（凝灰岩和K-膨润土）保存较差。这些地区存在地层间断和不连续性，例如云南的梅树村和贵州的松林，那里的埃迪卡拉纪和早寒武纪地层之间存在不整合接触。相比之下，斜坡和斜坡-盆地环境（即深水区域）显示出连续的地层序列，提供了更完整的古海洋沉积记录。这里的凝灰岩保存良好，具有明显的岩性边界，使其成为研究火山活动和古海洋沉积的理想地点，特别是探讨间歇性火山活动是否作为碳汇的触发因素。因此，选择了八 Huang 和雅查地区进行详细的野外工作、采样和后续实验室分析，包括全岩地球化学、锆石U-Pb测年和Lu-Hf同位素分析。此外，还分析了位于八 Huang 和雅查之间的中东地区。

地质背景

南中国地块是在新元古代罗迪尼亚超大陆聚合过程中形成的。它由西北部的扬子地块和东南部的卡西亚地块组成，两者之间以南华盆地（也称为江南盆地）为分隔（图1a；Wang 和 Li，2003；Charvet，2013）。罗迪尼亚超大陆大约在8.25亿年前开始分裂，随后南中国地块逐渐分离（Li 等人，2003；Wang 和 Li，2003）。它在很长一段时间内基本保持孤立状态（

样品采集与特征

进行了野外地质调查，并从八 Huang 地区（109°00′54″E，27°43′43″N，图1a，b）和雅查地区（钒矿床，108°38′56″E，26°58′37″N；图1a，c）采集了凝灰岩样品。在八 Huang 地区，李乌查波组与陡山沱组呈整合接触，厚度约为17米。该组主要由薄层暗色硅质岩组成，中部和上部夹杂有粘土质硅质岩。

结果

我们包含了凝灰岩的锆石U-Pb测年、Lu-Hf同位素分析、微量元素分析以及主量和微量元素数据。所有研究数据均列于表S1至S6中（补充信息）。

凝灰岩层的地质年代学约束

总体而言，八 Huang 和雅查凝灰岩中的锆石显示出明显的振荡分带现象，其Th/U比值均超过0.5。此外，八 Huang 和雅查凝灰岩中的锆石主要位于或接近图中定义的岩浆锆石范围（Sm/La）? 对 La 和 Ce/Ce* 对 (Sm/La)? 的图中（图8a，b）。这证实了它们的岩浆起源（Rowley 等人，1997；Hoskin 和 Schaltegger，2003）。结果表明，八 Huang 凝灰岩的锆石结晶年龄为549.9±2.0 Ma，雅查凝灰岩的锆石结晶年龄为513.4±2.1 Ma。

结论

南中国的间歇性火山活动显著增强了古海洋初级生产力，并通过释放关键营养物质（Fe、P、K）促进了区域碳封存。这一机制通过凝灰岩层与黑色页岩中总有机碳（TOC）变化之间的时空耦合、TOC与K?O、Al?O?和Fe?O?的正相关关系，以及生物辐射事件与火山阶段的同步性得到了证实。

CRediT作者贡献声明

杨振：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，数据管理，概念构思。傅勇：监督，资金获取，概念构思。张宗祥：资源协调，调查，数据管理。

未引用参考文献

Cook, 1992

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

我们衷心感谢编辑和审稿人对本文的审阅和改进所做出的宝贵贡献。同时，我们也非常感谢涂嘉润博士和杨宇博在实验室工作上的帮助。本项工作得到了国家自然科学基金（42272103）和贵州省战略性矿产成矿理论与勘探技术创新重点的支持。