综述：利用平台碳酸盐追踪全球海水δ13C变化的挑战：对埃迪卡拉纪晚期碳酸盐平台的综述与见解

《Earth-Science Reviews》：Challenges in using platform carbonates to trace global seawater δ13C variations: A review and insights from terminal Ediacaran carbonate platforms

δ13C分馏 成岩作用 碳循环 海水物化性质 平台碳酸盐|

　　

一丁|雅张|刘树根|周刚|文华国|陈代昭|严伟|兰彩军|何宇|邓超|李志武

中国成都理工大学油气水库地质与开发国家重点实验室，成都610059

摘要

由于局部因素和成岩作用的可能影响，平台碳酸盐作为全球海水δ¹³C档案的可靠性一直存在争议。本研究全面回顾了控制平台碳酸盐δ¹³C的因素，发现：（1）长期全球碳循环、短期气候-碳循环以及局部碳循环（包括季节性/昼夜变化）通过影响水的物理化学性质（如pH值和温度）共同决定了海水DIC的δ¹³C组成；（2）矿物学和降水条件（包括降水速率）在初次沉淀过程中控制了平台碳酸盐与海水DIC之间的δ¹³C分馏；（3）成岩作用（在风化、海洋和/或埋藏环境中）最终决定了平台碳酸盐的δ¹³C值。为了验证平台碳酸盐δ¹³C作为全球海水δ¹³C记录工具的可靠性，本研究汇总了来自全球约30个晚埃迪卡拉纪（约5.51-5.38亿年前）地层的3600多个δ¹³C–δ¹⁸O数据点（部分数据包含Mn/Sr比值）。地球化学筛选方法（如δ¹³C–δ¹⁸O相关性及δ¹⁸O、Mn/Sr比值的阈值）得出了不明确的结果，而对成岩序列及不同岩相中δ¹³C–δ¹⁸O变化的分析表明，成岩作用（尤其是埋藏作用）主要影响δ¹⁸O，对δ¹³C的影响有限。海平面波动与δ¹³C–δ¹⁸O变化之间缺乏相关性，排除了风化改造的明显影响。各地层（平台）之间δ¹³C的显著时空变化（体现在形状和绝对值上，如最大值、最小值和平均值）主要受局部因素控制。晚埃迪卡拉纪时期缺乏（岩性-）相控的δ¹³C变化以及重大地质事件，表明这些时空变化不能归因于矿物学、沉积环境或降水条件的变化。因此，局部碳循环过程（如有机质生成/分解、碳酸盐沉淀/溶解、水体限制、富含¹³C的DIC上升流）是导致不同地层/平台间δ¹³C差异的主要因素。尽管存在这种局部干扰，但晚埃迪卡拉纪碳酸盐序列总体上仍显示出正的δ¹³C值，其范围受到负偏差（下限为舒拉姆负偏差，上限为寒武纪基底偏差）的限制，这反映了由于高效生物泵作用和缺氧加剧导致的全球海水δ¹³C演变。这表明，如果能够严格评估成岩作用和局部影响，通过对多个同期碳酸盐平台进行δ¹³C剖面的综合分析，有望追踪全球海水δ¹³C（进而推断全球碳循环）的变化。

引言

海洋碳酸盐的稳定碳同位素（δ¹³C）已被广泛用于追踪海洋-大气系统δ¹³C的变化，并重建地球历史上的全球碳循环（Hayes等人，1999年；Berner，2003年；Rothman等人，2003年；Johnston等人，2012年；Dong等人，2021年）。与平台碳酸盐相比，远洋碳酸盐沉积在混合良好的开放海域，因此能更好地记录全球平均海水δ¹³C值。然而，前中生代的远洋碳酸盐很少保存下来，原因如下：（1）前侏罗纪海洋海底的普遍俯冲作用（Berner和Mackenzie，2011年；Merdith等人，2021年）；（2）中生代之前缺乏浮游碳酸盐生产者（Ridgwell和Zeebe，2005年；Berner和Mackenzie，2011年）。在这种情况下，平台碳酸盐成为理解全球碳循环的主要载体，尤其是在深时期内（Patterson等人，1994年；Pederson等人，2021年）。在受限的边缘海域和/或分层海域中，受局部因素强烈影响的溶解无机碳（DIC）的δ¹³C可能会显著偏离全球平均海水值（Patterson等人，1994年；Saltzman和Edwards，2017年；Mackensen和Schmiedl，2019年；Cui等人，2020年；Pederson等人，2021年）。在这种情况下，主要沉积在边缘海或大陆架海的碳酸盐通常表现出从近端到远端或从表面到深处的δ¹³C变化（Jiang等人，2007年；Saltzman和Edwards，2017年；Jones等人，2019年；Geyman和Maloof，2021年；Geyman等人，2022年），因此无法直接反映全球平均海水信号。

除了沉淀流体的同位素组成外，海洋碳酸盐的δ¹³C还受到矿物学和降水条件的显著影响（Romanek等人，1992年；Li等人，1996年；Ziveri等人，2003年；Kozdon等人，2009年；Swart，2015年；Chen等人，2018a，Chen等人，2018b）。此外，碳酸盐矿物通常不稳定，其地球化学组成容易受到成岩作用的影响（Tobin和Walker，1994年；Jacobsen和Kaufman，1999年；Swart，2015年；Ahm等人，2018年；Higgins等人，2018年；Smith等人，2022年）。因此，平台碳酸盐δ¹³C作为海洋地球化学示踪剂的适用性长期以来一直存在争议，地球历史上的许多δ¹³C变化可能被解释为成岩作用和/或局部环境变化的结果（Immenhauser等人，2003年；Swart，2008年；Swart和Kennedy，2012年；Jiang等人，2019年；Cui等人，2020年）。此外，最近的研究表明，现代巴哈马平台的δ¹³C可能受到岩性的显著控制（Geyman和Maloof，2021年；Geyman等人，2022年）以及光合作用和呼吸作用的昼夜周期（Geyman和Maloof，2019年）。然而，类似现象在古代碳酸盐系统中尚未得到广泛记录。在这种情况下，平台碳酸盐δ¹³C的意义仍有待讨论。

在晚埃迪卡拉纪（约5.51-5.38亿年前），碳酸盐平台在中国南方、阿曼、塔里木盆地、印度及许多其他大陆广泛发育（Jiang等人，2003年；Saylor等人，1995年；Pelechaty等人，1996年；Grotzinger和Al-Rawahi，2014年；Ding等人，2019b，Ding等人，2021年；Amorim等人，2020年；Wang等人，2022年；图1A）。总体而言，全球晚埃迪卡拉纪碳酸盐序列显示出正的δ¹³C值，且没有明显扰动，并且彼此之间具有良好相关性（Yang等人，2021年；Bowyer等人，2022年；Nelson等人，2022年；Nelson等人，2023年；图1B），这为验证平台碳酸盐δ¹³C作为海洋DIC同位素组成示踪剂的可靠性提供了极佳机会。本研究旨在总结和回顾控制平台碳酸盐δ¹³C的因素。考虑到通常使用δ¹⁸O来评估δ¹³C的可靠性（Kaufman和Knoll，1995年；Knoll等人，2006年；Jacobsen和Kaufman，1999年；Ding等人，2022年），本文也回顾了控制平台碳酸盐δ¹⁸O的因素。在此基础上，汇编了多个晚埃迪卡拉纪δ¹³C–δ¹⁸O剖面，以重建不同岩相、平台和大陆间的δ¹³C变化，从而了解哪些因素主导了深时期内平台碳酸盐的δ¹³C，并解释如何从平台碳酸盐记录中解读海洋DIC的δ¹³C变化。

材料与方法

从约30个地层或井中收集了3600多个δ¹³C–δ¹⁸O数据点（部分数据包含Mn/Sr比值），并将其纳入数据库（表S1），包括之前发表的数据和新获得的数据。先前研究和本研究中使用的分析方法具有可比性，因此分析程序或仪器不太可能对数据产生显著影响。δ¹³C和δ¹⁸O通常使用气体源同位素质谱仪进行测量，具体方法基于碳酸盐的反应

控制平台碳酸盐δ¹³C（和δ¹⁸O）的因素

平台碳酸盐的δ¹³C（和δ¹⁸O）值受多种因素控制，这些因素可归纳为碳（水）循环、水的物理化学性质、矿物学、降水条件和成岩作用（图2）：（1）碳循环和水循环分别通过影响水的物理化学性质来控制海水DIC的δ¹³C和δ¹⁸O值，从而为平台碳酸盐的同位素组成提供基准；（2）

晚埃迪卡拉纪碳酸盐δ¹³C和δ¹⁸O的时空变化

全球晚埃迪卡拉纪地层之间的δ¹³C变化具有良好相关性，尽管关于BACE（寒武纪基底负δ¹³C偏差）和E-C边界（补充信息）的定义和识别仍存在一些争议。为了避免这些不确定性，假设E-C边界附近的首个显著负δ¹³C偏差为BACE，之后分析其余的晚埃迪卡拉纪地层以揭示碳酸盐δ¹³C和δ¹⁸O的时空变化（图1

地球化学评估及其有效性

δ¹³C、δ¹⁸O和Mn/Sr比值之间缺乏相关性，结合应用阈值（例如δ¹⁸O >?10‰和Mn/Sr <10），被广泛用于筛选具有原始δ¹³C特征的海洋碳酸盐（Kaufman和Knoll，1995年；Pelechaty等人，1996年；Warren等人，2019年；Zhang等人，2020年；Yang等人，2024年）。此外，异常高（或低）的同位素值，特别是通过统计方法确定的值（例如IQR x 1.5和平均值±标准差）也常被用于筛选

结论

• （1）
  平台碳酸盐的δ¹³C特征受碳循环、水的物理化学性质、矿物学、降水条件和成岩作用的影响。首先，平台碳酸盐在沉淀过程中主要继承了海水的δ¹³C组成，而海水的δ¹³C组成又受碳循环和水的物理化学性质控制。根据它们对海洋-大气系统δ¹³C组成的影响在时空和机制上的差异，可以

未引用的参考文献

Jiang等人，2002年

Knoll等人，1995年

Mcinerney和Wing，2011年

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文研究的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金 [资助编号 42372140] 和 油气重大项目 [资助编号 2025ZD1400400] 的支持。作者感谢Xiqiang Zhou、Chuan Guo、Taiyu Huang、Gongjing Zhang、Hongwei Li、Linkang Wang、Mingsi Chen和Haowen Zou在野外和实验室工作中的协助。