?大約5.4億至5.15億年前的寒武紀初期，地球生命發生了前所未有的快速演化，被稱為“寒武紀生命大爆發”。為何復雜的多門類動物會在這一時期“突然”出現？學界普遍認為，營養元素（如磷）的供應和大氣氧氣水平的上升是兩個關鍵的環境條件。然而，什么樣的全球性構造事件觸發了這些環境劇變一直是一個懸而未決的科學問題。雖然前人提出岡瓦納大陸聚合造山作用驅動的風化營養鹽輸入和海水化學變化是寒武紀生命大爆發的重要機制，但主要的陸陸碰撞造山期（600Ma之前）要遠早于寒武紀生命大爆發的時間。值得注意的是，岡瓦納大陸邊緣活躍的俯沖作用和大陸弧火山會促使高效的深部二氧化碳脫氣和地幔物質抬升暴露，進而產生更強的風化-營養鹽-海洋化學之間的反饋機制。鑒于該過程與寒武紀大爆發時間重疊，其極有可能是寒武紀生命大爆發的重要驅動力，但目前仍缺乏關鍵的地球化學證據來建立二者之間的因果聯系。
?鑒于此，在廣州地化所彭平安院士指導下，由廣州地化所田輝研究員和地化所樊海峰研究員共同主導，合肥工業大學、德國邁因茨大學、美國邁阿密大學、荷蘭烏得勒支大學等國內外多家研究機構參與的聯合研究團隊，提出了地球深淺聯動驅動的寒武紀生命大爆發新模式。
?研究團隊選取了華南揚子區塊兩個鉆井（ZK4803和ZK4411）中保存完好的碳酸鹽巖和黑色頁巖/硅質巖樣品，綜合新獲取的鋰（Li）和鋨（Os）同位素和已發表的鍶（Sr）同位素數據，發現在5.4億至5.25億年前海水的上述地球化學指標出現了同步的顯著?“負漂移”?，即Os和Sr同位素比值變輕，同時Li同位素（δ?Li）值急劇降低（圖1）。Os-Sr同位素的負漂移指示了大量來自地幔的年輕非放射成因物質被風化并輸入海洋。Li同位素的負漂移則指示當時正處于強烈的一致性風化階段，巖石被快速溶解，侵蝕率極高。據此，研究團隊推斷在這一時期發生了大陸弧火山驅動的氣候變暖和新鮮火山巖石的快速侵蝕作用。
?基于上述新發現并綜合前人成果，研究團隊創新性提出了“構造-風化-生命”三階段演化模型，清晰地勾勒出了該時期從構造活動到生命爆發的關聯演化過程（圖2）：
（1）早期地殼增厚階段（約550–540 Ma）：俯沖作用導致大陸地殼增厚和氣候變暖，啟動了強烈的風化作用。
（2）關鍵營養（磷）輸入和增氧階段（約540–525 Ma）：大陸弧火山活動進入高峰，富含磷等營養元素的新鮮火山巖被快速侵蝕，向海洋輸送了前所未有的磷，極大促進了海洋生產力，隨之而來的有機碳埋藏則導致大氣氧含量上升。
（3）氧氣鞏固與生命輻射階段（約525–515 Ma）：風化模式轉變為以形成粘土為主的不一致風化。粘土礦物促進有機質高效埋藏，進一步增進了大氣氧積累，最終滿足了大型、具骨骼動物演化的氧氣需求，直接催生了寒武紀生命大爆發。
這項研究不僅解答了“什么構造過程驅動了寒武紀環境變革”這一長期懸而未決的問題，也進一步證明了地球深部活動（俯沖與弧火山作用）、地表風化過程、海水地球化學與生命演化的緊密聯系，為學界深入理解地球系統各圈層如何協同打造地球宜居性這一地球科學前沿研究提供了新的案例。目前，該研究已在線發表在國際知名期刊Nature?Communications，論文第一作者為廣州地化所伍耀文博士，廣州地化所田輝研究員和地化所樊海峰研究員為論文通訊作者，廣州地化所李杰正高級工程師指導了Re-Os同位素測試。該研究受國家自然科學基金和重點研發計劃聯合資助。
論文信息：
Yaowen Wu,?Hui Tian*,?Haifeng Fan*, Philip A. E. Pogge von Strandmann, Wei Zhao, Jie Li, He Sun, Haiou Gu, Chaojin Lu, Xianyi Liu, Tengfei Li, Sui Ji & Ping’an Peng, 2025. Enhanced erosion by continental arc volcanism as a driver of the Cambrian Explosion.?Nature Communications 16,?9204.?DOI: 10.1038/s41467-025-64253-w.
圖1?約560–510 Ma期間的構造運動、磷塊巖分布、同位素地球化學記錄（δ13Ccarb-Os-Sr-Li）與生物多樣性模式關系圖。a：本研究及前人報道的Os同位素記錄(Xu et al., 2011; Fu et al., 2016)；b：匯總的Sr同位素記錄(Derry et al., 1994; Brasier et al., 1996; Kaufman et al., 1996; Kaufman et al., 2007)；c：大陸弧長度、俯沖帶長度(Mills et al, 2017)、LIPs (Ernst et al., 2021) 以及弧巖漿活動記錄(Zhu et al., 2012; Brown et al., 2020; Oriolo et al., 2021)；d：鉆孔ZK4803碳酸鹽巖樣品的Li同位素記錄。紫色線顯示使用局部加權散點平滑法得到的最佳估計曲線，其95%置信區間以灰色區域表示；e:?全球尺度磷塊巖礦床估算的P2O5噸位(Cook and Shergold,1984) 以及海水Ca2+濃度演化(Horita e al., 2002;?Brennan et al., 2004)；f?：全球范圍內的門和綱級生物數量(Erwin et al., 2011)；g：碳酸鹽δ13Ccarb記錄(Zhu et al., 2006)。
圖2?俯沖和弧火山驅動的風化和海水化學演化三階段模型圖。a：約550–540 Ma：俯沖驅動的加厚地殼發生一致風化；b：約540–525 Ma：與巖漿弧相關的新鮮巖石侵蝕作用增強，促進了生物必需營養元素（如磷、鈣）向全球海洋的快速輸送；c：約525–515 Ma：轉變為大陸地殼的不一致風化，伴隨次生粘土形成，以及由此產生的粘土-有機碳高效埋藏和氧氣積累。
?
?
主要參考文獻：
Brennan, S. T., Lowenstein, T. K. & Horita, J. Seawater chemistry and the advent of biocalcification. Geology 32, 473 (2004).
Brasier, M. D., Shields, G., Kuleshov, V. N. & Zhegallo, E. A. Integrated chemo- and biostratigraphic calibration of early animal evolution: Neoproterozoic–early Cambrian of southwest Mongolia.Geol. Mag. 133, 445–485 (1996).
Brown, D. A., Hand, M., Morrissey, L. J. & Goodge, J. W. Cambrian eclogite-facies metamorphism in the central Transantarctic Mountains, East Antarctica: Extending the record of early Palaeozoic highpressure metamorphism along the eastern Gondwanan margin. Lithos 366, 105571 (2020).
Cook, P. J. & Shergold, J. H. Phosphorus, phosphorites and skeletal evolution at the Precambrian-Cambrian boundary. Nature 308, 231–236 (1984).
Derry, L. A. et al. Sr and C isotopes in Lower Cambrian carbonates from the Siberian craton: A paleoenvironmental record during the‘Cambrian explosion’. Earth Planet. Sci. Lett. 128, 671–681 (1994).
Ernst, R. E. et al. Large igneous province record through time and implications for secular environmental changes and geological time-scale boundaries. In: Large Igneous Provinces: A Driver of Global Environmental and Biotic Changes 1–26 (2021).
Erwin, D. H. et al. The Cambrian conundrum: early divergence and later ecological success in the early history of animals. Science 334, 1091–1097 (2011).
Fu, Y. et al. New Re-Os isotopic constrains on the formation of the metalliferous deposits of the Lower Cambrian Niutitang formation. J. Earth Sci. 27, 271–281 (2016).
Horita, J., Zimmermann, H. & Holland, H. D. Chemical evolution of seawater during the Phanerozoic: Implications from the record of marine evaporites. Geochim. Cosmochim. Acta 66, 3733–3756 (2002).
Kaufman, A. J. et al. Integrated chronostratigraphy of Proterozoic–Cambrian boundary beds in the western Anabar region, northern Siberia. Geol. Mag. 133, 509–533 (1996).
Mills, B. J. W., Scotese, C. R., Walding, N. G., Shields, G. A. & Lenton, T. M. Elevated CO2 degassing rates prevented the return of Snowball Earth during the Phanerozoic. Nat. Commun. 8, 1110 (2017).
Oriolo, S. et al. Early Paleozoic accretionary orogens along the Western Gondwana margin. Geosci. Front. 12, 109–130 (2021).
Wotte, T. et al. C-, O- and Sr-isotope stratigraphy across the Lower–Middle Cambrian transition of the Cantabrian Zone (Spain) and the Montagne Noire (France), West Gondwana. Pa. laeogeogr. Palaeoclimatol. Palaeoecol. 256, 47–70 (2007).
Xu, L. et al. Re-Os age of polymetallic Ni-Mo-PGE-Au mineralization in Early Cambrian black shales of South China—a reassessment. Econ. Geol. 106, 511–522 (2011).
Zhu, D.-C. et al. Cambrian bimodal volcanism in the Lhasa Terrane, southern Tibet: Record of an early Paleozoic Andean-type magmatic arc in the Australian proto-Tethyan margin. Chem. Geol. 328, 290–308 (2012).
Zhu, M.-Y., Babcock, L. E. & Peng, S.-C. Advances in Cambrian stratigraphy and paleontology: Integrating correlation techniques, paleobiology, taphonomy and paleoenvironmental reconstruction. Palaeoworld 15, 217–222 (2006).
附件下載：