?大約5.4億至5.15億年前的寒武紀(jì)初期，地球生命發(fā)生了前所未有的快速演化，被稱為“寒武紀(jì)生命大爆發(fā)”。為何復(fù)雜的多門類動(dòng)物會(huì)在這一時(shí)期“突然”出現(xiàn)？學(xué)界普遍認(rèn)為，營養(yǎng)元素（如磷）的供應(yīng)和大氣氧氣水平的上升是兩個(gè)關(guān)鍵的環(huán)境條件。然而，什么樣的全球性構(gòu)造事件觸發(fā)了這些環(huán)境劇變一直是一個(gè)懸而未決的科學(xué)問題。雖然前人提出岡瓦納大陸聚合造山作用驅(qū)動(dòng)的風(fēng)化營養(yǎng)鹽輸入和海水化學(xué)變化是寒武紀(jì)生命大爆發(fā)的重要機(jī)制，但主要的陸陸碰撞造山期（600Ma之前）要遠(yuǎn)早于寒武紀(jì)生命大爆發(fā)的時(shí)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(huì)促使高效的深部二氧化碳脫氣和地幔物質(zhì)抬升暴露，進(jìn)而產(chǎn)生更強(qiáng)的風(fēng)化-營養(yǎng)鹽-海洋化學(xué)之間的反饋機(jī)制。鑒于該過程與寒武紀(jì)大爆發(fā)時(shí)間重疊，其極有可能是寒武紀(jì)生命大爆發(fā)的重要驅(qū)動(dòng)力，但目前仍缺乏關(guān)鍵的地球化學(xué)證據(jù)來建立二者之間的因果聯(lián)系。
?鑒于此，在廣州地化所彭平安院士指導(dǎo)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(dǎo)，合肥工業(yè)大學(xué)、德國邁因茨大學(xué)、美國邁阿密大學(xué)、荷蘭烏得勒支大學(xué)等國內(nèi)外多家研究機(jī)構(gòu)參與的聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)，提出了地球深淺聯(lián)動(dòng)驅(qū)動(dòng)的寒武紀(jì)生命大爆發(fā)新模式。
?研究團(tuán)隊(duì)選取了華南揚(yáng)子區(qū)塊兩個(gè)鉆井（ZK4803和ZK4411）中保存完好的碳酸鹽巖和黑色頁巖/硅質(zhì)巖樣品，綜合新獲取的鋰（Li）和鋨（Os）同位素和已發(fā)表的鍶（Sr）同位素?cái)?shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)在5.4億至5.25億年前海水的上述地球化學(xué)指標(biāo)出現(xiàn)了同步的顯著?“負(fù)漂移”?，即Os和Sr同位素比值變輕，同時(shí)Li同位素（δ?Li）值急劇降低（圖1）。Os-Sr同位素的負(fù)漂移指示了大量來自地幔的年輕非放射成因物質(zhì)被風(fēng)化并輸入海洋。Li同位素的負(fù)漂移則指示當(dāng)時(shí)正處于強(qiáng)烈的一致性風(fēng)化階段，巖石被快速溶解，侵蝕率極高。據(jù)此，研究團(tuán)隊(duì)推斷在這一時(shí)期發(fā)生了大陸弧火山驅(qū)動(dòng)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(fā)現(xiàn)并綜合前人成果，研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性提出了“構(gòu)造-風(fēng)化-生命”三階段演化模型，清晰地勾勒出了該時(shí)期從構(gòu)造活動(dòng)到生命爆發(fā)的關(guān)聯(lián)演化過程（圖2）：
（1）早期地殼增厚階段（約550–540 Ma）：俯沖作用導(dǎo)致大陸地殼增厚和氣候變暖，啟動(dòng)了強(qiáng)烈的風(fēng)化作用。
（2）關(guān)鍵營養(yǎng)（磷）輸入和增氧階段（約540–525 Ma）：大陸弧火山活動(dòng)進(jìn)入高峰，富含磷等營養(yǎng)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(jìn)了海洋生產(chǎn)力，隨之而來的有機(jī)碳埋藏則導(dǎo)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(fēng)化模式轉(zhuǎn)變?yōu)橐孕纬烧惩翞橹鞯牟灰恢嘛L(fēng)化。粘土礦物促進(jìn)有機(jī)質(zhì)高效埋藏，進(jìn)一步增進(jìn)了大氣氧積累，最終滿足了大型、具骨骼動(dòng)物演化的氧氣需求，直接催生了寒武紀(jì)生命大爆發(fā)。
這項(xiàng)研究不僅解答了“什么構(gòu)造過程驅(qū)動(dòng)了寒武紀(jì)環(huán)境變革”這一長期懸而未決的問題，也進(jìn)一步證明了地球深部活動(dòng)（俯沖與弧火山作用）、地表風(fēng)化過程、海水地球化學(xué)與生命演化的緊密聯(lián)系，為學(xué)界深入理解地球系統(tǒng)各圈層如何協(xié)同打造地球宜居性這一地球科學(xué)前沿研究提供了新的案例。目前，該研究已在線發(fā)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(jí)工程師指導(dǎo)了Re-Os同位素測試。該研究受國家自然科學(xué)基金和重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃聯(lián)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(gòu)造運(yùn)動(dòng)、磷塊巖分布、同位素地球化學(xué)記錄（δ13Ccarb-Os-Sr-Li）與生物多樣性模式關(guān)系圖。a：本研究及前人報(bào)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(dòng)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(quán)散點(diǎn)平滑法得到的最佳估計(jì)曲線，其95%置信區(qū)間以灰色區(qū)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(nèi)的門和綱級(jí)生物數(shù)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(qū)動(dòng)的風(fēng)化和海水化學(xué)演化三階段模型圖。a：約550–540 Ma：俯沖驅(qū)動(dòng)的加厚地殼發(fā)生一致風(fēng)化；b：約540–525 Ma：與巖漿弧相關(guān)的新鮮巖石侵蝕作用增強(qiáng)，促進(jìn)了生物必需營養(yǎng)元素（如磷、鈣）向全球海洋的快速輸送；c：約525–515 Ma：轉(zhuǎn)變?yōu)榇箨懙貧さ牟灰恢嘛L(fēng)化，伴隨次生粘土形成，以及由此產(chǎn)生的粘土-有機(jī)碳高效埋藏和氧氣積累。
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