地球表层的生物地球化学硫循环，通过硫酸盐还原、再氧化、歧化等过程与碳、氧、铁等元素循环紧密耦合，共同调控地表氧化还原状态，对环境气候演化具有重要影响。微生物硫酸盐还原作用是硫循环的核心过程，伴随着显著的硫同位素分馏(最大可达约–70‰)，使得沉积黄铁矿的硫同位素组成(d³⁴S_py)成为重建古海洋化学和地表环境演变的有力工具，被广泛应用于探究地史时期氧气含量、硫循环和生命与环境协同演化的关键过程。

约4.45–4.43亿年前的晚奥陶世赫南特阶，是地球历史中的一个特殊时期，经历了环境气候、生态系统以及地表元素循环(如碳和硫)的剧烈变化：南半球冈瓦纳大陆冰川扩张、气候变冷、海平面下降、约85%的海洋生物物种灭绝，以及全球性的d³⁴S_py正偏移(~20–65‰)……为评估和预测地球生物多样性及环境气候的未来趋势提供了关键历史参照和良好素材。然而，这一系列重大地质事件的驱动机制及相互间的因果联系仍缺乏统一认识。例如，传统观点认为，赫南特阶d³⁴S_py正偏是海洋缺氧加强、黄铁矿埋藏通量增加的结果，进而将海洋缺氧与生物灭绝直接联系起来，但这一解释缺乏全球硫埋藏通量数据的支撑，也与同时期碳酸盐结合态硫酸盐硫同位素(d³⁴S_CAS)始终保持稳定(~25‰)存在根本矛盾。

针对上述科学问题，我们在前期工作的基础上，对全球13条晚奥陶剖面进行了高精度生物地层约束下的多指标地球化学数据集成分析，涵盖d³⁴S_py，D³³S_py，d³⁴S_CAS，TS，TOC及铁组分等，建立了从晚凯迪到赫南特阶的高分辨率硫循环演变框架。研究还结合沉积速率和黄铁矿埋藏通量的定量重建，以及多硫同位素(d³⁴S_py-D³³S_py)数值模型，系统评估了环境气候变化与硫循环扰动的联系机制及其对生物灭绝原因的指示意义。

研究结果挑战了传统认知。首先，全球数据显示，从赫南特早期到中期，黄铁矿埋藏通量呈持续下降趋势，而非增加，并与冰川扩张、d³⁴S_py正偏以及浅海氧化增强同步发生(图1)。这一特征与“海洋缺氧驱动黄铁矿埋藏增加”的假说相悖。其次，铁组分和铀同位素(d²³⁸U)等多重氧化还原指标一致表明，赫南特冰期期间海洋趋于氧化加强，而非缺氧扩张(图1)。更重要的是，d³⁴S_py正偏与沉积速率显著正相关(图2)。结合多硫同位素(d³⁴S_py-D³³S_py)数值模型，该研究提出全新解释：赫南特d³⁴S_py正偏并非全球海洋缺氧加剧和黄铁矿埋藏增加所导致，而是全球气候变化驱动下局部沉积动力学过程重塑的结果。具体地，在冰期驱动的全球海平面下降和浅海氧化增强背景下，硫酸盐还原带下移至沉积物内部，同时陆源物质输入增加，沉积速率显著提升(~2–6倍)，导致沉积物孔隙水与上覆海水之间的硫酸盐交换受限，形成“封闭系统”。在此条件下，微生物硫酸盐还原作用在硫酸盐供应受限下触发显著的瑞利分馏效应，使得残余硫酸盐及其生成的黄铁矿逐渐富集重硫同位素(³⁴S)，最终造成d³⁴S_py正偏移。

图1. 晚奥陶世d³⁴S_py，d³⁴S_CAS，铁组分，TS，TOC与沉积速率(SR)、黄铁矿埋藏通量(SAR)、海洋氧化还原条件和海平面变化的关系。

本研究的科学意义主要在于：首次基于全球多剖面、多指标数据，系统证明了赫南特阶d³⁴S_py正偏移并非全球海洋缺氧或黄铁矿埋藏增加的产物，而是全球气候变化驱动下局部沉积速率升高和成岩系统封闭性增强的结果。这一发现颠覆了长期以来将d³⁴S_py变化直接归因于全球硫循环扰动的传统范式，深刻揭示了局部沉积动力学对硫同位素记录的控制作用，强调在利用沉积黄铁矿硫同位素重建古海洋环境时，须充分考虑和评估局部沉积过程(如沉积速率、孔隙水交换)的调控作用。该研究不仅为重新解读晚奥陶世环境气候-硫循环扰动-生命演化之间的联系机制提供了新视角，为利用d³⁴S_py准确重建古环境提供了关键的方法学框架，也显示了多硫同位素(d³⁴S_py-D³³S_py)在地球系统科学研究领域的独特优势。

图2. 晚奥陶d³⁴S_py与沉积速率(SR)的关系。

图3. 多硫同位素(d³⁴S_py-D³³S_py)数值模型结果。

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相关成果以“Reassessing sedimentary sulfur isotope records: Local glacial-sedimentary processes, not global anoxia, drove the Hirnantian d³⁴S_pyexcursion”为题发表于国际地学综合性权威期刊《Earth-Science Reviews》，胡东平校聘教授为论文独立作者。

论文网址：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0012825226001595