一般来说，碳在地表的循环符合经典的稳态碳循环模型，即从地球内部喷发以及通过风化作用输送至地表系统的碳被有机碳和碳酸盐的埋藏所平衡，系统到达稳态平衡的时间约为十万年。由于光合作用的影响，有机质倾向于吸收轻的碳同位素，从而造成残余无机碳储库（形成碳酸盐）富集重的碳同位素。通常认为碳源的碳同位素（δ¹³C_in）约为-5‰，那么大约20%（f）的有机碳（δ¹³C_org≈-25‰）埋藏可以解释地表碳酸盐岩δ¹³C_carb≈0‰的特征（如下式）。然而在埃迪卡拉纪末期，全球多处碳酸盐岩剖面展示出极端的碳同位素负偏现象（常低至-12‰），并且该事件可持续几个百万年（567至574百万年前）。这显然不符合经典的稳态碳循环模型，因为即使不产生任何有机碳，无机碳汇（碳酸盐）的碳同位素（δ¹³C_carb）也不应长期低于碳源（δ¹³C_in）的值。另外，该特殊的碳酸盐岩碳同位素负偏事件被认为是和宏体动物的演化存在联系，被专门命名为“SE”或“DOUNCE”事件。

δ¹³C_in=δ¹³C_carb (1-f)+ δ¹³C_orgf （稳态碳循环表达式）

图 1三处研究剖面九龙湾（JLW）、松桃（ST）和凤滩（FT）沉积环境

解决SE事件的一个关键思路是寻找可以往无机碳汇输入富集轻碳同位素的碳储库，因而有机碳似乎是最佳的对象。Rothman在2003年依据所研究的地质样品中有机质碳同位素非常均一并且与碳酸盐碳同位素解耦的现象，提出在新元古代海洋中长期存在一巨型的溶解有机碳库DOC（含碳量约3.2×10¹⁹摩尔，约为现今水平的100倍）。DOC模型的本质是有机质和碳酸盐的不等时沉积，从而造成了地表碳循环的失稳。硫酸盐在硫酸盐还原细菌的协助下氧化DOC被认为可以解释“SE”事件（SO₄^2-+2CH₂O→H₂S+2HCO₃^-）。在开阔海洋中，汞倾向于和有机质或硫化物紧密络合，那么该巨型DOC库的氧化释放的汞被有机质和硫化物再捕获应当造成“SE”地层汞含量的异常。另外汞同位素具有示踪源区的作用，火山释放的汞（△¹⁹⁹Hg≈0）在地表由于光化学反应产生非质量依赖同位素分馏，造成海洋系统具有正的△¹⁹⁹Hg，而陆地系统具有负的△¹⁹⁹Hg（在前寒武可能接近0）。因此，以DOC氧化产生的“SE”地层可能随着碳同位素的负偏同步展示出△¹⁹⁹Hg的正偏。依据这些基本原理，我们对我国华南三处不同水深沉积的剖面的汞同位素进行了研究（图1），检验DOC模型是否成立。

图 2三处研究剖面Hg含量及Hg同位素变化特征

图 3三处剖面汞同位素指示的海-陆源汞混合及透光带硫化促进的Hg(0)捕获

根据深水区剖面“SE”地层之前Hg/TOC特征，我们估算出在“SE”事件发生前海洋DOC储库含汞量(6.7±5.8)×10¹⁵克，其在“SE”事件发生时期所释放的汞通量将为(1.1±0.9)×10⁹克/年。因此如果DOC存在的话就携带汞和释放汞这些方面来说，DOC可匹敌于大火成岩省（如Karoo-Ferrar大火成岩省，释放汞1.5×10¹⁴克，释放通量(0.5~3)×10⁹克/年）。然而，我们在“SE”碳酸盐为主的地层中基本未观察到显著的Hg含量和Hg/TOC异常，而“SE”页岩为主的地层虽然Hg含量较高，但Hg/TOC并未显示异常，并且△¹⁹⁹Hg在近海剖面显示出随碳同位素负偏也负偏的趋势，指示陆源输入的影响（图2、3）。值得注意的是我们在斜坡相碳酸盐岩为主的地层中发现有部分Hg含量的异常，但是其负的△¹⁹⁹Hg显然不指示DOC的贡献，结合这些异常值同步的△¹⁹⁹Hg降低和δ²⁰²Hg升高，我们认为这是透光带硫化促进的海水对大气零价Hg的捕获造成的（图2、3），并且我们认为这种硫化作用不利于海洋生物的生存。总之，我们的Hg含量和Hg同位素证据都与DOC氧化模型相悖。

图 4“SE”地层石英展示的高温且携带碳酸盐矿物包裹体特征

图 5“SE”地层高温石英展示的高氧同位素和大的硅同位素变化特征

实际上，除了光合作用产生有机碳所发生的碳同位素分馏外，高温条件下无机碳之间也可形成大的同位素分馏（CaCO₃-CO₂）。一些碳酸岩显示出沉积碳酸盐岩类似的微量元素特征，但是却具有非常负的碳同位素组成，被认为是沉积碳酸盐岩在高温下脱碳、后续熔融形成的。并且这些碳酸岩含有指示硅饱和的特殊石英和长石，以及与脱碳反应有关的超还原矿物碳硅石和金属合金等。近年来我们对“SE”地层的碎屑矿物和再循环碳酸岩中的特殊矿物进行了细致的对比研究，找到了指示再循环碳酸岩来源的特殊石英（高温成因，但具有高的氧同位素和大的硅同位素变化特征，并且包含碳酸盐矿物包裹体）（图4、5）及碳硅石证据。罗迪尼亚超大陆的裂解和冈瓦纳超大陆的聚合促进了碳酸盐的埋藏和俯冲，可能产生了大量的具有这类富集轻碳同位素的再循环碳酸岩，我们认为这些碳酸岩贡献入海洋饱和沉淀可以用来解释“SE”事件（图6）。

图 6“SE”时期汞和碳循环示意图

系列研究成果受国家自然科学基金委（41530211）、科技部国家重点研发计划项目（2019YFA078400）和地质过程与矿产资源国家重点实验室特别资助项目（MSFGPMR01）等资助陆续发表在国际地学期刊《Science Bulletin》、《Precambrian Research》和《Earth and Planetary Science Letters》上：

Liu Y*, Chen W, Foley SF, Shen Ya, Chen C, Li J, Ou X, He D, Feng Q, Lin J (2021) The largest negative carbon isotope excursions in Neoproterozoic carbonates caused by recycled carbonatite volcanic ash. Science Bulletin 66(18):1925-1931 doi:https://doi.org/10.1016/j.scib.2021.04.021

Xi P, Liu Y*, Chen J, Shen J (2024) Mercury isotope profiles against the massive dissolved organic carbon remineralization for the largest Ediacaran carbonate-carbon isotope excursion. Earth and Planetary Science Letters 642:118862 doi:https://doi.org/10.1016/j.epsl.2024.118862

Xi P, Liu Y*, Li J, Chen W, He D, Ou X, Wei W, Yang A (2023) A refined recycled carbonatite model for the δ13C negative anomaly in the upper Doushantuo Formation. Precambrian Research 389:107019 doi:https://doi.org/10.1016/j.precamres.2023.107019