寒武纪早期是地球生物演化与环境波动的关键时期。地球表层生物圈的群落结构从前寒武纪以微生物为主转变为寒武纪以真核宏体藻类和动物为主。此外,寒武纪早期还发生了一系列重要的生物事件,例如寒武纪幸运期至第二期以小壳动物群为代表的两侧对称动物和生物骨骼化的繁盛,寒武纪第三期以澄江动物群为代表的高度复杂生态系统的出现、生物扰动的增强、动物躯体尺寸的增加、以节肢动物为主的复杂动物群从浅水向深水扩张等。真核生物特别是动物的生存和演化需要适宜的环境(如充足的海水溶氧量)来维持,而真核生物的出现及其生命活动又会导致周边甚至全球环境的改变(如大气-海洋氧含量的波动以及海洋硫酸盐含量的升高)。因此,探讨寒武纪早期海洋化学状态及其与海洋生物之间的相互作用过程对于深入理解这一关键时期生命与环境的协同演化过程显得极为重要。目前,国内外学者已开展了部分相关研究并取得了一些重要认识,但总体而言,这一时期海洋氧化还原状态及其与生物演化间关系的认识还缺乏系统深入的研究。我国华南地区下寒武统地层发育相对连续且保存完好,更为重要的是前人已开展了大量地层和古生物学工作,这为地层划分和对比提供重要的基础资料。本文从以下四个方面探讨了寒武纪早期海洋氧化还原状态及其与生物协同演化关系:(1)通过华南寒武纪早期古海洋化学空间结构的重建,探讨了海洋化学空间差异性与早期动物演化之间的整体协同演化关系(请见本文第三章);(2)通过对保存不同复杂程度的动物化石面貌层位开展地球化学分析,进而从特定化石案例的角度探讨了古海洋化学空间差异性对动物面貌及其生命活动差异的影响(请见本文第四章);(3)通过对底水和透光带硫化分布的调查,探讨了其对浮游和底栖动物演化的影响(请见本文第五章);(4)通过华南扬子地台深水剖面多元地球化学指标的研究,探讨了华南深部水体的氧化进程;又通过全球铁组分数据的统计学分析,探讨了全球海洋的氧化进程,最终,探讨了海洋氧化水体的扩张对动物演化的影响(请见本文第六章)。本文研究了华南下寒武统7条不同沉积相剖面铁组分化学、氧化还原敏感性元素、黄铁矿硫同位素(δ34Spy)和营养盐有关指标[如总有机碳(TOC)/过剩钡(Baxs)等],重建了华南海洋化学状态在时间和空间上的波动情况。进一步,本文将华南的研究成果与全球已有类似的研究成果进行对比,进而探讨海洋化学状态在全球范围内的波动情况。最终,华南甚至全球海洋化学的时空波动性与化石分布进行对比,探讨海洋化学与生命演化的相互作用过程。本文已取得的主要认识如下:1、华南下寒武统不同沉积相剖面铁组分和氧化还原敏感性元素数据表明,中等水深硫化水体与表层氧化水体和深部铁化水体动态共存。综合全球其它地区(如阿曼、加拿大和伊朗)已研究的氧化还原状态结果,发现寒武纪早期氧化还原状态在全球范围内存在高度的空间差异性,这与前人所认为的较低大气氧含量[~10-40%现今大气氧含量(PAL)]的观点相一致。2、华南重建的氧化还原状态表明,氧化水体逐渐从浅水相扩张至深水相,暗示海洋的逐步氧化过程和由浅及深的氧化模式。本文中新的铁组分数据与已发表的全球埃迪卡拉纪至寒武纪铁组分数据的集成的统计工作发现,寒武纪第二期至第四期确实存在氧化事件。本文还发现,浅水相未发现底水和透光带硫化,中等水深出现底水硫化但透光带未硫化,而深水相出现底水和透光带的硫化,表明硫化水体在空间上具有较大的空间差异性,这可能缘于上升流从深水相至浅水相逐渐减弱。3、华南不同沉积相剖面δ34Spy存在较大的空间差异性,δ34Spy平均值从浅水相的-12.0‰变化至深水相的+22.5‰,表明海洋硫酸盐硫同位素组成存在高度的空间差异性,进而表明寒武纪早期整体较低的海洋硫酸盐含量。这一结论与前人所认为的较低和高度差异的海洋硫酸盐含量的观点相吻合。4、华南不同沉积相剖面TOC与黄铁矿铁/高活性铁(FePy/FeHR)比值关系的调查发现,外陆棚王家坪地区两者之间具有良好的相关性(R2=0.66),而较深水相如外陆棚杨家坪、斜坡相松桃和龙鼻嘴地区则具有较弱的相关性(R2≤0.22)。此外,外陆棚王家坪地区δ34SPy值(-2.1±5.3‰)和TOC值(2.4±1.1%)均低于同一时期的外陆棚杨家坪(δ34SPy值为+8.3±4.7‰;TOC值为10.7±2.6%)、斜坡相松桃地区(δ34SPy值为+8.6±7.7‰;TOC值为8.3±4.0%)和盆地相龙鼻嘴地区(δ34SPy值为+21.0±6.8‰;TOC值为6.2±1.7%)。这些观察表明,王家坪地区硫化的发育取决于有机质的可得性,而较深水地区硫化的发育则取决于硫酸盐的可得性,这与硫同位素所反映的硫酸盐的空间差异性相吻合。5、重建的海洋化学条件与化石分布对比发现,寒武纪早期海洋的时空氧化进程正好对应着生物多样性的增加、以节肢动物为主的复杂动物群从浅水相扩张至深水相、以节肢动物为主的复杂动物群取代以小壳动物群或海绵为主的简单动物群等重大生物事件,表明海洋溶氧量确实对这一时期生命演化具有重要的促进作用。内陆棚众多底栖三叶虫和生物扰动现象出现于氧化的水体中,而外陆棚至盆地相缺氧甚至硫化水体中仅出现浮游三叶虫且匮乏生物扰动现象,表明海洋溶氧量对动物和生物扰动活动的空间分布同样发挥着重要的作用。此外,底栖三叶虫仅见于稳定且持续氧化的水体中,而底栖海绵能够保存于以贫氧为主的动荡环境中,这表明骨骼动物的出现可能需要更高的海水溶氧量。然而,当大型浮游动物和浮游捕食性动物出现时,深水仍旧是缺氧铁化的沉积环境,这与前人所认为的上述动物导致深部海洋氧化的观点不一致。此外,生物扰动增强时,虽然局部地区具有较高的硫酸盐含量,但海洋中硫酸盐库仍旧很低,这与前人认为的生物扰动增强导致海洋中具有较高的硫酸盐库的观点不吻合。综上所述,早期动物演化可能对海洋化学存在一定的影响,但影响有限。另外,我们还发现透光带没有硫化水体的环境中也没有观察到浮游真核生物,且锰氧化物还原带(含有至少10μM的水体溶氧量)中也未见到低等真核生物如海绵等,这些观察可能表明生物的演化还受其它因素(如生态因素)的影响。