汞是一种有毒、易挥发、能够跨半球甚至全球传输的金属元素。地球史上，环境中的汞主要来自于火山喷发，因此近年来诸多研究利用沉积地层中的汞含量异常来示踪和判定大型火山活动与生物灭绝事件的关联。但是，利用汞含量单一指标并不能有效排除其它非火山源（如有机岩/生物质燃烧及外太空陨石）所释放的汞。此外，汞的生物地球化学循环也较为复杂，源-汇间并非简单的线性关系。近几年来，汞同位素的加入为指示汞异常地层中汞的来源与传输途径提供了一个全新的视角。由于奇数汞同位素的非质量分馏信号（MIF）主要受光化学过程的影响，诸多学者利用灭绝事件地层的MIF值来示踪汞的不同来源（火山源、非火山源）与不同传输途径（大气沉降、土壤侵蚀）。但是，当前的理论框架主要以现代环境不同端元的特征MIF值为参考，很少考虑古环境剧变所造成的端元MIF值的改变，也很少考虑海洋或者大气氧化还原状态的重组所造的MIF分馏的改变 (郑旺 等, 2023)。一个较为典型的例子是海洋透光带硫化（PZE）所造成的MIF，此过程会使得海水的MIF值显著降低。该现象首先在中元古代黑色页岩中发现 (Zheng et al., 2018)，近期又在晚泥盆纪生物大灭绝地层中发现 (Zheng et al., 2023)（具体解读请参考近期发表的EPSL论文：汞同位素揭示晚泥盆纪海洋透光带硫化及其对生物大灭绝的影响）。
针对灭绝事件地层中汞同位素研究所遇到的源区和过程多解性问题，天津大学同位素前沿科学中心与南京大学、法国科学院图卢兹地球环境研究所以及亚利桑那州立大学合作以显生宙最大的生物灭绝事件二叠纪末生物大灭绝（EPME）为例，通过建立动态、全耦合的全球汞同位素模型，定量模拟了火山活动、陆地输入以及PZE对不同环境下EPME沉积地层的汞富集和MIF的影响。EPME沉积地层全球范围内存在广泛的汞富集现象，并且许多海相地层还伴随有显著的MIF负偏。
研究取得如下几点发现和结论
1）大型陆地火山活动是地层中汞富集的主要原因，但其在全球范围内其并不能造成环境储库MIF值的显著改变，因而也不能解释全球海相沉积地层中较为一致MIF负偏。陆地输入通过向表层地球体系中加入具有负MIF的端元，能够一定程度上解释EPME地层在灭绝期间的MIF负偏，但难以解释诸如金钉子煤山剖面高达0.2‰的负偏。此外，无论是大型火山还是陆地输入都无法解释汞最大富集与MIF最大偏移之间长达4万年的时间差（图1）。
2）不同程度的PZE不但能很好地解释海相沉积地层在灭绝期间不同程度的MIF负偏，而且还能解释汞最大富集与MIF最大偏移之间的时间差。模型推测：EPME期间，PZE在大陆架以及外海（通过近海硫化楔的扩张以及深层硫化海水的上涌）广泛发育。这一推论得到了EPME期间海相地层中广泛存在的光合硫细菌生物标志物证据的支撑。
3）通过综合多同位素证据，研究认为大型火山喷发首先造成了全球汞含量的升高、温度上升以及陆地风化的加剧，继而增加了近海营养盐的输入、累积，最终触发了PZE的发育、扩张以及海洋MIF值的改变（图2）。
本模型为利用地球关键转折期沉积地层的汞含量和同位素值来理解火山活动、陆地侵蚀以及海洋氧化还原状态具有重要价值。天津大学地科院孙若愚教授为第一作者，郑旺教授为通讯作者。本研究得到国家重点研发计划以及自然科学基金等项目的支持。相关成果以“Mercury isotope evidence for marine photic zone euxinia across the end-Permian mass extinction”为题在《Nature》杂志社新推出的期刊Communications Earth & Environment上发表。该期刊致力于发表地球科学、环境科学领域具有重大意义的最新研究进展，为行业的发展带来新见解。同时，孙若愚和郑旺教授还为该文章进行了延伸性解读，具体请参考Nature Portfolio Earth and Environment Community的Behind the Paper专栏：A new mercury isotope model provides strong evidence for marine photic zone euxinia in the end-Permian mass extinction
论文信息：
Sun R.（孙若愚）, Liu Y. （刘羿）, Sonke J. E., Zhang F.（张飞飞）, Zhao Y.（赵亚秋）, Zhang Y.（张永根）, Chen J.（陈玖斌）, Liu C.-Q.（刘丛强）, Shen S.Z.（沈树忠）, Anbar A. D. and Zheng W.*（郑旺） (2023) Mercury isotope evidence for marine photic zone euxinia across the end-Permian mass extinction. Commun. Earth Environ. 4, 1–11.https://www.nature.com/articles/s43247-023-00821-6
参考文献：
郑旺, 周岸文, 孙若愚，陈玖斌* (2023) 沉积岩汞同位素的古环境指示意义. 科学通报 68, 628–643.
Zheng W.*, Gilleaudeau G. J., Kah L. C. and Anbar A. D. (2018) Mercury isotope signatures record photic zone euxinia in the Mesoproterozoic ocean. Proc. Natl. Acad. Sci. 115, 10594–10599.
Zheng W., Gilleaudeau G. J.*, Algeo T. J., Zhao Y., Song Y., Zhang Y., Sahoo S. K., Anbar A. D., Carmichael S. K., Xie S., Liu C.-Q. and Chen J.* (2023) Mercury isotope evidence for recurrent photic-zone euxinia triggered by enhanced terrestrial nutrient inputs during the Late Devonian mass extinction. Earth Planet. Sci. Lett. 613, 118175.
图1：不同环境改变情景下（a：大型火山；b：大型火山+陆地输入；c：大型火山+PZE）模拟的浅海沉积物（以金钉子煤山剖面为例）的汞富集系数（EF）和MIF的偏移值（Δ199Hg）
图2：EPME期间及前、后海洋的汞富集和MIF偏移（Δ199Hg）概念图解
