Os是氧化还原敏感元素，氧化条件下高价态Os具有水溶性；在有氧风化作用下，陆源Os可随河水迁移至海洋。由于壳源187Os/188Os同位素值较高（现今大陆地壳>1）而幔源值较低（～0.12），而海水Os同位素值综合响应了壳源和幔源Os输入状态，其可以随大陆风化作用、火山作用、海底热液活动等地质过程变化而变化。因此，海水Os同位素特征被广泛用于示踪古海洋及古环境演化（Lu et al., 2017; Yin et al., 2023）。例如，太古宙-元古宙之交或新元古代晚期，海水Os同位素值存在不同程度的升高，被认为代表了大陆地壳有氧风化作用的增强，进而指示了大气氧气含量的增加（Kendall et al., 2015; Yang et al., 2022）。然而，精确重建地质历史时期海水Os同位素值，面临着地质样品要求苛刻（如具有Re-Os等时线年龄的黑色页岩）等挑战，严重限制了相关研究。 前人研究发现，Fe-(Mn)氧化物沉淀时，对Os具有较强的吸附能力，但对Re的吸附能力较弱（Yamashita et al., 2007），进而导致相关沉积物具有较低的Re/Os比值，是重建海水Os同位素值的良好潜在对象。铁岩（Ironstone）作为一种独特的富铁氧化物化学沉积岩，在地球早期沉积记录中分布广泛，并响应和记录了地球环境演化。中国华北克拉通中元古界（参考以18亿年为底界的方案）下部发育两套海相铁岩，即燕辽地区串岭沟组铁岩（～16.5亿年; Liu et al., 2019）及熊耳地区云梦山组铁岩（～17亿年; Hu et al., 2014），为开展元古代中期海水Os同位素重建及古环境演化研究提供了条件。在此背景下，中国科学院地质与地球物理研究所固体同位素实验室储著银研究员，联合周锡强副研究员、彭澎研究员，以及广州地球化学研究所赵太平研究员团队和中国地质大学（北京）许继峰教授团队，采用Re-Os同位素，并结合Sr-Nd同位素、PGE元素地球化学等手段，对华北克拉通南缘云梦山组铁岩的成因及环境意义进行了综合研究。
此研究结果表明，云梦山组铁岩初始87Sr/86Sr比值介于0.7063至0.7072；在评估了陆源碎屑物质混染影响之后，该低值（～0.7063）与近同时期海水值（Chen et al., 2022）大致相当，表明铁岩沉积于正常海水，未受到海底热液流体的显著影响。此观点进一步得到铁岩Nd同位素（eNd(t)：-6.6至-6.0；未体现海底热液幔源流体信号），以及铂族元素特征（具有类似于现今正常海水沉积的铁锰结壳/结核的配分样式，图1）的支持。
图1 云梦山组铁岩PGE配分图，及其与现今海洋Fe-Mn结壳相关数据（Guan et al. 2017；孙晓明等, 2006）的对比：（A）球粒陨石标准化；（B）大陆上地壳标准化
Re-Os同位素研究结果显示，云梦山组铁岩具有非常低的Re/Os比值，其初始187Os/188Os比值为～0.6。由于云梦山组沉积于陆表海浅水环境，与广海具有较好的联通性，该Os同位素比值可以很好地代表沉积时期海水Os同位素组成。通过整合可靠数据重建的海水Os同位素值演化样式，对比发现云梦山组铁岩沉积时期海水Os同位素值（～0.6）显著高于幔源值（～0.12），以及目前已报道的～30-15亿年时期的海水值（图2）。该结果有力地表明，17亿年时期大陆上地壳Os的有氧风化作用显著增强，进一步示踪了元古宙中期的幕式增氧事件。
图2 地质历史时期，（A）海水Os同位素值重建样式（数据来源参见原文），及（B）大气氧气含量演化曲线（修改自Lyons et al., 2021）；红点及红色箭头为此研究数据和时代
此研究表明，铁岩Re-Os、Sr-Nd同位素和铂族元素综合研究，有助于进一步约束铁岩成因，反演古环境演化。鉴于铁岩在前寒武系地层分布广泛、保存较好，此项工作对于未来相关研究具有启示意义。
研究成果近期发表于国际地学期刊EPSL（Chu Z Y, Qiu Y F, Zhou X Q, Yang X L, Peng P, Zhao T P, Xu J F. Re-Os, Sr-Nd isotopic and PGE elemental constraints for the formation of mid-Proterozoic ironstones in North China Craton: Implications for the atmospheric oxygen level[J]. Earth and Planetary Science Letters , 2023, 621:118367. DOI: 10.1016/j.epsl.2023.118367）。研究受国家重点研发计划项目和国家自然科学基金项目资助。
