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  • 科研進展

    模型解讀奧陶紀末冰期與生物滅絕事件期間的碳循環波動

    發布時間:2024-03-08 打印

    晚奧陶世是顯生宙生物與環境協同演化的關鍵轉折期,其見證顯生宙以來第一次廣泛記錄的冰期與全球規模的生物集群滅絕事件。作為地質事件層的重要化學地層標志,赫南特階碳同位素正漂事件(HICE,+5‰ ~?6‰),在全球不同板塊的碳酸鹽巖與黑色頁巖地層均有記錄。但是,由于赫南特期伴隨復雜的地球系統變化,如火山活動加劇、冰期與間冰期快速轉換、海洋缺氧現象頻繁等原因,碳循環波動的成因與機制方面研究目前存在大爭論。

    近期,中國科學院南京地質古生物研究所助理研究員張俊鵬和研究員張元動,聯合中國科學院廣州地球化學研究所、地質與地球物理研究所單位的中美學者,通過碳循環系統模型,模擬并反演出赫南特階碳同位素漂移事件(HICE的無機碳同位素曲線和大氣二氧化碳濃度變化,指出赫南特期海洋營養鹽循環增強是海洋溶解無機碳同位素發生正漂的主要誘因。相關成果近日發表在地學自然指數Nature?Index期刊《地球與行星科學快報》(Earth and Planetary Science Letters)上。

    研究團隊首先分析我國華南地區碳酸鹽巖與黑色頁巖剖面的碳同位素,通過全球不同板塊的生物地層與化學地層記錄建立了綜合地層格架。同時,研究首次報道了上奧陶統-下志留統的碳酸鹽結合態磷酸鹽(CAP)的相對豐度,并結合黑色頁巖的P/Al的統計學結果,揭示赫南特冰期的海水磷酸鹽水平變化。

    研究團隊還使用表生碳循環系統模型(源于GEOCARB)對奧陶紀末火山排氣速率、冰期風化作用變化、海洋有機碳埋藏等與碳循環源-匯通量相關的地質過程進行敏感度分析。依據火山灰富集層的統計學結果(近似“正態分布”)與沉積巖汞異常限定火山排氣速率增強的時間與強度,鋰同位素(δ7Li)與碎屑巖鋨同位素(Osi)特征限定冰期風化作用變化幅度,以及海水磷酸鹽水平變化通過碳-磷循環耦合通量模型預測的海洋有機碳埋藏效率變化,最終擬合出符合地質記錄的碳同位素曲線。模型反演的大氣二氧化碳濃度變化符合前人GCMcGENIE氣候模型的模擬結果。

    模擬結果表明,赫南特階碳同位素正漂事件主要成因為海洋營養鹽循環增強引起的有機碳埋藏增加,而冰期風化作用減弱和持續增強的火山活動引起大氣二氧化碳濃度的回升并導致冰期結束;冰期結束后的氣候和海洋碳循環變化取決于火山活動的持續強度和海洋營養鹽供應。另外,早期植物登陸在長周期上引起風化作用增強(f(V)-晚奧陶世早期植物影響的風化增強系數,假定每百萬年增0.01的速率),可能是奧陶紀末冰室氣候的主要驅動機制,但這一效應在短周期的碳循環波動上影響較小。

    整個系統模擬過程和反演結果可將奧陶紀末重大的地質事件聯系起來,同時能為奧陶紀末生物大滅絕提供重要啟示。研究認為,從地質事件的成因機制和規模尺度來看,引起生物滅絕的主要誘因還是冰期引起的表層海水溫度大幅降低和海平面下降導致的生態空間壓縮,而在滅絕事件中期出現的大范圍海洋缺氧現象會對已經適應冷水環境的生物造成進一步傷害。冰期結束后,大氣-海洋碳循環緩慢恢復到穩態,成為影響海洋生態系統復蘇的關鍵。

    本研究得到科技部重點研發計劃、國家自然科學基金委、中國科學院戰略先導專項和美國NASA Astrobiology Institute的經費支持。

    論文全文信息:Zhang, J.*, Li, C., Zhong, Y., Wu, X., Fang, X., Liu, M., Chen, D., Gill, B.C., Algeo, T.J., Lyons, T.W., Zhang, Y. and Tian, H., 2024. Linking carbon cycle perturbations to the Late Ordovician glaciation and mass extinction: A modeling approach. Earth and Planetary Science Letters, 631, p.118635. https://doi.org/10.1016/j.epsl.2024.118635.


    全球古地理位置(圖A)和綜合地層對比(圖B

    上奧陶統-下志留統碳酸鹽巖與黑色頁巖磷豐度

    模擬結果碳同位素曲線(A)和大氣二氧化碳濃度變化(B

    奧陶紀末-志留紀初生物地質事件綜合圖


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