发生在泥盆纪晚期弗拉斯阶（Frasnian）–法门阶（Famennian）之交（约3.72亿年前）的F–F生物灭绝事件是地球历史上的五大生物灭绝事件之一，该事件导致了约80%的海洋无脊椎动物的灭绝，然而目前关于灭绝事件的发生原因仍存在较大争议。近日，中国科学院南京地质古生物研究所研究员陈波、郄文昆，副研究员梁昆，与中国科学技术大学教授肖益林团队开展合作研究，对华南桂林地区两个典型的晚泥盆世海相碳酸盐剖面（杨堤和垌村剖面）开展了系统的锂-碳-锶（Li-C-Sr）同位素研究。
团队系统重建了当时大陆风化作用转变的主要过程和控制因素，结果表明全球气候变冷是驱动当时大陆风化体系和海水锂元素同位素变化以及弗拉斯阶–法门阶生物灭绝事件主要原因。相关成果近期发表在地球科学知名期刊《全球和行星变化》（Global and Planetary Change）上。
本研究发现垌村剖面牙形刺87Sr/86Sr比值在弗拉斯阶–法门阶界线层位附近并无明显变化，表明当时的海水并不存在明显的锶同位素组成的波动。杨堤和垌村剖面的锂同位素记录呈现一定的差异，但经过严格的成岩分析发现，杨堤剖面碳酸盐 7Li值在弗拉斯阶–法门阶界线附近出现约2‰的正漂移，记录了原始海水变化，进一步的地层学约束认为该漂移发生在约0.4个百万年以内。
结合海水锂同位素相式模型与蒙特卡洛模拟，研究发现由于较低的河流水 7Li值和海洋沉积过程中较小锂同位素分馏（ 7Lisw-ms），泥盆纪海水的 7Li值比现代低。但同时期海水87Sr/86Sr比值无明显变化，说明河流水的锶通量变化应小于10%，暗示大陆风化速率变化很小。
对锂同位素变化的进一步模拟结果显示泥盆纪海水中锂的居留时间明显低于现代海洋，且河流水锂通量的降低和 7Li值的升高以及 7Lisw-ms的增加是导致海水 7Li值出现快速正漂移的主要原因。河流水的变化说明大陆风化类型更趋向于不一致风化，而这种转变会降低河流输入至海洋的硅含量，导致海水硅的浓度出现短时期的降低，最终使海洋沉积过程中有效锂同位素分馏（ 7Lisw-ms）加大。因此，大陆风化作用由一致风化向不一致风化的转变是导致海水 7Li值正漂移的根本原因。
需要指出的是，诸如冲积平原或者由于陆生植物大量繁殖的地表环境可以促使不一致风化的产生。但这些环境的形成都是一个缓慢长期的过程，与观测数据变化发生在相对短时间尺度（< 0.4个百万年）相矛盾。因此研究人员认为导致这种风化类型的转变最有可能原因是全球快速变冷，这一结论也得到了两个剖面弗拉斯阶–法门阶界线附近牙形刺氧同位素记录的支持。
除了对地表锂循环的影响，全球变冷同样对海洋环境产生了重要影响，它减弱了海水分层，有利于底层海水的上涌，使表层海水的初级生产力提高，最终导致了大量有机碳的埋藏，形成全球范围内广泛出现的凯尔瓦塞（Kellwasser）页岩，并使碳酸盐的碳同位素呈现明显的正漂移。此外，全球快速变冷会对生物圈产生致命影响，那些对温度变化适应能力差的物种经历了大规模的灭绝，而这种选择性的物种灭绝也是弗拉斯阶–法门阶生物灭绝的主要特征。
总的来说，该研究支持全球快速变冷导致大陆风化体系和表层环境发生重要转变，是泥盆纪晚期弗拉斯阶–法门阶生物灭绝的关键原因。
该项工作受到国家自然科学基金以及中国科学院战略先导专项（B）项目的联合资助。
论文相关信息：Yang-Yang Wang, Kun Liang, Yilin Xiao*, Bo Chen*, Erhao Shan, Tingyu Yang, Meng Zhang, He Sun, Hai-Ou Gu, Fengtai Tong, Lulu Fu, Dong-Yong Li, Yigan Lu, Wenkun Qie, Carbonate lithium isotope systematics indicate cooling triggered mass extinction during the Frasnian-Famennian transition, Global and Planetary Change, Volume 230, 2023, 104284, https://doi.org/10.1016/j.gloplacha.2023.104284.
杨堤和垌村剖面锂-碳-氧-锶同位素组成及代表元素变化趋势，其中杨堤剖面的锂同位素、Li/Ca以及Sr/Ca比值，垌村剖面除牙形刺氧同位素数据外均为本次研究分析结果
不同尺度的输入端元变化对海水锂-锶同位素组成的影响的模拟结果
杨堤和垌村剖面同位素变化与生物多样性之间的关系
泥盆纪F-F界线附近由于全球变冷导致的地表环境变化及海水碳-锂同位素响应
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