晚奥陶世是显生宙生物与环境协同演化的关键转折期，其见证了显生宙以来第一次被广泛记录的冰期与全球规模的生物集群灭绝事件。作为地质事件层的重要化学地层标志，赫南特阶碳同位素正漂事件（HICE，+5‰ ~ 6‰），在全球不同板块的碳酸盐岩与黑色页岩地层均有记录。但是，由于赫南特期伴随复杂的地球系统变化，如火山活动加剧、冰期与间冰期快速转换、海洋缺氧现象频繁等原因，碳循环波动的成因与机制方面研究目前仍存在较大争论。
近期，中国科学院南京地质古生物研究所助理研究员张俊鹏和研究员张元动，联合中国科学院广州地球化学研究所、地质与地球物理研究所等单位的中美学者，通过碳循环系统模型，模拟并反演出赫南特阶碳同位素漂移事件（HICE）的无机碳同位素曲线和大气二氧化碳浓度变化，指出赫南特期海洋营养盐循环增强是海洋溶解无机碳同位素发生正漂的主要诱因。相关成果近日发表在地学自然指数（Nature Index）期刊《地球与行星科学快报》（Earth and Planetary Science Letters）上。
研究团队首先分析我国华南地区碳酸盐岩与黑色页岩剖面的碳同位素，通过全球不同板块的生物地层与化学地层记录建立了综合地层格架。同时，研究首次报道了上奥陶统-下志留统的碳酸盐结合态磷酸盐（CAP）的相对丰度，并结合黑色页岩的P/Al的统计学结果，揭示了赫南特冰期的海水磷酸盐水平变化。
研究团队还使用表生碳循环系统模型（源于GEOCARB）对奥陶纪末火山排气速率、冰期风化作用变化、海洋有机碳埋藏等与碳循环源-汇通量相关的地质过程进行敏感度分析。依据火山灰富集层的统计学结果（近似“正态分布”）与沉积岩汞异常限定火山排气速率增强的时间与强度，锂同位素（δ7Li）与碎屑岩锇同位素（Osi）特征限定冰期风化作用变化幅度，以及海水磷酸盐水平变化通过碳-磷循环耦合通量模型预测的海洋有机碳埋藏效率变化，最终拟合出符合地质记录的碳同位素曲线。模型反演的大气二氧化碳浓度变化符合前人GCM与cGENIE等气候模型的模拟结果。
模拟结果表明，赫南特阶碳同位素正漂事件主要成因为海洋营养盐循环增强引起的有机碳埋藏增加，而冰期风化作用减弱和持续增强的火山活动引起大气二氧化碳浓度的回升并导致冰期结束；冰期结束后的气候和海洋碳循环变化则取决于火山活动的持续强度和海洋营养盐的供应。另外，早期植物登陆在长周期上引起风化作用增强（f(V)为中-晚奥陶世早期植物影响的风化增强系数，假定每百万年增加0.01的速率），可能是奥陶纪末冰室气候的主要驱动机制，但这一效应在短周期的碳循环波动上影响较小。
整个系统模拟过程和反演结果可将奥陶纪末重大的地质事件联系起来，同时能为奥陶纪末生物大灭绝提供重要启示。研究认为，从地质事件的成因机制和规模尺度来看，引起生物灭绝的主要诱因还是冰期引起的表层海水温度大幅降低和海平面下降导致的生态空间压缩，而在灭绝事件中期出现的大范围海洋缺氧现象会对已经适应冷水环境的生物造成进一步伤害。冰期结束后，大气-海洋碳循环缓慢恢复到稳态，成为影响海洋生态系统复苏的关键。
本研究得到科技部重点研发计划、国家自然科学基金委、中国科学院战略先导专项和美国NASA Astrobiology Institute的经费支持。
论文全文信息：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（图A）和综合地层对比（图B）
上奥陶统-下志留统碳酸盐岩与黑色页岩磷丰度
模拟结果碳同位素曲线（A）和大气二氧化碳浓度变化（B）
奥陶纪末-志留纪初生物地质事件综合图
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