地球生命的演化興衰往復(fù)，跌宕起伏，生物所賴以生存的苛刻環(huán)境和條件顯得地球的宜居環(huán)境（氣溫、氧氣等）彌足珍貴。但地球漫長(zhǎng)的歷史長(zhǎng)河里，似乎有一只手常常彈起環(huán)境波動(dòng)之弦，奏起的卻是生命的挽歌和絕唱。顯生宙曾發(fā)生了五次全球性的生物集群大絕滅事件。奧陶紀(jì)末的第一次生物集群絕滅（LOME-Late Ordovician Mass Extinction）是顯生宙第二大規(guī)模生物滅絕事件，在不到2Myr時(shí)間內(nèi)，就有約85%全球海洋生物物種徹底告別了地球的生活舞臺(tái)。那么，究竟是什么原因造成了這次災(zāi)難事件？

近年來(lái)的研究發(fā)現(xiàn)，奧陶紀(jì)末生命大絕滅可劃分為兩幕，并分別受控于不同的滅絕機(jī)制：第一幕滅絕（LOME-1）發(fā)生在凱迪期（Katian）和赫南特期（Hirnantian）之交，彼時(shí)氣候迅速變冷，岡瓦納大陸冰川快速擴(kuò)張至低緯度地區(qū)，海平面快速下降，并最終導(dǎo)致大規(guī)模生物絕滅；第二幕滅絕（LOME-2）發(fā)生在赫南特期中晚期，此時(shí)隨著氣候快速回暖，大陸冰川快速消融，冰川融水?dāng)y帶大量大陸風(fēng)化營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)入海洋，促使初級(jí)生產(chǎn)力飆升，并進(jìn)一步導(dǎo)致淺海區(qū)耗氧量增加，缺氧程度加劇，再次重創(chuàng)剛剛適應(yīng)冷水環(huán)境的海洋“機(jī)會(huì)主義者”（以赫南特動(dòng)物群為代表的）。然而，過(guò)去絕大多數(shù)對(duì)LOME的研究主要著眼于陸棚-斜坡區(qū)富有機(jī)質(zhì)沉積的古海洋環(huán)境變化，缺少對(duì)全球海洋氧化還原環(huán)境變化的約束。因此，LOME時(shí)期全球整體海洋氧化還原特征變化的特征、重要時(shí)間節(jié)點(diǎn)及與生命興衰的聯(lián)系仍不明確。

針對(duì)上述問(wèn)題，中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所新生代地質(zhì)與環(huán)境院重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室博士后劉牧、陳代釗研究員、姜磊副研究員，聯(lián)合耶魯大學(xué)Noah Planavsky教授，斯坦福大學(xué)Richard Stockey博士和中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）嚴(yán)德天教授等，在華南川滇交界的大涼山腹地，尋找到了完整記錄晚奧陶世末生物幕式演化的連續(xù)淺水碳酸鹽巖剖面——“烏科”剖面；但由于奧陶系-志留系界線地層序列是基于浮游型筆石生物帶確定的，與缺乏筆石的淺水碳酸鹽地層對(duì)比就存在很大困難。為此，他們通過(guò)古生物演化序列及與典型界線剖面旋回地層和碳同位素地層的對(duì)比，建立了該剖面奧陶系-志留系界線地層格架，并通過(guò)鈾同位素地球化學(xué)變化和數(shù)值模擬，明確了LOME時(shí)期全球海洋缺氧面積變化與生物演化和衰落的關(guān)系。

晚奧陶世末期，受沉積相控制，我國(guó)華南地區(qū)主要發(fā)育富有機(jī)質(zhì)黑色頁(yè)巖，僅在赫南特期短暫發(fā)育少量碳酸鹽巖沉積。而烏科剖面，不僅出露了連續(xù)的上奧陶統(tǒng)碳酸鹽巖地層，還保存了典型的晚奧陶世淺水底棲生物的化石、生物絕滅后的微生物巖（凝塊石、核形石等），及冰期后的暖水生物（圖1）。在此基礎(chǔ)上，將烏科剖面上奧陶統(tǒng)頂部識(shí)別出（七個(gè)）典型沉積旋回與具有良好筆石生物帶約束的深-淺水過(guò)渡剖面“萬(wàn)和”剖面的旋回一一對(duì)照，同時(shí)結(jié)合碳同位素地層學(xué)（圖2），準(zhǔn)確建立起烏科剖面上奧陶統(tǒng)時(shí)間地層格架，為后續(xù)在華南地區(qū)對(duì)LOME時(shí)期生物與環(huán)境相互作用的研究打下了基礎(chǔ)。

圖1 烏科剖面LOME相關(guān)層位生物演化的記錄。（A）上奧陶統(tǒng)鐵足菲克組頂部記錄了從富含Hirnantia? sp.或Triplesia sp.腕足動(dòng)物碎片逐漸向上過(guò)渡到微生物凝塊巖層的現(xiàn)象；（B）和（C）赫南特階中出現(xiàn)典型的微生物巖（凝塊石、核形石）；（D）鐵足菲克組頂部出現(xiàn)的暖水型四射珊瑚Lambeophyllum（略高于微生物巖層或側(cè)向過(guò)渡）

圖2 烏科剖面與赫南特階頂?shù)譍SSP剖面王家灣和Dob’s Linn的碳同位素地層學(xué)對(duì)比

海洋碳酸鹽礦物保存的²³⁸U/²³⁵U（δ²³⁸U）鈾同位素比值常被用于追蹤地球歷史上關(guān)鍵生物事件時(shí)期的全球海洋氧化還原環(huán)境變化。其原理概括來(lái)講，即在低溫缺氧水體系下，U（VI）會(huì)被還原為不溶的U（IV），其中較重的同位素²³⁸U更傾向于沉淀進(jìn)入沉積物中富集，因此會(huì)使海水的δ²³⁸U降低，而碳酸鹽礦物可以記錄當(dāng)時(shí)δ²³⁸U海水信號(hào)，并作為推斷全球海洋缺氧面積變化的依據(jù)。基于此，研究團(tuán)隊(duì)選取碳酸鹽晶格中的δ²³⁸U信號(hào)作為重要參考指標(biāo)（圖3），結(jié)合多源U同位素體系質(zhì)量平衡模型，識(shí)別出了晚奧陶世末期兩期全球性的海洋缺氧事件和一期（赫南特早期）增氧事件（圖4）。

圖3 烏科剖面奧陶-志留界限段巖性柱、重要的地球化學(xué)指標(biāo)以及生物特征變化規(guī)律示意圖，其中紅色曲線為L(zhǎng)OESS平滑校正后的U同位素值

圖4 基于三元U同位素模型建立的晚奧陶世末期全球海洋缺氧硫化面積（f_eux）演化結(jié)果

第一期缺氧事件發(fā)生在凱迪晚期，早于LOME-1事件和明顯的氣候變冷；而第二期發(fā)生在赫南特期中晚期，與LOME-2同步。之間為一次短暫海洋增氧事件，所對(duì)應(yīng)的時(shí)間恰好是赫南特冰期快速發(fā)展直至頂峰的時(shí)期，該研究將其命名為一次氧化“快閃”事件。這一發(fā)現(xiàn)不僅對(duì)顯生宙海洋為長(zhǎng)期氧化的傳統(tǒng)觀點(diǎn)提出了重大挑戰(zhàn)，還展示了海洋缺氧作為奧陶紀(jì)末大滅絕的驅(qū)動(dòng)機(jī)制要比之前的認(rèn)識(shí)更加復(fù)雜，即：凱迪晚期的第一次缺氧事件中，生物的滅絕速率并不高；相比之下，與LOME-2同時(shí)發(fā)生的第二次缺氧事件卻造成了廣泛的生物絕滅。研究推斷，這是因?yàn)閮纱问录５兹毖醢l(fā)生的主要區(qū)域有所不同：第一次集中在深海遠(yuǎn)洋，由于棲息生物種類和體量較少，因而對(duì)生態(tài)系統(tǒng)影響較小；而第二次缺氧水體擴(kuò)張至生物聚落豐富的陸架區(qū)域，最終導(dǎo)致淺海底棲生物的大量死亡。

研究成果發(fā)表于EPSL（劉牧, 陳代釗*, 姜磊, Stockey R G, Aseal D, Zhang B, 劉康, Yang X, Yan D, Planavsky N J. 2022. Oceanic anoxia and extinction in the latest Ordovician[J]. Earth and Planetary Science Letters, 2022, 588: 117553. DOI: 10.1016/j.epsl.2022.117553.）

美編：陳菲菲

校對(duì)：張騰飛 姜雪蛟