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。但地球漫長的歷史長河里，似乎有一只手常常彈起環(huán)境波動之弦，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。那么，究竟是什么原因造成了這次災(zāi)難事件？

近年來的研究發(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)化營養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)入海洋，促使初級生產(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)會主義者”（以赫南特動物群為代表的）。然而，過去絕大多數(shù)對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，缺少對全球海洋氧化還原環(huán)境變化的約束。因此，LOME時期全球整體海洋氧化還原特征變化的特征、重要時間節(jié)點(diǎn)及與生命興衰的聯(lián)系仍不明確。

針對上述問題，中國科學(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比就存在很大困難。為此，他們通過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比，建立了該剖面奧陶系-志留系界線地層格架，并通過鈾同位素地球化學(xué)變化和數(shù)值模擬，明確了LOME時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，我國華南地區(qū)主要發(fā)育富有機(jī)質(zhì)黑色頁巖，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)頂部識別出（七個）典型沉積旋回與具有良好筆石生物帶約束的深-淺水過渡剖面“萬和”剖面的旋回一一對照，同時結(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)時間地層格架，為后續(xù)在華南地區(qū)對LOME時期生物與環(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.腕足動物碎片逐漸向上過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)鍵生物事件時期的全球海洋氧化還原環(huán)境變化。其原理概括來講，即在低溫缺氧水體系下，U（VI）會被還原為不溶的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，因此會使海水的δ²³⁸U降低，而碳酸鹽礦物可以記錄當(dāng)時δ²³⁸U海水信號，并作為推斷全球海洋缺氧面積變化的依據(jù)?；诖耍芯繄F(tuán)隊(duì)選取碳酸鹽晶格中的δ²³⁸U信號作為重要參考指標(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LOESS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，所對應(yīng)的時間恰好是赫南特冰期快速發(fā)展直至頂峰的時期，該研究將其命名為一次氧化“快閃”事件。這一發(fā)現(xiàn)不僅對顯生宙海洋為長期氧化的傳統(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)動機(jī)制要比之前的認(rèn)識更加復(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，因而對生態(tài)系統(tǒng)影響較??；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：張騰飛 姜雪蛟