奥陶—早志留纪海洋化学条件的变化及其对生命演化的影响

Fossil records indicate that the composition of biosphere changes dramatically from the Ordovician to Early Silurian. These bio-events include the end-Ordovician mass extinction, the Great Ordovician Biodiversification Event (GOBE), and the Late Ordovician rebound of biodiversity. There is little doubt that the biospheric changes may have resulted from coeval environmental changes. Therefore, it is important to reconstruct ocean chemistry changes in space and time as well as to understand how environmental changes influence life evolution. We propose to study chemical evolution of the Ordovician-Early Silurian oceans by examining stable C-isotope and multiple S-isotope of sedimentary rocks which would integrate with analyses of trace elements and Fe species. We propose to work on several type sections from South China, Estonia, Canada, and Poland in order to constrain global nature of environmental changes. These results would greatly improve our understanding of interaction between the Ordovician-Early Silurian environment and life.

化石记录表明，奥陶—早志留的生物圈发生了巨大的变化。主要生物演化事件包括：晚奥陶世的生物大灭绝事件、奥陶纪生物大辐射事件、以及晚奥陶世的生物物种多样性反弹事件。这些生命事件无疑是奥陶—早志留环境变化影响的结果。因此，重建奥陶—早志留海洋化学条件的时空变化以及它们对生命演化的影响具有重要的科学意义。我们将以稳定同位素（包括碳同位素和多硫同位素）为主要研究手段，同时对沉积岩中的微量元素和铁组分进行详尽的分析来追索奥陶—早志留古海洋的化学演化。我们将对华南、爱沙尼亚、加拿大和波兰的代表性剖面进行剖析从而获得奥陶—早志留环境变化的全球性规律。这些结果将进一步深化我们对奥陶—早志留环境和生命相互作用的理解。

为深入探究奥陶-早志留世海洋化学条件的变化及其对生命演化的影响，本项目以碳、氮、氧、多硫、汞、锶同位素为主要研究手段，结合元素地球化学，对采自美国、爱沙尼亚、加拿大以及华南11条代表性剖面的样品进行了高分辨率的无机碳同位素、有机碳同位素、碳酸盐氧同位素、全岩氮同位素、卟啉氮同位素、多硫同位素、锶同位素、汞同位素、汞浓度、总氮含量、总硫含量、总有机碳含量以及微量元素测试。首次在24.5亿年以来的地质记录中发现了硫同位素的非质量相关分馏(Δ33S最大可达0.91‰)，表明晚奥陶期间华南曾存在多次平流层火山喷发，与火山活动相伴随的环境恶化可能是造成晚奥陶世第一幕生物灭绝的原因之一，这一结论也与我们汞浓度和汞同位素数据一致。另外，来自华南、爱沙尼亚、加拿大的多硫同位素数据在赫南特阶均呈现显著异常(δ34Spy正偏、Δ33S为负值)，表明当时动荡不安的海洋环境和缺氧海水的间歇性上涌可能是生物灭绝的重要原因。此外，来自华南早-中奥陶世的多硫同位素数据以及早志留世的有机碳、全岩氮同位素数据表明当时海洋氧化还原条件发生了显著变化，浅海陆架的间歇性缺氧和氧化对奥陶纪生物大辐射和早志留世生物多样性反弹具有显著影响。其次，卟啉氮同位素在晚凯迪阶的显著负偏(最低值-8.5‰)表明当时生物泵加强可能是导致赫南特冰期的主要原因。通过本项目的圆满完成，我们对奥陶-早志留世环境变化的全球性规律以及生物与环境的协同演化有了更深入的理解，对奥陶纪末生物大灭绝、奥陶纪生物大辐射、晚奥陶世生物多样性反弹的环境因素，以及赫南特冰期的形成机制有了新的解释和认识。