华南奥陶纪末冰期海洋化学变化及其对生物多样性的影响

The end-Ordovician is a critical interval for co-evolution of organisms and environments in earth history. In this study, sedimentology, sediment geochemistry and biodiversification theory are attempted to apply as fundamental approaches to investigate the outcrops and drillcores from different facies in Yangtze Area in South China. The geochemical works comprise mainly of iron speciation determination, pyrite sulfur isotope and in-situ analysis of pyrite trace elements, to reconstruct the temporal and spatial evolution history of ocean chemistry in the end-Ordovician in Upper and Middle Yangtze Platform. Also, statistical analysis of biodiversity of marine organisms are designed to proceed on the basis of geobiodiversity database. Herein this study will propose a coupling mechanism of biodiversification and ocean chemistry, probing deeply into the co-evolving rules of life and environment in the geological history.

奥陶纪末是地质历史中生物与环境协同演化的关键时期。本研究拟以华南扬子区不同沉积相带的露头和钻井岩心为主要对象，开展沉积学、沉积地球化学与生物多样性研究。着重通过铁组分、黄铁矿硫同位素与黄铁矿微量元素原位分析等地球化学手段，建立中上扬子区奥陶纪末海洋化学的时-空演化序列。同时，结合生物地层数据库，进行该时期海洋生物多样性的统计学分析，并尝试提出海洋化学与生物多样性演化的耦合机制，探讨地史时期生物与环境的协同演化规律。

奥陶纪末见证显生宙以来的第一次冰期和大规模生物集群灭绝事件，同期环境变化还包括火山活动、海洋缺氧事件等，因此该转折期在早古生代生物与环境协同演化研究中占据重要地位。但是，两个重要问题亟待解决，即在大气二氧化碳含量高（约为现在8-12倍）的情况下，冰期如何发生及期次问题；哪一种环境变化是生物灭绝事件的主因。.关于冰期期次，前人依据奥陶纪末高纬地区保存的沉积学和天文旋回证据提出，奥陶纪末冰期存在三个期次，但华南赫南特阶地层为凝缩段沉积，因而国内的冰期-海平面旋回划分方案将该冰期划为两个期次，不同于其他板块。本研究分析岩心扫描仪和ICP-MS获得的高分辨率元素地球化学证据如Zr/Al、Al+K+Ti、Si/Al和CIA等，首次揭示“三幕式”的奥陶纪末冰期-海平面变化，并且和其他板块地质证据相对应，如高纬地区冰碛岩记录、低纬地区浅水相暴露面及同位素证据如εNd等。.同时，本研究发现，虽然海平面变化会改变扬子海的营养盐循环和初始生产力，但是，仅内陆棚环境因海平面下降造成底水氧化还原状态发生改变，而外陆棚环境底水则在冰期期间维持铁化-硫化的缺氧状态。其他板块也表现出类似规律，且与板块距当时南极冰川的径向距离并无直接关系。另外，黄铁矿硫同位素发生明显正漂，碳酸盐结合态的硫酸盐（CAS）硫同位素无明显变化，前人曾将这种解耦现象归因于硫循环未发生明显波动而细胞特异硫酸盐还原反应速率加快。本研究通过质量守恒模型分别探讨风化作用变化、火山活动和黄铁矿埋藏变化对海水硫同位素的影响，发现当三种地质作用共同作用时，海水硫同位素会变化不明显（约+2‰）。这种幅度的变化在成岩作用的影响下，很容易形成海水硫同位素无明显变化、硫循环未发生波动的认识。本探究为奥陶纪末冰期海洋硫循环变化提供新解释。因此，奥陶纪末生物灭绝事件中，冰期为主要诱因，而在海平面大幅下降、生态空间被压缩时，深水缺氧水体扩张同样对生态系统造成重要影响。