介于寒武纪生命大爆发和奥陶纪生物大辐射事件之间海洋整体氧化还原状态演化研究

The ca. 30-million-year delay between the major phases of the Great Ordovician Biodiversification Event (478–445 Ma) and Cambrian Explosion (521–505 Ma), as well as the consorted major extinction events, has been suggested to be linked with ocean anoxic events. And the oxygenation in the Mid-Ordovician ocean may have facilitated the major radiation of animals. The traditional C–S isotopic study of this interval is not stratigraphical continuous, and is not able to explicitly evaluate the global oceanic redox state. Outcrops of well-developed and fossiliferous Cambro-Ordovician strata deposited in different marine facies are widely distributed in South China. They provide ideal target for palaeoceanographic studies. Firstly, this project will quantitatively evaluate the global oceanic redox state and its evolution by systematically analysing the Mo isotope compositions in carbonates and black shales and mass balance modelling. And then, the relationship between the global oceanic redox evolution and the extinction/radiation of different animal groups will be statistically analysed by combining the Mo isotope data and the Geobiodiversity Database. Furthermore, this project will discuss the co-evolution among redox state, other environmental factors and life.

奥陶纪生物大辐射滞后于寒武纪生命大爆发长达约三千万年，此间隔中还发生了数次大规模的全球性灭绝事件。前人认为这一滞后和其间的灭绝事件可能与海洋缺氧事件有关，而海洋氧化可能促进了中奥陶世开始的动物大辐射。但对这个时期地层的传统碳、硫同位素研究并不连续，而且无法明确地评估海洋整体的氧化还原状态。在我国华南，寒武系和奥陶系海相地层分布广泛，发育完整，沉积类型多样，化石丰富，是世界上理想的古海洋环境研究区域。本项目拟对华南寒武系上部到中奥陶统不同沉积相代表性地层的碳酸盐岩和黑色页岩进行系统连续的钼同位素组成分析，通过质量守恒模型，定量分析全球尺度海洋氧化还原状态及其演变。此外，还结合古生物数据库，统计分析海洋整体氧化还原状态演变和不同生物类群灭绝/辐射之间的关系，探讨氧化还原状态等环境因素与生物之间的协同演化。

后生动物在寒武纪早期辐射演化，出现了几乎所有的门级类群。但其多样性在科、属等较低级别上的相对快速增长直到约三千万年后的中奥陶世才开始。这一被称为“奥陶纪生物大辐射”的演化事件，在奥陶纪末被显生宙第一次生物大灭绝事件所终止。对于奥陶纪生物大辐射的原因、相对于寒武纪生命大爆发在时间上的滞后、最终的嘎然而止，前人都提出过很多假说和相关论证。本项目主要从海洋的氧化还原状态演化这个角度，探讨环境和上述生物事件之间的关系。研究方法主要基于对氧化还原环境敏感的Mo、U及其同位素组成。通过与国内外相关实验室的合作交流，在国内的实验室建立了高精度、低本底的Mo、U同位素组成测试方法。..本项目获取到贵州奥陶系–志留系界线的碳酸盐岩和黑色页岩地层的高分辨率铀同位素记录。全球可对比的δ238U记录表明，全球海洋的整体氧化还原状态剧烈动荡。本项目数据还显示出δ238U和δ18O之间演变趋势整体上有正或负协变关系，表明奥陶纪末期全球海洋氧化还原状态可能受到全球气候变化的控制。大冰期内发生的短暂变暖事件可能使陆表和/或陆缘海发生缺氧，并引发了大灭绝事件。..本项目获取到湖南瓦儿岗剖面所记录的寒武系–奥陶系界线附近的高分辨率碳、铀同位素演变曲线。其演变趋势与加拿大GSSP泥灰岩、泥岩中获取的数据总体一致。但本研究所测试的样品基于能更好反映海水值的较纯灰岩，且数据分辨更高，δ238U和δ13C之间的整体正相关趋势更明显。界线附近的全球海洋氧化还原状态整体比较动荡，且和全球碳循环有较好的耦合关系。..本项目获取到湖北松滋响水洞剖面早奥陶纪早期的碳、铀同位素组成演变曲线。识别出特马豆克阶中部的TSICE碳同位素正漂移事件，并且δ238U反映该事件和海洋整体氧化相关。这一奥陶纪初期的海洋氧化事件，可能和奥陶纪大辐射的序幕有关，并且为其主幕的发生奠定了基础环境条件。