寒武纪早期（约5.2亿年前）地球系统见证了生命的快速演化，无论生物物种还是个体尺寸均急剧增加，被称为寒武纪生命大爆发（Cambrian Explosion）。随后，生物经历了数次灭绝事件，包括寒武纪第四期早期“Boyomian-Toyonian危机”或“Sinsk事件”和早-中寒武世转折期（Toyonian末期）ROECE事件。前人研究多聚焦在生命大爆发和Boyomian-Toyonian危机的过程及成因，与之相比，以Redlichiid和Olenellid灭绝及明显碳同位素负漂为特征的ROECE事件触发机制仍存在较大争议。全球不同地区早寒武世Toyonian期的海洋古环境记录显示不一致性，进一步使得ROECE事件的触发机制仍存在诸多不确定性。因此，早寒武世Toyonian末期海洋环境演化与ROECE事件的关系仍待研究。

　　针对以上科学问题，中国科学院地质与地球物理研究所博士生张鹏远与导师王永莉研究员联合中石油勘探开发研究院西北分院张小军高级工程师、中国科学院西北生态环境资源研究院魏志福研究员等，对中国南方上扬子地台四川盆地HS2井龙王庙组碳酸盐岩岩心连续取样，利用碳酸盐岩的高精度碳（δ¹³C）、氧（δ¹⁸O）、锶（⁸⁷Sr/⁸⁶Sr）同位素和元素地球化学记录重建了早寒武世Toyonian期海洋古环境，并结合碳、锶同位素的全球地层对比，提出了对ROECE事件触发机制的新认识。

图1 四川盆地HS2井龙王庙组碳氧锶同位素和元素记录（T代表古温度，Z代表古盐度）

图2 全球ROECE事件对比（数据来自Chang et al., 2017;Ren et al., 2017; Zhu et al., 2004; Wang et al., 2011;Wotte et al., 2007; Guo et al., 2010; Montañezet et al., 2000; Dillard et al., 2007）

在该研究中，龙王庙组顶部碳酸盐岩记录了一期明显的碳同位素负漂事件（图1），与全球ROECE事件相对应，且同期碳同位素地层对比表明ROECE事件在不同沉积环境（浅水碳酸盐岩台地、斜坡和深水盆地）的振幅和几何形状存在显著差异（图2）。深水盆地的ROECE振幅明显大于浅水碳酸盐岩台地（图2），可能是由于海洋表层和深层无机碳库存在碳同位素梯度造成的。此外，浅水碳酸盐岩台地易受到区域环境和构造事件影响，导致其记录的碳同位素信号与深水盆地存在差异。全球同期锶同位素记录显示早寒武世锶同位素数值是整个地质历史时期的峰值（~0.7085-0.7095）（图3），指示强烈的大陆风化作用和较低的海平面。在此背景下，浅水沉积碳酸盐岩易受到地表暴露和地层侵蚀作用，从而形成地层间断并致使不同地区ROECE事件的几何形状发生改变（图2）。据此，该研究认为浅水碳酸盐岩所呈现的碳同位素漂移信号是全球和区域地质事件共同作用的结果。

　　传统观点认为，全球性海侵使得深部缺氧水体上升侵入浅水区域，进而导致浅海生物（例如Redlichiid和Olenellid三叶虫）灭绝。伴随灭绝事件出现的海洋生产力降低和有机碳埋藏减少最终会促使碳同位素发生负漂（Zhu et al., 2004；Zhuravlev and Wood 1996）。然而，全球性海侵必然导致锶同位素亦发生负漂，这与HS2井龙王庙组顶部的锶同位素记录明显不一致（图1和图3）。类似的情景也发生在西伯利亚碳酸盐岩台地（Montañezet al., 2000），表明全球性海侵并不是导致ROECE事件的唯一因素。此外，HS2井龙王庙组的氧化还原敏感元素数据也显示该时期海洋主要是氧化或亚氧化水体（图1），进而表明在浅水地区缺氧环境并不一定是触发ROECE事件的唯一因素（Faggetter et al., 2017；Li et al., 2017）。

为了进一步探究触发浅水地区ROECE事件的驱动因素，该研究基于多种元素和同位素地球化学指标重建了早寒武世Toyonian期海洋古环境（图1）：早寒武世长期剧烈的大陆风化过程（高⁸⁷Sr/⁸⁶Sr值）消耗了大量的大气CO₂（图1和图3）,导致早-中寒武世转折期（约5.1亿年前）海洋温度降低（图1），指示了寒冷的海洋环境；值得注意的是，早-中寒武世转折期大气CO₂浓度的降低随后又会带来负反馈，减弱大陆风化作用，陆源碎屑供应也相应减少（Ti元素明显下降），从而降低了海洋生物可利用的营养物质（P元素等）（图1），营造了贫营养的海洋环境；鉴于全球早-中寒武世海洋古环境的多种记录（黄铁矿形态，元素和古生物等）也曾揭示缺氧环境是触发ROECE事件的可能原因（Zhu et al., 2004；Zhuravlev and Wood 1996）。据此该研究为ROECE事件成因提出了一个基于古环境的新解释：寒冷以及贫营养的海洋环境，再叠加海侵带来的快速缺氧环境，可能共同触发了浅水地区的ROECE事件。

图3 全球早寒武世锶同位素对比（数据来自于 Ma et al., 2015; Shi et al., 2003; Wotte et al., 2007; Wang et al., 2011; Kochnev et al., 2018; Derry, 1994; Zhang et al., 2020）

　　该成果发表于国际学术期刊Gondwana Research（张鹏远，王永莉，张小军，魏志福，汪亘，张婷，马贺，魏静宜，何薇，马雪云，朱晨曦.Carbon, oxygen and strontium isotopic and elemental characteristics of the Cambrian Longwangmiao Formation in South China: Paleoenvironmental significance and implications for carbon isotope excursions[J]. Gondwana Research, 2022, 106: 174-190. DOI:10.1016/j.gr.2022.01.008）。研究受到国家自然科学基金重点项目（41831176），第二次青藏科考项目（2019QZKK0707），中国科学院战略性先导科技专项（XDB26000000）以及横向课题“岩石样品锶同位素测试分析与研究”等共同资助。

美编：傅士旭

校对：万鹏