中国科大发现全球气候变冷导致了3.7亿年前的生物灭绝事件

发生在泥盆纪晚期弗拉斯阶（Frasnian）-法门阶（Famennian）之交（约372 Ma）的F-F生物灭绝事件是地球迄今以来的五大生物灭绝事件之一，该事件导致了约80%的海洋无脊椎动物的灭绝。近期，中国科学技术大学肖益林教授的研究团队与中科院南京地质古生物研究所及合肥工业大学合作，对华南桂林地区两个典型的晚泥盆世海相碳酸盐剖面（杨堤剖面和垌村剖面）进行了系统的Li-C-Sr同位素研究，并以此制约了生物灭绝事件的发生机制，研究成果以“Carbonate lithium isotope systematics indicate cooling triggered mass extinction during the Frasnian-Famennian transition”为题发表在地球科学国际一流期刊Global and Planetary Change上。

样品的分析结果表明碳酸盐C同位素在F-F事件界限附近呈现明显的正漂移，牙形石⁸⁷Sr/⁸⁶Sr比值在生物灭绝相关层位附近并无明显变化，暗示当时的海水并不存在明显的Sr同位素组成的波动（图1）。对Li同位素来说，尽管垌村剖面的Li同位素信号受到了较为明显的成岩改造，但杨堤剖面的样品很大程度上保留了原始的海水信号。由此，本研究提出了在F-F界限前后海水δ⁷Li值经历了从11.8±1.4‰到13.8±1.4‰的快速升高和恢复过程，整个过程发生在0.4 Ma以内的研究结论。结合海水Li同位素盒子模型与蒙特卡洛模拟，本研究认为泥盆纪相比当前海水值（~31‰）较低的δ⁷Li值主要是由于较低的河流水δ⁷Li值和海洋沉积过程中较小的Li同位素分馏导致的，而大陆风化向不一致风化的转变是导致海水δ⁷Li值正漂移的根本原因。

图1两个剖面同位素组成变化与生物多样性之间的关系。

伴随着海水δ⁷Li值的变化，生物多样性发生了明显的降低（图1），说明以海水δ⁷Li值波动为代表的地表环境变化与生物灭绝事件之间可能存在一定的因果关系。综合对比后，本研究提出大陆风化类型的转变是由全球快速变冷导致的，泥盆纪晚期的全球变冷也得到了两个剖面的牙形石O同位素记录的支持（图1）。

除了对地表Li循环的影响，全球变冷同样对海洋环境产生了重要影响，其减弱了海水分层，有利于底层海水的上涌，使表层海水的初级生产力提高，最终导致了大量有机碳的埋藏，形成全球范围内广泛出现的Kellwasser页岩，并使碳酸盐的C同位素呈现明显的正漂移（图2）。此外，全球快速变冷会对生物圈产生致命影响，那些对温度变化适应能力差的物种经历了大尺度的灭绝，而这种选择性的物种灭绝也是F-F生物灭绝的主要特征。总的来说，本研究表明由于地球轨道变化导致的全球快速变冷是泥盆纪晚期F-F生物灭绝的主要原因。

图2 泥盆纪F-F界限附近由于全球变冷导致的地表环境变化及海水C-Li同位素响应。 

本文第一作者为中国科学技术大学特任副研究员王洋洋，通讯作者为中国科学技术大学肖益林教授和中科院南京地质古生物研究所陈波研究员，该项工作受到国家自然科学基金（42073003，42230304，42273003，42272025）以及中科院战略重点研究计划（B）项目（XDB41000000, XDB26000000）的联合资助。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.gloplacha.2023.104284