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日期：2025-11-03 来源： 地球科学部 作者： 肖军 郑袁明
图 （A）晚古生代石炭纪早期海相碳酸盐碳、钡和铀同位素组成；（B）古新世-始新世极热事件前后海相碳酸盐和碎屑岩碳、锂、铀同位素及有孔虫氮同位素组成
深时极端气候的驱动机制及其对全球环境的影响能够为深入了解全球变化提供重要理论参考。晚古生代大冰期和古新世-始新世极热事件是地球显生宙以来最为显著的两次极端气候时期，分别代表了地球冰室和极热气候的发生，对早期动物多样性的演化有着深远的影响。然而这两次气候背景下的环境响应和气候变化机制仍缺乏系统性定量研究。
在国家自然科学基金项目（批准号：42322304、42073002、42293280、42373056）等资助下，南京大学张飞飞教授、魏广祎副教授等与国内外学者合作以海相沉积地层为研究对象，综合非传统金属稳定同位素和中等复杂程度的地球系统模型，分别对晚古生代大冰期起始时期（距今约3.5亿年）和古新世-始新世极热事件（距今约5500万年）两次不同类型的气候转折事件的驱动机制和环境响应开展了定量研究。研究成果分别以“增强的海洋生物泵驱动晚古生代大冰期的开始（Enhanced marine biological pump as a trigger for the onset of the late Paleozoic ice age）”为题于2025年7月2日发表于《科学·进展》（Science Advances）、以“大陆风化状态改变抑制了古新世-始新世极热事件海洋缺氧的发生（Changes in continental weathering regimes inhibited global marine deoxygenation during the Paleocene-Eocene thermal maximum）”为题于2025年10月15日发表于《自然·通讯》（Nature Communications）。论文链接分别为https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC12219544和https://doi.org/10.1038/s41467-025-64217-0。
研究团队通过开发金属稳定同位素联合示踪指标，并将钡、锂、铀等关键金属同位素体系与中等复杂程度的地球系统模型cGENIE深度耦合，系统重建了两次极端气候背景下海洋生物碳泵和大陆硅酸盐风化的响应，定量阐明了不同环境因素对于海洋环境和气候条件的作用机制。研究发现，晚古生代大冰期之前海相碳酸盐岩出现显著的无机碳同位素和钡同位素正漂移（图A），指示海洋输出生产力的大幅增加，同时出现的极负铀同位素组成代表了全球海洋缺氧的发生。模拟结果表明，这一时期海洋输出生产力增强了约30%，海洋生物碳泵的增强造成海洋缺氧的发生并提高了有机碳的埋藏，最终驱动了全球气候从温室向冰室的转换。而在古新世-始新世极热事件发生时，碳酸盐和碎屑岩均出现锂同位素的负漂移（图B），指示全球大陆整体风化强度降低，但陆地古老沉积岩的剥蚀和再风化增强，这一风化状态的改变减弱了营养物质磷等向海洋的输入效率。模拟结果表明，在古新世-始新世极热事件发生时海洋输出生产力明显降低，减少了有机碳再矿化过程对海水中溶解氧的消耗，抑制了全球海洋大幅度缺氧的发生，这与同时期碳酸盐铀同位素和有孔虫氮同位素重建的海洋氧化还原变化结果完全一致（图B）。
以上研究通过同位素数据与数值模型深度耦合，定量评估了不同气候背景下的环境响应及其机制，阐明了大陆风化、海洋生产力和氧化还原状态在不同气候变化下的反馈模式，为科学评估当今全球气候-环境变化规律提供“深时”参考，也为系统模拟古气候和古环境变化提供了创新范例。 | 
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