王浩哲等-CEE：晚寒武世SPICE事件期间生物灭绝与更替受到沉积环境控制

晚寒武世SPICE事件（Steptoean正碳同位素漂移事件，发生在497-494 Ma）是地质历史时期全球最大碳循环扰动之一，与浅海生物灭绝、深海浮游生物革命性转变以及上寒武统烃源岩的发育密切相关。其中在苗岭世末期（end-Miaolingian）曾发生过一次生物灭绝事件（也称为Marjuman末期生物灭绝事件），也是晚寒武世重要的生物事件。然而，目前对晚寒武世浅海生物灭绝和深海浮游生物革命的发生过程仍不清楚，不同沉积相环境下海洋生物对SPICE事件的响应也缺乏对比研究，这一定程度上也影响了对上寒武统烃源岩发育的预测。

针对这一科学问题，中国科学院广州地球化学研究所有机地球化学国家重点实验室王浩哲博士（现为广州海洋地质调查局工程师）在廖泽文研究员和程斌副研究员的指导下，对塔里木盆地不同沉积相钻井样品的高分辨率δ¹⁸O_carb、δ¹³C_carb和δ¹³C_org数据进行了系统研究（图1）。研究团队在寒武系苗岭统顶部浅水相（舒探1井、中深1井）和过渡相（轮探1井、英东2井）地层发现了显著的δ¹³C_org负偏以及δ¹³C_carb负偏，而深水相（塔东2井、雅尔当山剖面）地层并没有发现δ¹³C负偏，表明浅海沉积环境记录了苗岭世末期（Marjuman末期）生物灭绝事件。在寒武系芙蓉统浅水相（如舒探1井、中深1井）和深水相（如雅尔当山剖面）地层均记录了1次δ¹³C正偏（即SPICE），而过渡相地层（如轮探1井、英东2井）记录了2次δ¹³C正偏，可能代表了浅水和深水相地层记录的碳同位素混合信号。该研究结果表明晚寒武世浅海和深海环境中生物演化具有不同步性，揭示了海水深度梯度对生物灭绝与更替的控制作用。

图1. 塔里木盆地不同剖面中具有不同沉积相的同步正δ¹³C_carb和δ¹³C_org正向变化的关联与对比。

(a)古海洋环境及本研究涉及的钻井和露头剖面的大致位置，包括舒探1井（ST1井）、轮探1井（LT1井）、塔东2井（TD2井）、中深1井（ZS1井）、英东2井（YD2井）以及雅尔当山（YEDS）剖面。(b) SPICE事件期间同步但幅度不同的正碳同位素异常的关联。j代表SPICE事件之前的阶段，对应苗岭末期生物灭绝事件；k表示发生在SPICE事件期间的阶段，与浮游生物革命的第二阶段相关。

研究团队前期在塔里木盆地英东2井和中深1井上寒武统沉积地层SPICE事件期间，发现有机/无机稳定碳同位素协同正向漂移的同时伴随有一次有机质稳定氢同位素组成（δD_org）的负向漂移，提出该事件期间pCO₂逐渐降低，同时pO₂突然增加可能会诱发一些浮游生物通过CCMs（CO₂ Concentrating Mechanisms）机制利用海水中HCO₃^–（富集¹³C、亏损²H）进行光合作用合成有机质，从而导致耦合的同位素变化特征（δ¹³C_carb /δ¹³C_org/δD_org）（Wang, HZ, 2022, PPP; Wang HZ, 2023, MPG）。

   本次研究对更多的钻井样品分析结果进行了比较后发现，在寒武纪苗岭世末期，深部缺氧水体上涌可能导致了浅水区域部分浮游生物（the Crepicephalus zone fauna）灭绝。到了寒武纪芙蓉世时期，浮游生物为适应大气CO₂浓度逐渐降低的极端环境而调整了碳源获取方式，即通过获取海水中HCO^3-（即CO₂浓缩机制，CCM）来维持生命活动和初级生产力。随着具备CCM光合作用机制的浮游生物从深水向浅水扩展，浅水区的浮游生物（the Coosella perplexa subzone fauna）逐渐被深水区的浮游生物（the Aphelaspis zone fauna）所替代（图2）。浮游生物细胞内CCM机制的出现，在晚寒武世浮游生物革命中发挥重要作用，同时也导致了不同沉积环境下沉积有机质的差异性富集保存。这些发现不仅深化了我们对晚寒武世海洋生态系统动态的理解，也有助于理解塔里木盆地上寒武统海相烃源岩的发育与有机质富集机制。

图2. 与晚寒武世SPICE事件相关的生物灭绝和更替的生物地球化学响应。(a) 在SPICE事件之前，即Miaolingian末灭绝阶段的示意性相态模型（第一阶段），对应于SPICE前初始的负δ¹³C偏移。浅海区域浮游生物的灭绝可能与环境变化有关，如海平面下降导致的栖息地面积减少，或是深部缺氧富¹²C的水上升。这些水的¹²C富集可能源于甲烷的氧化，这些甲烷从沉积物中分解后释放，并与其他有机物质一起，包括溶解有机碳，在上升流过程中转化为CO₂。第二阶段：示意性相态模型，展示了浮游光合生物诱发CO₂浓缩机制（CCM）在控制SPICE事件在多种沉积环境中不同响应方面的作用，在浮游生物革命期间。(b) 从SPICE开始至最大值的δ¹³C_carb值范围（SPICE上升肢；左侧y轴）以及SPICE上升肢所对应的地层厚度（右侧y轴）。(c) 塔里木盆地东西向沉积相在SPICE事件期间的差异，以及由此产生的海洋生化条件和氧化还原条件的变化。PZE：光照区缺氧硫化。(d) 在SPICE事件期间，由于pCO₂减少和pO₂增加，浮游植物利用CCM的情况。

该研究成果近期发表于Nature旗下综合期刊《Communications Earth & Environment》。本项研究得到多圈层作用油气富集理论项目（THEMSIE04010104）与国家自然科学基金面上项目（42072145，42272144）的共同资助。

论文信息：Haozhe Wang (王浩哲), Haizu Zhang (张海祖), Yiman Zhang (张义曼), Bin Cheng* (程斌), Qian Deng (邓倩),Guanyu Zhao (赵冠宇), Zewen Liao* (廖泽文), 2024. Sedimentary facies controlled biogeochemical process of biotic extinction and turnover across the Cambrian SPICE event. Communications Earth & Environment, 5:683. https://doi.org/10.1038/s43247-024-01856-z

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s43247-024-01856-z?utm_source=rct_congratemailt&utm_medium=email&utm_campaign=oa_20241108&utm_content=10.1038/s43247-024-01856-z 

参考文献：

1．Wang H Z, Deng Q, Cheng B, Zhang H Z, Liao Z W, Peng P A. Synchronous positive δ¹³Ccarb and δ¹³Corg excursions during 497–494 Ma: From a CO2 concentrating mechanism dominated photosynthesis? Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology, 2022, 602: 111160.

2．Wang H Z, Zhao G Y, Cheng B, Zhang H Z, Liao Z W. Molecular record of the SPICE event in well YD2, Tarim Basin: Insights from catalytic hydropyrolysis of kerogens. Marine and Petroleum Geology, 2023, 148: 106038.