奥陶纪生物大辐射：地球环境变迁的秘密
奥陶纪生物大辐射：地球环境变迁的秘密
列夕动物群揭示奥陶纪生物大辐射早期面貌
2022年，中国科学院南京地质古生物研究所黄迪颖研究员团队在湖南永顺发现了早奥陶世特异埋藏化石库——列夕动物群，这一发现为揭示奥陶纪生物大辐射的早期面貌提供了重要线索。
列夕动物群产出于湖南省永顺县列夕乡，化石出自下奥陶统马刀堉组上部的钙质泥岩中。根据牙形刺和笔石生物组合判断，该动物群的时代为距今4.75亿年的早奥陶世弗洛阶中期，比奥陶纪生物大辐射的主幕早约5~10个百万年。
列夕动物群中已发现环节动物、节肢动物、海绵动物、棘皮动物、鳃曳动物、刺胞动物、软件动物、腕足动物、苔藓动物、半索动物和脊索动物11个生物门类。其中，化石类群以古蠕虫类和三叶虫丰度最高。古蠕虫类大部分以软躯体型式保存，保留了部分解剖结构，如消化道等。此外，棘皮动物、海绵动物、多毛类等也有新的类群发现，值得进一步深入研究。
列夕动物群还保存了多种生态位的生物类群，包括内底栖、底栖固着、底栖游移、游泳和漂浮等类型，反映了一个复杂和完整的海洋生态系统。这些复杂的生物化石组合为从寒武纪动物群到古生代动物群的演替提供了新证据，有助于更好地揭示奥陶纪生物大辐射的早期面貌。
地球环境变迁影响生物多样性
奥陶纪生物大辐射（GOBE）是地球历史上最显著的生物多样性扩展事件之一，标志着海洋生物群落的立体化，是地球生命谱系繁盛的关键节点。然而，这一繁荣景象在中奥陶世达瑞威尔期达到顶峰后，生物多样性却急剧下降约50%。这一重大生物转折背后的驱动机制，尤其是与气候和海洋环境变化相关的生物灭绝原因，长期以来是地质学界关注的重点研究课题。
中国科学院地质与地球物理研究所副研究员刘牧团队通过沉积学、地球化学和地球系统模型的综合研究，揭示了透光带硫化（Photic-zone euxinia, PZE）的出现及海洋洋流异常循环在奥陶纪生物演化中的关键作用。
研究显示，达瑞威尔期（中奥陶世）中纬度海域经历了一系列海洋化学和气候动荡。在中-上奥陶纪过渡期，深水斜坡和盆地相沉积物显示出显著的海洋环境变化。塔里木地区的研究中，汞同位素分析揭示，中奥陶纪的斜坡-盆地相环境中曾多次发生PZE。PZE是指在海洋的透光层（通常位于海水深度小于200米深度）中，硫化氢（H2S）浓度显著升高的现象。透光层是阳光能够穿透的区域，支持光合作用，但在PZE下，这里的氧气含量大幅降低或几乎消失，形成了极度缺氧的环境，取而代之的是硫化氢。硫化氢作为一种有毒物质，出现在透光带这一海洋生物最为集中的栖息地区域，具有灾难性影响，特别是对依赖氧气生存的生物，会导致生物多样性的急剧下降。
此外，研究建立数值模型表明，约23%的大气汞可能因高浓度的溶解硫化氢而被封存于海洋沉积物中，这些有毒的金属元素从大气进入海水中，对浅海活跃的生物造成进一步的打击。
这种海洋化学的剧烈波动可能是导致达瑞威尔期生物多样性衰退的关键驱动因素。元素地球化学和地球系统模型显示，PZE的形成机制与气候变冷导致的上升流增强密切相关。中奥陶世时期，由于气候持续变冷，海洋不稳定性更为剧烈，冈瓦纳大陆西岸离散陆块受冷舌作用影响更加显著。高纬度地区的深部富营养缺氧冷水向低纬度华南、塔里木等地的表层海上涌，导致透光带浅海地区耗氧量大大提高，出现缺氧/硫化水体，沿岸最小含氧带面积显著扩张，进一步压缩了浅水生物的栖息环境，从而加速了生物多样性的下降。
最新科研进展
近期，中国科学院南京地质古生物研究所硕士研究生宋晨冉在研究员王伟和高级工程师关成国的指导下，应用黑色页岩铁组分和氧化还原敏感元素指标，系统分析了华南扬子地台陡山沱组黑色页岩的沉积环境、时空变化特征，及其所反映的古海洋氧化还原状态的演化趋势等。研究成果近期在线发表于国际期刊《前寒武纪研究》（Precambrian Research）。
研究发现，蓝田岩芯样品的铁组分数据显示扬子地台下扬子区的水体条件存在缺氧硫化和含氧氧化的阶段性交互变化，露头剖面样品则显示该区水体主要以缺氧铁化为主。总体上，埃迪卡拉纪早期下扬子区的古海洋普遍以缺氧环境为主，在下斜坡相伴有不稳定的缺氧硫化区域。对比岩芯样品和露头样品的铁组分差异，后期风化过程中黄铁矿组分的丢失可能会导致露头样品的铁组分数据落入指示缺氧铁化环境的范畴内。因此在实际工作中，使用岩芯样品铁组分数据来指示古海洋氧化还原条件更为可靠。
华南扬子地台14条不同沉积相区的铁组分数据表明，埃迪卡拉纪早期扬子地台古海洋环境在盆地尺度下以缺氧铁化环境为主，但在斜坡相尤其是下斜坡相则主要以缺氧硫化环境为主。而在埃迪卡拉纪中期的古海洋中，局限在斜坡相的缺氧硫化水体在扬子地台的分布范围发生显著扩张，缺氧硫化水体在斜坡相和盆地相均广泛分布，这可能与埃迪卡拉纪中期地球表生环境的氧化程度增强，大陆风化速率加剧，海洋中以陆源硫酸盐为主的氧化离子输入增加有关。
通过华南扬子地台14条不同沉积相区黑色页岩中的氧化还原敏感元素含量显示，沉积于埃迪卡拉纪早期黑色页岩中的RSEs总体含量较低，其均值接近于其上地壳含量；而沉积于埃迪卡拉纪中期黑色页岩中的RSEs平均含量较早期页岩有显著提升。碎屑岩中RSEs含量均值的变化很可能反映出从埃迪卡拉纪早期至中期海洋RSEs储库的增大。与铁组分的指示结果一致，RSEs含量变化也表明从埃迪卡拉纪早期到中期，地球表生环境的氧化程度逐渐升高。
研究还测量了扬子地台23条剖面陡山沱组的总有机碳含量（TOC），并结合陡山沱组沉积时期主要化石库的分布规律，发现TOC在扬子地台的空间分布与缺氧硫化水体的空间分布显著相关。在缺氧硫化水体分布较广的埃迪卡拉纪中期，黑色页岩中的TOC含量最高可达19.5%。结合前人研究，本研究认为有机质硫化作用可能对有机物质的埋藏和保存起到积极有利作用。同时，缺氧硫化水体也可能有助于埃迪卡拉纪宏体生物的特异埋藏过程。
结论
奥陶纪生物大辐射是地球历史上重要的生物演化事件，不仅表现为生物多样性的爆发，还涉及生态系统的复杂化和生物类群的更替。最新研究表明，这一过程受到地球环境变迁的显著影响，特别是气候变冷和海洋化学变化。通过研究这些古生物化石和沉积环境，科学家们正在逐步揭示地球生命演化的重要线索，为我们理解现代地球环境提供了重要参考。