2024年11月14日，国际著名地学期刊Global and Planetary Change上发表了成都理工大学沉积与生物地球化学国际研究中心李超教授团队陈文汉研究员最新研究成果“Widespread upper-ocean deoxygenation in the Alpine-Mediterranean Tethys during the Toarcian Oceanic Anoxic Event”。陈文汉研究员为论文第一作者和通讯作者，李超教授为共同通讯作者。参与此项研究工作的还有中国地质大学（武汉）David B. Kemp教授、英国牛津大学Hugh C. Jenkyns教授和Stuart A. Robinson副教授、中国地质大学（武汉）姜守一博士生、成都理工大学潘成荣本科生等国内外专家学者。

研究背景

早侏罗世托阿尔阶（约183百万年前）地球系统经历了一次剧烈的碳循环和气候环境扰动，其标志性特征为大规模的碳释放（碳同位素负偏达~3-8‰，N-CIE），以及由此引发的全球变暖现象。这一剧变加速了全球水循环和陆地风化作用，导致全球海平面快速上升，并引发大洋酸化和脱氧现象，进而导致海洋生物更替与大规模灭绝。基于富有机质黑色页岩全球广泛分布的特征，地质学家将该时期命名为托阿尔阶大洋缺氧事件（T-OAE），并将N-CIE作为识别该事件的重要地层标志。虽然T-OAE时期全球性的海洋缺氧面积扩张已得到初步验证，但现有研究所依赖的地球化学指标和沉积观察往往反映底水和/或孔隙水的氧化还原状态，对海洋上层水体中氧含量的变化缺乏精确的限定。此外，现有研究区集中在水体高度受限的欧洲西北部陆缘海（EES；图1A），区域地形阻隔可能放大了区域缺氧信号，而对水体连通性更好的EES外部区域海水溶解氧含量的变化缺乏足够的认识。上述问题不利于我们全面认识T-OAE时期海洋溶解氧的空间演化特征，及其与生物更替之间的潜在联系。为填补上述研究空白，本文以水体连通性相对较好的西北特提斯洋阿尔卑斯-地中海区域一条浅水台地和一条深水盆地碳酸盐岩沉积记录为研究对象（图1A和1B），利用碘/钙和铈异常指标重建了T-OAE时期EES区域之外海洋上层水体的氧化还原特征（图2）。

图1.  (A) 早侏罗世西特提斯洋古地理图. 黄色和红色五角星为本研究站点的古地理位置. (B) 早侏罗世阿尔卑斯南部地垒-地堑结构示意图. 黄色五角星对应盆地沉积环境的Dogna钻孔，红色五角星对应台地沉积环境的Colma di Malcesine剖面

碳酸盐岩碘/钙和铈异常记录分析

海洋中碘（I）主要以IO₃-和I-两种热力学稳定的组分存在，其行为受海水氧化还原条件的显著影响。具体来讲，氧化条件下海水中的I主要以IO₃-形式存在。现代氧化大洋中I的居留时间（约300千年）远高于海水的交换时间（约1.5千年），因而海水中IO₃^-浓度整体稳定（0.45μmol/L）。而在低氧条件下，诸如最小含氧带区域（OMZ），IO₃-会被还原成I-而使得IO₃-浓度显著下降。在碳酸盐矿物结晶过程中，仅有IO₃-可以取代CO₃2-进入碳酸盐晶格，因而可以通过测试碳酸盐岩中的碘浓度来反映碳酸盐沉淀时周围水体（通常是上层水体）IO₃^-的浓度，进而反映区域水体氧含量的变化特征。此外，海水中三价态铈（Ce）很容易被氧化成不溶的四价态Ce，进而吸附在锰氧化物矿物表面在沉积物中积累。该过程使得海洋中Ce相较于其相邻稀土元素呈现明显的负异常特征。相反，在锰化缺氧条件下，沉积物中锰氧化物经历还原性溶解，矿物表面吸附的Ce会释放进入海水中，使得海水中Ce呈现正异常特征。基于上述原理，前人常用碘/钙和铈异常指标反映区域上层海水溶解氧含量的变化特征。

本研究发现，两个研究区碘/钙比值在T-OAE N-CIE开始时均出现显著的下降（图2D 和2I），同时伴随着铈异常的正偏（图2E 和 2J）。这种同步的海洋I匮乏和Ce富集特征表明，西北特提斯洋阿尔卑斯-地中海区域上层水体出现了广泛而显著的脱氧现象。T-OAE时期全球变暖导致洋流循环减弱，加之水循环和陆地风化增强带来更多的营养物质，刺激了海洋初级生产力，这些过程导致OMZ扩张，进而诱发了广泛的上层水脱氧。此外，T-OAE N-CIE开始时，研究区游泳型生物和底栖生物均出现明显更替。这种区域缺氧发育与生物更替在时间上的一致性暗示了二者间潜在的因果关系，即海洋溶解氧含量的下降会增大生态压力，限制海洋生物宜居栖息地的空间范围，进而对生物生存繁衍产生直接威胁。

图2. 研究站点岩性、古生物地层信息及地球化学数据

科学意义

通过这项研究，我们得以重建在T-OAE期间巨量碳释放和全球变暖的背景下，海洋表层水体氧含量变化的特征及其对区域生物更替的影响。这一成果不仅提升了我们对T-OAE期间海洋生态系统响应的理解，也为未来全球变暖背景下海洋生态环境的可能响应提供了一定的参考。

该项研究受国家自然科学基金项目（Grant No. 42302119, 42488201）、成都理工大学领军创新团队项目及国家重点研发计划项目（2023YFF0804000）的资助。

论文信息（*为通讯作者）：

Chen, W.,* Kemp, D.B., Jenkyns, H.C., Robinson, S.A., Jiang, S., Pan, C., Li, C.,* 2024. Widespread upper-ocean deoxygenation in the Alpine-Mediterranean Tethys during the Toarcian Oceanic Anoxic Event. Global and Planetary Change, 243, 104631. https://doi.org/10.1016/j.gloplacha.2024.104631