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。在中奥陶世达瑞威尔期，GOBE迅速达到顶峰，随后生物多样性急剧下降约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，联合中国科学院地球化学研究所副研究员袁巍及中国地质调查局南京中心高级工程师方朝刚等国内外专家，通过沉积学、地球化学和地球系统模型的综合研究，对华南和塔里木地区中奥陶统碳酸盐岩和黑色页岩进行了深入分析。这一研究为解开奥陶纪生物大辐射结束的谜团提供了来自塔里木和华南地区的重要证据，并揭示了透光带硫化（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。
来自塔里木和华南地区的证据表明，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，这一不稳定性可能对海洋生物多样性产生了深远影响。尤其在中-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。在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(图1)。GOBE时期，全球生物辐射和衰退速度出现了不同步的现象，研究报道的数据以及地球系统模型工作显示，PZE在中晚奥陶世时期主要集中在华南和塔里木地区（图2）。这一现象反映了全球气候和海洋化学不稳定性和不均一性的特点，揭示了冈瓦纳西缘地区GOBE提前终结的原因。
图1 中奥陶世达瑞威尔期华南和塔里木地区透光带硫化现象（photic-zone euxinia, PZE）形成的古海洋模型和汞同位素通量计算模型示意图
图2 cGENIE模型下显示的中晚奥陶世转折期间，不同大气pCO2水平下表层海水（深度127.55米）中H2S浓度的全球分布（PAL：当前大气水平）
