寒武纪SPICE事件中古海水氧含量的下降驱动了三叶虫动物群的重大演替

晚寒武SPICE期间碳同位素铈异常、三叶虫动物多样性之间的相关性

古海水氧含量下降驱动三叶虫动物面貌在SPICE事件中发生重大演替

（化石网cnfossil.com）据中国科学院南京地质古生物研究所：近日，中国科学院南京地质古生物研究所地球-生命系统早期演化团队研究员朱茂炎、陈波，南京大学地球科学与工程学院副教授杨爱华，以及山东省地质科学院、河海大学、中国科学院海洋研究所、南非开普敦大学等国内外同行合作对华北地台寒武纪SPICE（Steptoean Positive Carbon Isotope Excursion）事件与动物的演化相关性进行了深入研究，发现寒武纪晚期SPICE事件期间海水的缺氧是驱动三叶虫动物面貌发生重要演替的原因。该成果于近期在线发表在著名国际地学期刊《地质学》（Geology）上。

SPICE事件发生在寒武纪中晚期之交（距今约4.95亿年前），以全球海水碳酸盐碳同位素值（δ13Ccarb）正漂移为主要特征（幅度~6‰ VPDB，持续时间约3个百万年），并伴随着硫同位素的同步正漂移，是显生宙历史上最显著的一次碳-硫循环耦合波动事件。

已有研究认为，SPICE事件的开始伴随着以三叶虫为代表的生物灭绝事件；SPICE事件结束后，随着有机碳和黄铁矿大规模埋藏，促进了大气中氧气含量的快速增加，可能为海洋生物在奥陶纪发生大辐射创造了条件。因此，SPICE事件被认为是寒武纪大爆发至奥陶纪生物大辐射之间最为关键的地质事件之一，备受学界关注。

然而，SPICE事件期间海水缺氧和生物灭绝之间的直接因果联系一直缺乏定量化石多样性证据的支持，尤其缺乏来自同一沉积盆地内高分辨率化石多样性数据和区域性氧化还原方面的证据。因此，精细刻画SPICE事件在不同区域发生过程，对揭示其与同期三叶虫动物灭绝事件之间因果关系及其全球普遍性规律有重要意义。

我国华北地台寒武纪地层出露良好，生物地层学，特别是三叶虫生物地层学研究程度高，是开展这一研究的理想地区。本次研究选取了华北地台浅水相山东九龙山剖面和相对深水相辽宁西山剖面，开展了系统的碳酸盐碳同位素和铈元素地球化学（铈是一种氧化还原敏感稀土元素，是重建盆地尺度的海洋氧化还原条件的重要指标，以Ce/Ce*表示）研究，并在此基础上重新厘定了整个华北地台从古丈阶到排碧阶界线附近三叶虫化石多样性数据。

结果显示，SPICE事件中碳同位素与铈异常数据存在紧密的耦合变化，随着碳循环波动开始，海水的含氧量明显下降，这一耦合变化可能与海平面下降导致的大陆风化和营养元素供应增加所推动的海洋初级生产力提高有关。大量新增有机碳的再矿化过程消耗海水中的氧气，从而导致了海水氧含量的下降。

通过分析三叶虫动物化石多样性数据，发现SPICE事件之前三叶虫动物属种以区域性分布的徳氏虫类为主；但随着碳同位素正漂移和海水氧含量下降，化石属种多样性并未发生明显变化，但三叶虫动物属种成分发生重大更替，徳氏虫类完全被斜坡栖息的三叶虫类（例如Fenguanella、Proceratopyge、Prochuaia和Paracoosia）所取代。该现象与在北美大陆发现的同期Marjumian末灭绝事件中三叶虫的演替模式相一致，即浅水栖息的三叶虫动物群被更加缺氧耐受的深水三叶虫动物群所替代，表明这种三叶虫动物演替是一种全球性现象。

研究首次清晰地揭示SPICE事件期间的局部生态压力对三叶虫动物集群演替造成了直接影响。值得一提的是，新的铈异常数据还表明，尽管海水含氧量下降，但并未降到完全缺氧状态（海水溶解氧含量 = 0），这一结果也很好地解释前人发现的矛盾，即在SPICE事件期间底栖动物群的大量出现与地球化学数据指示的海水完全缺氧之间冲突。

南京古生物所研究员陈吉涛、高级工程师吕苗、博士孙智新、博士胡春林参与了本项研究。

研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金等的资助。研究前期工作得到了山东省地质科学研究院的《山东省张夏-崮山地区台地相寒武系-奥陶系界线层型剖面研究》课题支持，研究所有实验分析工作均在南京古生物所公共技术实验中心完成。

论文相关信息：Aihua Yang, Bo Chen*, Zhixin Sun, Rosalie Tostevin, Tianchen He, Xi Chen, Jitao Chen, Miao Lu, Chunlin Hu, Shengxian Du, Jun Chen, Wenjun Jiao, Maoyan Zhu; Shallow ocean deoxygenation drove trilobite turnover during the late Cambrian SPICE event. Geology 2024; https://doi.org/10.1130/G52200.1.