中生代海洋缺氧事件，是什么引起海洋生物的大灭绝？新的研究解释

在地球历史上，海洋曾多次遭遇全球性的海洋缺氧事件，在这些事件中，海水中的氧气被大量消耗，导致海洋生物大规模死亡，甚至引发物种灭绝，最著名的例子就是1.83亿年前侏罗纪早期托阿尔期海洋缺氧事件，当时约70%的底栖海洋生物消失。

长期以来，研究认为海洋缺氧事件跟超级火山喷发释放巨量CO₂导致海洋缺氧，但最近的一项研究，提出了一个新的观点，大陆分裂和洋中脊的形成，可能才是海洋缺氧事件的关键原因。

海洋缺氧事件地球化学

海洋缺氧事件是指海洋中溶解氧含量急剧下降，甚至出现大面积无氧状态的地质时期。当缺氧程度加剧时，硫酸盐还原细菌会大量繁殖，产生硫化氢，导致水体变为硫化环境，这种环境下，沉积物中会形成富含有机质的黑色页岩，同时全球碳、氮、硫等元素的循环也会发生显著改变。

早在约1.83亿年前，侏罗纪早期的托阿尔期事件，此后在约1.2亿年前阿普特期事件、约1.11亿年前阿尔布期事件、约9300万年前森诺曼-土伦期事件，这些时间都沉积了对应的页岩。研究重点分析了这4大海洋缺氧事件，指出海洋缺氧事件的核心驱动力是全球气温的急剧上升，而这一升温主要与火山活动释放的二氧化碳或甲烷有关。

比如，阿普特期海洋缺氧事件与太平洋翁通爪哇大火成岩省的喷发同步；森诺曼-土伦期海洋缺氧事件可能与加勒比大火成岩省的活动相关；托阿尔期海洋缺氧事件则与南半球卡鲁-费拉尔大陆裂谷的玄武岩喷发吻合。

由于火山活动释放的CO₂导致温室效应加剧，进而引发水文循环加速，升温使蒸发增强，大陆风化率提高，河流向海洋输送的营养物质加，营养盐的输入刺激又会导致藻类等浮游生物大量繁殖，有机质产量激增，降解这些有机质又会消耗水体中的溶解氧，最终导致缺氧甚至硫化环境。

通过同位研究发现，海洋缺氧事件期间，海洋和陆地生态系统的碳同位素δ¹³C会出现显著波动。例如，在森诺曼-土伦期海洋缺氧事件期间，碳酸盐的δ¹³C值上升约2‰，反映有机碳埋藏量增加。而氧同位素δ¹⁸O研究显示，北大西洋表层水温升至35–36°C，比现在的25–28°C高了近10度，而且赤道与极地的温差也变小，仅差约10°C，而现代差距约30°C。

图：展示了海洋大气事件（OAE）特有的多种地球化学过程

火山活动通过排放温室气体引发全球变暖；二氧化碳和二氧化硫溶解导致海洋酸化加剧，进而导致碳酸盐溶解增加；而由底层水和下伏沉积堆变暖和/或同沉积断层作用引发的天然气水合物释放甲烷，导致海水和大气温度进一步升高。随着流入海洋的营养物质增加，水文循环加速；上升流增强，有机生产力也随之增强。正如OAE早期阶段所示，氧气消耗已发展到反硝化作用和厌氧氨氧化过程减少硝酸盐和亚硝酸盐的程度，导致一氧化二氮（一种会进一步促进全球变暖的强效温室气体）和单质氮从海洋中流失。随着缺氧条件的蔓延，底栖生物被排除在海底之外，富含有机质的沉积物从生物扰动状态转变为层状状态（富含鱼类残骸）。锰以早期成岩碳酸盐相的形式固定在海底或海底以下；铁以黄铁矿的形式固定在海底以下。图中所示的碳同位素剖面显示了全球碳埋藏量增加的影响，导致δ13C正向偏移，但被同位素负的甲烷及其氧化产物二氧化碳的输入引起的负向偏移所打断。

大陆分裂和洋中脊可能才是海洋缺氧事件的关键机制

上述的研究说，海洋缺氧事件跟火山喷发息息相关。但问题是火山喷发的年龄误差可达±100万年，而海洋缺氧事件通常只持续约150万年，难以精确匹配，而且，火山岩风化释放磷的峰值可能滞后3500万~5000万年，而海洋缺氧事件往往在火山喷发后迅速发生等，不仅如此，海洋生物生长可能存在磷限制，火山直接释放的磷是否足以引发全球性缺氧，如果没有，是否还有其他机制提供了额外的磷导致的海洋缺氧事件呢？

研究团队发现，中生代海洋缺氧事件的高发期1.83亿–8500万年前恰好是超级大陆盘古大陆和冈瓦纳大陆剧烈分裂的时期，当大陆裂开，新的大洋开始形成，这一过程会暴露大量新鲜的玄武岩，而玄武岩是一种富含磷的火山岩。

具体是这样吗？研究团队利用GPlates软件模拟中生代大陆裂解和洋中脊形成，并计算了新生洋中脊玄武岩风化释放的磷，以及南非卡鲁玄武岩剥蚀速率，估算了海洋磷通量，并通过模型预测了磷输入对海洋氧含量的影响

研究发现，新生洋中脊与海水剧烈反应，快速释放磷，这一过程每年可向海洋输入3×10¹⁰摩尔的磷，相当于现代所有河流输入的75%；基于南非卡鲁玄武岩剥蚀速率估算磷通量3×10¹⁰ mol每年。两者叠加，磷的总输入量可达6×10¹⁰摩尔/年，远超现代水平。

磷是海洋生物（如藻类）生长的关键营养元素。一旦大量磷进入海洋，会发生以下连锁反应。浮游植物开始疯狂繁殖，然后疯狂繁殖的浮游植物等死后沉入深海，细菌分解它们时消耗大量氧气，而氧气缺失可使沉积物中的磷更容易释放，进一步加剧藻类繁殖，形成一个恶性循环。

模型模拟显示，这样的磷输入可使全球海洋的平均氧气浓度下降30%，导致海底缺氧面积从0.3%扩大到4%，这与地质记录中海洋缺氧事件期间1%–10%的海底缺氧估算一致。

研究通过同位素进行了验证，在海洋缺氧事件期间，海水锇同位素¹⁸⁷Os/¹⁸⁸Os比值突然降低，表明大量玄武岩风化输入；而藻类爆发会导致沉积物中碳同位素δ¹³C升高，而火山CO₂可能引发负漂移，两者混合解释了海洋缺氧事件的复杂碳同位素记录。

这项研究并非否定火山的作用，而是提出火山+风化的双重驱动。在短期数万年内，火山喷发CO₂，引发变暖，加速风化；而长期，大陆分裂和洋中脊形成提供持续磷输入，维持缺氧状态，这种组合也解释了时间南移精准匹配的问题。

图：海洋缺氧事件沉积矿床的全球分布和板块边界特征

a、b、板块构造重建（方法）显示了主要的古地理特征、MOR 和暴露的大型火成岩省，以及距今约 183~182 Ma 的托阿尔阶 OAE（OAE 遗址来自参考文献49及其中的参考文献）( a ) 和距今约 90 Ma 的土伦阶 OAE（OAE 遗址来自参考文献50及其中的参考文献）( b ) 中 OAE 相关序列的大致分布。请注意，浅海包括陆缘海道，包括北美西部内陆海道。CIE，碳同位素偏移；HALIP，高北极大火成岩省。

❓思考题：海洋缺氧事件的主要表现是？

A.海水变成红色
B.海洋大面积缺氧，生物大量死亡
C.海平面迅速上升
D.海洋温度骤降

参考文献：T. M. Gernon, B. J. W. Mills, T. K. Hincks, A. S. Merdith, L. J. Alcott, E. J. Rohling, M. R. Palmer. Solid Earth forcing of Mesozoic oceanic anoxic events. Nature Geoscience, 2024; DOI: 10.1038/s41561-024-01496-0