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| NG：板塊運動(dòng)和生命演化共同控制顯生宙海洋氧化還原結構 |
| 來(lái)源： 發(fā)布日期：2023-10-28 |
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2023年10月26日，國際地學(xué)權威學(xué)術(shù)期刊Nature Geoscience在線(xiàn)發(fā)表了中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所王相力研究員與成都理工大學(xué)沉積與生物地球化學(xué)國際研究中心李超教授最新合作研究成果“Spatial Pattern of Marine Oxygenation Set by Tectonic and Ecological Drivers over the Phanerozoic”。王相力研究員為文章第一作者，李超教授和王相力研究員為共同通訊作者，美國辛辛那提大學(xué)和中國科學(xué)院南京地質(zhì)與古生物研究所的專(zhuān)家學(xué)者也參與了此項研究。 海洋溶解氧含量的變化深刻影響著(zhù)地球的元素生物地球化學(xué)循環(huán)和宜居性演化，但顯生宙以來(lái)（<~538 Ma）海洋氧化還原結構的時(shí)空演化趨勢及其驅動(dòng)機制仍很不清晰。該項研究利用大數據分析和機器學(xué)習方法，基于頁(yè)巖中微量金屬元素含量的變化，重建了顯生宙以來(lái)主要海洋沉積環(huán)境氧化還原結構近乎連續的時(shí)空演化記錄。
圖1 頁(yè)巖沉積環(huán)境示意圖。圖中灰色粗線(xiàn)代表細粒碎屑沉積物的大致位置。 基于現代海洋沉積環(huán)境（圖 1）細粒碎屑沉積物的氧化還原敏感元素濃度特征及其已知的氧化還原狀態(tài)，可創(chuàng )建能識別沉積環(huán)境的機器學(xué)習模型（分類(lèi)器）。本項研究測試了6萬(wàn)多種元素組合和兩種分類(lèi)器（隨機森林和K鄰近算法），發(fā)現兩種分類(lèi)器均能利用Fe-U-V有效地區分5種主要的沉積環(huán)境（隨機森林分類(lèi)器的分類(lèi)準確度見(jiàn)表1、圖 2）：長(cháng)期缺氧帶下方（本文用“缺氧帶”代指“海洋最小氧帶”）(Below Perennial Oxygen-Minimum Zone，下文稱(chēng)BPOMZ)；長(cháng)期缺氧帶中心（Core of Perennial Oxygen-Minimum Zone，下文稱(chēng)CPOMZ）；氧化環(huán)境（Normal Oxic Marine Settings，下文稱(chēng)Oxic）；長(cháng)期硫化盆地（Perennially Euxinic Basin，下文稱(chēng)P-Euxinic:）; 間歇性硫化盆地（Seasonally Euxinic Basin，下文稱(chēng) S-Euxinic）。將基于現代沉積環(huán)境的分類(lèi)器運用到深時(shí)樣品雖然會(huì )帶來(lái)一定的不確定性，但總體是合理的（詳細論證過(guò)程請參考文末的論文鏈接）。 表1 隨機森林機器學(xué)習分類(lèi)器區分現代沉積環(huán)境的準確度。N：現代細粒碎屑沉積物樣品個(gè)數；TPR：真陽(yáng)率；FPR：假陽(yáng)率；mean：20次蒙特卡洛模擬結果平均值；SEM：20次蒙特卡洛模擬結果的標準誤差（Standard Error of the Mean）。
圖2 混淆矩陣（Confusion Matrix）展示隨機森林分類(lèi)器準確度。 本項研究收集了來(lái)自全球434個(gè)巖石地層單位的14，677個(gè)深時(shí)頁(yè)巖樣品的微量元素濃度數據。這些數據在經(jīng)過(guò)一系列前處理流程后（異常數據過(guò)濾，時(shí)空分布不均矯正，元素濃度封閉效應矯正，Sadler效應矯正，儀器不確定性矯正），輸入訓練好的隨機森林分類(lèi)器，得到每個(gè)深時(shí)樣品的沉積環(huán)境分類(lèi)，并以地質(zhì)時(shí)間單位“世”為時(shí)間窗口計算各個(gè)沉積環(huán)境樣品的比例（F值；以CPOMZ為例）：
在利用細粒碎屑巖重建古海洋環(huán)境時(shí)，研究者通常把注意力集中在缺氧環(huán)境下形成的黑色頁(yè)巖上，而對氧化條件下形成的細粒碎屑沉積巖的樣品關(guān)注度不夠。因此，為了避免這種現象對計算F值造成影響，公式（1）中分母沒(méi)有使用NOxic。經(jīng)測試，使用或不使用NOxic不影響重建的時(shí)間演化趨勢。為了量化缺氧帶的缺氧程度/持續性，以及硫化盆地的硫化強度/持續性，分別定義F'CPOMZ和F'P-Euxinic（注意：區分F與F'）:
圖3 顯生宙各沉積環(huán)境頁(yè)巖樣品比例（a-f）與碳酸鹽巖I/Ca（g）、植物（h）以及海洋浮游生物（i）演化歷史對比。時(shí)間軸上的星標代表大滅絕事件。 重建結果顯示，顯生宙深部陸架區和硫化盆地的氧化還原狀態(tài)發(fā)生了系統性轉變（圖 3）。在千萬(wàn)-億年演化尺度上，深部陸架區的缺氧程度與洋殼增生速率（即構造活動(dòng)強度）和由構造活動(dòng)主導的海平面變化呈正相關(guān)關(guān)系（圖 4），說(shuō)明長(cháng)時(shí)間尺度上構造活動(dòng)強度可能是影響海洋氧化還原狀態(tài)的主要控制因素之一。構造活動(dòng)強度可通過(guò)多種方式影響海洋氧化還原狀態(tài)，例如洋流格局、溫室氣體排放、洋盆幾何形狀等。在更短時(shí)間尺度上，構造活動(dòng)強度與深部陸架區的缺氧程度的相關(guān)性減弱或消失（圖 4）。此外，在數百萬(wàn)年的演化尺度上，上層海水（< 200米，碳酸鹽巖I/Ca指標）與深部陸架-硫化盆地海水氧化還原狀態(tài)多次呈現反向變化特征；該特征與關(guān)鍵生命演化（例如古生代陸地植被擴張、中生代浮游生物革命）和超大陸聚合與裂解在時(shí)間上高度吻合（圖 3），指示構造和生態(tài)系統演化在數百萬(wàn)年尺度上對古海洋氧化還原狀態(tài)演化的重要影響。
圖4 洋殼增生速率、海平面與深部陸架區的缺氧程度的相關(guān)性。 本研究發(fā)現大氣氧含量（pO2）和深部陸架區海水氧含量在顯生宙存在普遍的解耦現象。從寒武紀至泥盆紀植物登陸前，海洋富含還原劑[主要為溶解有機物(DOM)，二價(jià)鐵離子(Fe2+)]，致使深部陸架區整體上仍處于缺氧狀態(tài)而不受大氣pO2影響（圖 5a、b）。泥盆紀植物登陸之后，海洋缺氧范圍收縮，穩定持久的海洋缺氧帶逐步出現（圖 5c）。此時(shí)，大氣pO2可對深部陸架區的缺氧程度施加影響，導致二者之間的負相關(guān)關(guān)系（圖 5a）。中生代硬質(zhì)殼體浮游生物革命的到來(lái)使得有機物能更快地到達深部，從而減輕淺水區的氧氣消耗但同時(shí)加重深水區的氧氣消耗（圖 5d）。因此，中新生代以來(lái)，盡管大氣氧濃度維持接近現代的高水平，深部陸架區的缺氧程度可在生產(chǎn)力的調控下發(fā)生劇烈的變化（圖 5a）。
圖5 深部陸架區缺氧程度控制模式的轉變。 a: 大氣氧濃度（pO2）與深部陸架區缺氧程度（F'CPOMZ）的相關(guān)性演化；b：泥盆紀植物登陸之前，陸架深部區氧化還原狀態(tài)被大量的還原物質(zhì)（DOM和Fe2+）緩沖在缺氧狀態(tài)；c：泥盆紀植物登陸以后，海洋缺氧范圍縮減，pO2可對深部陸架區缺氧程度施加影響；d：中生代浮游生物的出現加速有機物下沉，使得氧氣消耗從淺水區轉移至深水區。 海洋缺氧常被認為是海洋動(dòng)物滅絕的誘導因素之一。屬級海洋動(dòng)物背景滅絕率（GERMA；不包括大滅絕事件的滅絕率）與深部陸架區的缺氧程度存在兩種截然不同的相關(guān)性（圖 6）。在低海平面期間（170–300 Ma），二者是負相關(guān)關(guān)系（不符合預期），而在其他時(shí)間段是正相關(guān)關(guān)系（符合預期）。因此，導致低海平面時(shí)期高背景滅絕率的因素不是海洋缺氧，而是其他因素（例如棲息地丟失、溫度變化的速率等）。此外，典型的顯生宙大滅絕事件發(fā)生的時(shí)間節點(diǎn)均伴隨有深部陸架區-硫化盆地氧化還原結構的顯著(zhù)擾動(dòng)（圖 3）。
圖6 屬級海洋動(dòng)物背景滅絕率（GERMA；不包括大滅絕事件的滅絕率）與深部陸架區的缺氧程度的相關(guān)性分析。圖b中的數據來(lái)自對圖a中的LOWESS區間的隨機采樣；圖c中的柱狀圖表示1000次隨機采樣獲得的Pearson相關(guān)系數和P值分布。 本研究受?chē)易匀豢茖W(xué)基金（41888101, 42293293, 41921002, 41821001, 41825019, 42130208）、國家重點(diǎn)研發(fā)計劃（2022YFF0800100，2020YFA0607700）和111項目（BP0820004）的資助。 論文信息（*為通訊作者）： Xiangli Wang*, Thomas J. Algeo, Chao Li*, Maoyan Zhu. 2023. Spatial pattern of marine oxygenation set by tectonic and ecological drivers over the Phanerozoic. Nature Geoscience. https://doi.org/10.1038/s41561-023-01296-y |
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