晚古生代冰期启动的触发机制：增强的海洋生物泵作用解析

为揭示晚古生代冰期（LPIA）的触发机制，研究人员通过分析美国Antler前陆盆地石灰岩的钡同位素（δ138Ba）和碳同位素（δ13Ccarb），结合地球系统模型（cGENIE），发现中Tournaisian碳同位素正漂移（TICE）期间海洋输出生产力显著提升30%，驱动有机碳埋藏增加和全球气候变冷。该研究首次直接证实了海洋生物泵增强对LPIA的贡献，为理解古气候转型与碳循环耦合机制提供了新视角。

　　

地球历史上最剧烈的气候转型之一——晚古生代冰期（LPIA）的启动机制，一直是古气候学领域的未解之谜。这场持续数千万年的冰期，将地球从泥盆纪的"温室"状态拖入石炭纪的"冰室"世界，但其触发因素众说纷纭。中Tournaisian碳同位素正漂移（TICE）作为晚古生代最大碳同位素异常事件（δ¹³C_carb达+7‰），被认为与LPIA的启动密切相关。传统观点认为有机碳埋藏增加导致大气CO₂（pCO₂）下降是主因，但缺乏直接证据证明海洋生产力变化的关键作用。

南京大学的研究团队独辟蹊径，选择美国内华达州Pahranagat Range（PR）和蒙大拿州Sacagawea Peak（SP）两处相距1300公里的Antler前陆盆地剖面，对Tournaisian期石灰岩开展高分辨率钡同位素（δ¹³⁸Ba）分析。钡同位素作为新兴指标，能直接反映海洋输出生产力变化：当生物泵增强时，表层海水δ¹³⁸Ba因轻同位素优先进入沉降的有机颗粒而升高；而当缺氧扩大时，海底重晶石溶解会释放轻同位素导致δ¹³⁸Ba降低。

研究团队创新性地将地质记录与地球系统模型（cGENIE）模拟结合，通过47个PR样本和30个SP样本的δ¹³⁸Ba、δ¹³C_carb和氧化还原敏感元素测试，重建了TICE事件完整的四阶段演化史。阶段I（生产力上升期）δ¹³⁸Ba从-0.15‰跃升至0.68‰，对应δ¹³C_carb上升，反映生物泵增强；阶段II（缺氧扩张期）δ¹³⁸Ba骤降至-0.08‰，伴随铀同位素（δ²³⁸U）负漂移，指示海底缺氧扩大；阶段III（恢复期）δ¹³⁸Ba反弹至1.12‰的历史峰值；阶段IV（稳定期）保持高δ¹³⁸Ba值。两剖面趋势一致但绝对值差异（PR变化幅度达1.27‰，SP仅0.4‰），揭示生物泵强度存在区域差异。

cGENIE模型定量重建显示，全球海洋输出生产力需增加30%才能解释观测到的δ¹³⁸Ba变化。模拟轨迹显示：当大气pCO₂从8倍现代值降至2倍，同时海洋磷酸盐浓度（[PO₄]）从1.2倍增至1.6倍时，全球海底缺氧面积从现代水平扩至32%，PR区域生产力提升60%。海平面上升导致的局部水深增加（从120米至350米）是PR剖面阶段II出现缺氧的关键。

这项发表于《SCIENCE ADVANCES》的研究，首次通过δ¹³⁸Ba直接证实了Tournaisian期海洋生物泵增强驱动有机碳埋藏的核心机制。其重要意义在于：

1. 揭示了生产力驱动的碳循环扰动是LPIA启动的关键触发器
2. 提出缺氧扩张与生产力提升的"正反馈循环"：生物泵增强→缺氧扩大→磷再生→进一步刺激生产力
3. 解释了早石炭世海洋生物多样性长期低迷的原因——持续20Myr的动态海洋环境（生产力波动+反复缺氧）
4. 建立了钡同位素-铀同位素-碳同位素的多指标耦合解析框架

该研究不仅解决了古气候学领域关于LPIA触发机制的长期争议，更创新性地将新兴同位素体系与地球系统建模结合，为理解地质历史期碳循环-气候-生命系统的协同演化提供了范式。特别值得注意的是，Tournaisian期冷却驱动的缺氧事件（与多数中生代缺氧事件受控于变暖相反）暗示了古生代海洋响应气候变化的独特性，这对预测当代全球变暖下的海洋生态响应具有启示意义。