中国南方四川盆地中晚寒武世西乡池组中的轨道周期海平面变化及碳同位素波动

《Global and Planetary Change》：Orbitally paced sea level changes and carbon isotope fluctuations in the middle-late Cambrian Xixiangchi Formation, Sichuan Basin, South China

通过高分辨率层序地层学和碳同位素分析，揭示寒武纪中晚期西乡池组存在与2.4百万年长岁差周期同步的海平面波动和碳同位素偏移，证实天文周期通过改变陆架海范围调控有机碳埋藏和藻类生产力，进而影响δ13C值。

　　在地球漫长的历史中，气候和碳循环的变化一直是科学家们关注的重点。这些变化不仅影响了全球的生态系统，也对地质记录留下了深刻的印记。近年来，研究者们逐渐认识到，太阳辐射和行星引力之间的相互作用，尤其是地球轨道周期性变化（即米兰科维奇周期），在塑造地球气候和碳循环方面发挥了重要作用。特别是在早期古生代，这种天文周期对海洋系统的影响尚未得到充分理解。本研究通过高分辨率的旋回地层学和碳同位素数据，揭示了地球轨道变化如何影响海洋生态系统和碳循环的动态。

在华南地区，四川盆地的中晚寒武纪西香池组提供了研究这一问题的独特机会。该地层具有连续的沉积记录，保存了详细的碳同位素变化，且其水深小于1000米，对海平面变化更加敏感。通过对西香池组的伽马射线测井数据、矿物成分分析以及碳同位素记录的研究，我们发现了与米兰科维奇周期相关的沉积模式，这些周期包括长偏心率周期（约2.4百万年）、短偏心率周期（约0.6百万年）、倾角周期（约1.2百万年）和岁差周期（约3.3米）。这些周期性变化不仅反映了地球轨道的周期性变化，也揭示了海平面波动、碳酸盐沉积和碳同位素异常之间的紧密联系。

研究发现，当长偏心率周期达到最大值时，海平面的上升与正向碳同位素异常（最高可达+2‰）之间存在显著的相关性。这种正向异常通常被认为是由广泛大陆架上的有机碳埋藏增强和藻类生产力增加所引起的。在这些时期，更多的有机物质被埋藏在海底，减少了大气中的二氧化碳含量，从而导致碳同位素的富集。相反，当海平面处于低潮期时，碳同位素值则呈现出负向变化，这可能与增强的风化作用和有机物氧化有关。风化作用会增加地表的碳释放，而有机物的氧化则会释放更多的碳，这些过程共同导致了碳同位素值的降低。

这一研究结果为理解地球轨道变化如何影响寒武纪的碳循环提供了新的视角。通过将天文周期与碳同位素变化相结合，我们不仅揭示了海平面波动与碳同位素异常之间的因果关系，还强调了天文周期在调控温室气候动态中的关键作用。这种调控机制在海洋生态系统演化的重要阶段尤为明显，因为海平面的变化直接影响了海洋环境的稳定性，进而影响了生物的分布和演化。

在研究过程中，我们利用了多种分析方法，包括伽马射线测井数据的解析、矿物成分的测定以及碳同位素的分析。这些数据的综合应用使得我们能够构建一个高分辨率的天文时间尺度，并通过沉积噪声建模来识别海平面变化的信号。此外，我们还通过与化学地层和生物地层高度约束的都变段进行对比，进一步验证了我们的天文旋回模型。这种跨学科的方法不仅提高了研究的准确性，也为未来的古气候研究提供了新的工具和思路。

值得注意的是，尽管天文周期对气候和碳循环的影响在中生代和新生代的海洋系统中得到了广泛认可，但在古生代的海洋环境中，这种影响可能更为复杂。在低氧的古生代海洋中，海平面变化对生态系统的影响更加显著。例如，研究表明，水深与溶解氧之间存在反向关系，即随着水深的增加，溶解氧含量会降低，从而可能导致缺氧环境的形成。这种缺氧环境不仅会影响海洋生物的生存，还可能对碳同位素的变化产生重要影响。因此，在古生代，海平面变化可能通过多种机制影响碳循环，而不仅仅是通过有机碳的埋藏或氧化。

通过分析西香池组的沉积特征，我们发现该地层的碳酸盐同位素值呈现出明显的周期性变化，这些变化与地球轨道周期性变化相吻合。这种周期性变化不仅反映了天文周期对沉积环境的影响，还揭示了海洋生态系统对这些周期性变化的响应。例如，在海平面上升的时期，碳酸盐沉积的速率会增加，而在海平面下降的时期，沉积速率则会减少。这种沉积速率的变化可能与海洋环境的物理和化学条件有关，如温度、盐度和洋流的变化。

此外，研究还表明，天文周期对海洋环境的影响不仅限于海平面的变化，还可能通过改变海洋的化学条件来影响碳循环。例如，当海平面升高时，更多的水体进入大陆架，可能导致碳酸盐沉淀的增加，而当海平面下降时，更多的碳酸盐可能被侵蚀或溶解。这些过程共同作用，形成了碳同位素记录中的周期性变化。因此，通过研究这些周期性变化，我们可以更好地理解地球历史上的气候变迁及其对生态系统的影响。

在构建天文时间尺度的过程中，我们利用了405千年的周期作为标记，这有助于确定研究区域的年代。通过对不同寒武纪阶段的年代进行估算，我们发现这些阶段的沉积速率与天文周期的变化密切相关。这种关系不仅支持了全球海平面变化的重建，还为理解古生代海洋环境的变化提供了新的依据。例如，沉积速率的波动可能反映了海平面的上升和下降，而这些波动又可能与地球轨道的变化相联系。

综上所述，本研究揭示了地球轨道变化对寒武纪海洋系统和碳循环的深远影响。通过高分辨率的旋回地层学和碳同位素分析，我们不仅发现了天文周期与沉积特征之间的紧密联系，还揭示了这些周期性变化如何影响海洋环境和生态系统。这些发现为理解地球历史上的气候变迁提供了新的视角，并为未来的古气候研究提供了重要的参考。通过将旋回地层学与化学地层学相结合，我们能够更全面地解码地球深时的气候记录，从而更好地认识地球系统的历史演变。