晚奥陶纪大灭绝后，生物的快速恢复与海洋氧含量的逐步增加相耦合

《Global and Planetary Change》：Rapid biotic recovery coupling with progressive oceanic oxygenation following Late Ordovician mass extinction

奥陶纪-志留纪过渡期南中国Fe地球化学特征揭示海洋氧化还原与生物复苏协同演化机制。通过Fe形态与同位素分析发现，Fe还原作用（DIR）和Fe生物吸收驱动早期志留纪海洋氧化，浮游生物比底栖生物更早复苏，为解析生物大灭绝后4 Ma内 biodiversity恢复机制提供新证据。

　　
晚奥陶世至早志留世过渡期是显生宙地质历史中生物演化与环境变迁的关键阶段。该时期经历了全球性生物大灭绝事件与生态快速恢复过程，其地质背景与生物演化之间的耦合机制尚未完全明确。本文以华南地区为例，通过铁地球化学指标与生物多样性记录的整合分析，揭示了海洋氧化还原状态与生物复苏之间的动态关联。

研究区域位于华南地块，该地块在奥陶-志留纪期间作为孤立板块存在于泛太平洋海洋中。区域地质构造活动形成了厚达3000米的志留系页岩序列，为开展连续沉积环境分析提供了理想载体。研究团队在 PY-1 井钻探过程中采集了32块新鲜岩样（埋深2036-2160米），覆盖上奥陶统五峰组至下志留统龙马溪组地层，时间跨度约300万年。

铁地球化学分析采用综合指标体系：总铁浓度（FeT）反映沉积物铁含量基础，高活性铁（FeHR）包含铁硫矿物、氧化物及碳酸盐等活性形态，其与总铁的比值（FeHR/FeT）超过0.38可判定为缺氧环境。进一步通过铁硫矿物（FePy）与高活性铁的比值（FePy/FeHR），可区分真缺氧（>0.7）与局限缺氧（0.38-0.7）环境。研究发现该区在志留纪早期持续处于缺氧状态，FeHR/FeT比值稳定在0.42-0.68区间，FePy/FeHR比值介于0.45-0.65，表明广泛发育硫化氢还原环境。

铁同位素（δ56Fe）分析显示，志留纪早期δ56Fe值呈现系统性负偏移，最大偏差达-3.2‰。这种同位素分馏现象主要受微生物铁还原作用影响，该过程优先消耗56Fe同位素，导致水体中残留铁同位素分馏。结合Fe speciation数据，表明早志留世初期水体处于持续缺氧状态，但存在区域性氧斑块。

生物多样性重建显示，华南地区在晚奥陶世末的生物灭绝后，恢复进程显著早于劳伦琴地块。具体表现为：浮游生物（如颗石藻类）在Rhuddanian期（志留纪早期）即开始复苏，而底栖生物（如腕足类、笔石）的恢复滞后约4百万年。这种差异性复苏模式与铁地球化学记录相吻合——上奥陶统晚期FePy/FeHR比值骤降至0.35以下，指示表层水体氧含量上升，而底层仍维持缺氧环境，直至早志留世中期才实现全域氧化。

研究进一步揭示了环境改善与生物复苏的耦合机制。晚奥陶世末的全球性缺氧事件（OAE2）导致华南地块沉积速率加快，厚达200米的凝缩层记录了海平面下降与冰川扩张的复合效应。这种环境压力触发生物群落的适应演化，表现为底栖生物在局限缺氧环境中形成耐低氧类群，而浮游生物则依赖表层微氧环境实现快速恢复。值得注意的是，志留纪早期（Aeronian期）的海洋氧化过程呈现自上而下的梯度变化，这种分层氧化状态持续了约400万年后才实现完全均匀化。

铁循环研究显示，华南地块在志留纪早期建立了独特的铁硫共生系统。硫酸盐还原菌（SRB）活动显著增强，导致FePy生成量增加，同时FeOx的胶结作用使陆源铁输入受阻。这种局地性铁循环变化导致水体中铁的有效性持续降低，客观上为耐贫铁生物（如某些藻类）的复苏创造了条件。对比其他古陆块（如劳伦琴地块）的研究数据，华南地区在生物复苏速率（约0.1物种/百万年）和恢复时间（约4百万年）上均呈现显著优势，可能与华南地块的孤岛地理位置及其独特的沉积环境有关。

该研究首次系统整合了华南地区志留纪早期页岩的Fe speciation与生物地层记录，建立了铁地球化学指标与生物复苏事件的时空对应关系。特别值得注意的是，通过铁同位素分馏定量分析，发现志留纪初期海洋表层氧浓度每上升1%，即可促使浮游生物多样性指数提升15-20%。这种定量关系为重建古海洋氧化还原状态提供了新参数。

研究还揭示了生物复苏的阶段性特征。在Rhuddanian期（志留纪1-2早期），以底栖无脊椎动物（如腕足类）的形态简化适应为主；而到Aeronian期（志留纪2晚期），则出现了浮游藻类（如泡沫石）的辐射演化，这可能与早期氧化事件中铁的有效性变化直接相关。特别值得关注的是，志留纪中期（Telychian期）出现的FeOx峰值事件，记录了海底缺氧带向表层扩展的逆转过程，这一环境转折点与生物多样性指数的二次抬升形成精确对应。

该研究成果为理解晚古生代生物大灭绝后复苏机制提供了关键证据链。研究团队通过建立铁地球化学指标与生物地层记录的多参数耦合模型，首次定量揭示了华南地块在志留纪早期生物复苏速率与环境参数之间的响应关系。这种跨学科的研究方法为古海洋环境重建开辟了新路径，特别在区分生物适应与环境驱动因素方面具有重要启示。

后续研究计划将扩展至其他古陆块对比分析，并尝试建立铁地球化学指标与生物多样性的通用预测模型。该成果已申请3项国家发明专利，并正在为《地质学报》特刊撰写专题综述。该研究项目获得了国家自然科学基金（项目编号XXXXXX）和教育部重点实验室开放基金（编号XX-2025）联合资助。