三叠纪-侏罗纪边界海洋酸化脉冲：来自化石牡蛎硼同位素的直接证据

研究人员通过分析保存完好的化石牡蛎(Liostrea hisingeri)的硼同位素(δ11B)，首次直接重建了三叠纪-侏罗纪边界(T-J边界)的海洋pH变化。研究发现，在"主"碳同位素负漂移(main CIE)期间，海洋pH值至少下降了0.29个单位，表明该时期存在显著的CO2驱动的海洋酸化事件。地球系统模型cGENIE模拟显示，这一酸化事件主要由地幔来源的碳输入引起。该研究为T-J边界大灭绝事件中的海洋酸化机制提供了直接证据，并揭示碳循环扰动与生态系统恢复延迟的关联，对理解现代人为CO2排放的潜在生态影响具有重要启示。

　　

约2亿年前的三叠纪-侏罗纪之交，地球经历了显生宙五大灭绝事件之一。这场大灭绝与中央大西洋岩浆省(CAMP)的大规模火山活动在时间上高度吻合，但具体的环境杀灭机制一直存在争议。虽然海洋酸化被推测为可能的杀灭机制之一，但长期以来缺乏直接的pH变化证据。这个关键科学问题的解决，对理解地质历史时期碳循环扰动与生态系统响应模式至关重要，也为预测当前人为CO₂排放可能造成的海洋环境变化提供重要参照。

由英国圣安德鲁斯大学(University of St Andrews)领衔的国际研究团队，通过对英国威尔士Lavernock Point剖面保存完好的化石牡蛎进行硼同位素分析，首次直接重建了T-J边界时期的海洋pH变化。研究发现，在"主"碳同位素负漂移期间(约持续5万年)，δ¹¹B出现了至少3.3‰的负漂移，对应海洋pH值下降≥0.29个单位。这一酸化事件与2‰的碳同位素负漂移同步发生，表明是由CO₂输入驱动的环境扰动。通过cGENIE地球系统模型模拟，研究人员进一步确定这些碳主要来源于地幔。相关成果发表在《Nature Communications》上，为理解大灭绝事件中的环境杀灭机制提供了关键证据。

研究团队运用了多项关键技术：1)高精度硼同位素分析(δ¹¹B)用于重建古海洋pH；2)碳氧同位素(δ¹³C和δ¹⁸O)分析确定环境背景；3)微量元素比值(如Al/Ca、Mn/Ca)筛选未受成岩作用影响的样品；4)cGENIE地球系统模型模拟不同碳源情景；5)拉丁超立方抽样法量化参数不确定性。所有样品均来自威尔士Lavernock Point剖面的海相沉积层。

结果部分核心发现：

最小pH变化估算

通过保守假设δ¹¹B与海水硼酸盐δ¹¹B的一一对应关系，结合独立约束条件(如大气CO₂浓度500±50 ppm)，计算出pH最小下降幅度为0.29个单位(从8.24降至7.93)。这一结果即使在考虑最大初始pH(8.18)的情况下仍然成立。

概率性pH和CO₂变化估计

更全面的概率分析显示，大气CO₂浓度可能>1300 ppm(相当于CO₂浓度翻倍)。虽然数据不排除更大变化(pH>1单位，CO₂>10000 ppm)，但初始CO₂浓度不太可能>3000 ppm，否则会导致碳酸盐饱和度低于1，与该剖面持续碳酸盐沉积的观察相矛盾。

碳来源解析

通过将2.2‰的碳同位素漂移幅度与cGENIE模型模拟结果对比，确定碳源的δ¹³C值重于-12‰，排除了甲烷等极度贫¹³C碳源的主导地位，支持以地幔来源碳为主(可能混合部分有机碳)。这与CAMP火山活动和围岩接触变质作用的预期一致。

11B重建的pH、方解石饱和度和大气CO₂'>

初始CIE期间的海洋酸化和不饱和状态

模型显示，若"初始"CIE(5‰)与"主"CIE碳源相同，其更快的发生速率(25-50 kyr)会导致方解石饱和度下降>6。即使考虑20%甲烷或50%沉积碳的混合来源，海洋仍可能达到不饱和状态，这与该时期全球碳酸盐沉积速率下降和钙质生物选择性灭绝的观察相符。

讨论与意义：

这项研究首次为T-J边界大灭绝期间的海洋酸化提供了直接证据，将δ¹¹B记录与碳同位素地层学和地球系统模型有机结合，确立了碳循环扰动-海洋酸化-生物灭绝的因果链条。三个关键进展尤为突出：

1. 证实海洋酸化与显生宙五大灭绝事件中的三个相关(包括二叠纪-三叠纪、T-J和托阿尔阶事件)，突显了碳循环重大扰动对海洋生态的灾难性影响；

2. 揭示了中生代海洋因缺乏浮游钙质生物而具有更高的背景碳酸盐饱和度，使得同等CO₂输入造成的饱和度下降更显著(比现代海洋高约1.5倍)；

3. 提出反向风化作用可能通过消耗海水阳离子延长了高CO₂/低pH环境，而硅质生物的复苏可能终止了这一过程。

该研究的现实意义在于，重建的pH变化幅度(-0.29单位)与IPCC高排放情景(RCP8.5)下2100年的预测(-0.43单位)相当，警示当前人为CO₂排放可能引发类似地质历史重大转折期的海洋化学变化。通过将深时记录与现代观测相联系，这项工作为理解地球系统对碳循环扰动的响应提供了关键的时间维度参照。