应用半定量遗迹学方法重建古氧相：以加拿大阿尔伯塔中西部Cenomanian-Turonian大洋缺氧事件2为例

《Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology》：A semi-quantitative ichnological approach to relative oxygen reconstruction: A case study over the Cenomanian-Turonian Oceanic Anoxic Event 2 in west-Central Alberta, Canada

本文针对传统遗迹学指标（如Size-Diversity Index, SDI）在重建古氧相时易受生物扰动强度、小型动物改造及其他环境压力因素干扰的问题，提出了一种结合遗迹化石多样性、潜穴大小、生物扰动强度与总有机碳（TOC）的半定量相对氧含量方程（DO2= (SDI + BIscaled)/TOC%）。该研究以加拿大西部内陆海道Cenomanian-Turonian界线OAE2段富含有机质泥岩岩心为案例，揭示了该时期底层水体溶解氧持续波动但极少达到持久缺氧的状态。该方法为有机质富集泥岩的古氧相重建提供了可重复、更可靠的遗迹学-地球化学综合代理指标。

　　

在地球漫长的历史中，海洋溶解氧的波动如同生命的脉搏，深刻影响着生物的演化、气候的变迁乃至矿产资源的形成。重大增氧事件往往伴随着复杂生命形式的爆发，而广泛分布的缺氧水体则可能导致大规模的生物灭绝。因此，精确重建地质历史时期的海洋氧含量变化，对于理解地球的过去、现在乃至未来至关重要。白垩纪Cenomanian-Turonian界线附近发生的大洋缺氧事件2（OAE2）是一个全球性事件，以显著的正碳同位素偏移（CIE）和广泛海洋缺氧为特征，是研究古氧相变化的经典案例。然而，在古氧相重建中，传统的遗迹学方法（如依赖潜穴大小和多样性）面临着诸多挑战：例如，高生物扰动强度或主要由小型动物造成的改造会严重低估遗迹化石的多样性；此外，盐度波动、食物供应减少、快速沉积等非氧限制的环境压力因素也会干扰对古氧水平的准确解读。特别是在富含有机质的泥岩中，由于沉积物物理性质（如低剪切强度）导致潜穴保存差、视觉对比度低使得生物扰动难以识别，使得遗迹学分析尤为困难。

为了更准确地重建OAE2期间的相对古氧相变化，研究人员对来自加拿大阿尔伯塔省中西部、包含OAE2层段且保存异常完好的富含有机质泥岩岩心进行了详细的遗迹学分析。这项研究旨在开发一种半定量的方法，以整合遗迹学和地球化学数据，从而更可靠地指示底层水体的氧含量。研究成果发表在《Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology》上。

研究人员采用了一套综合性的技术方法。首先，对超过100米长的连续钻井岩心进行了厘米级乃至毫米级的精细沉积学和遗迹学分析，识别了七种不同的岩相。遗迹学评估包括识别遗迹属类型、记录其垂向分布、测量每个10厘米“区间”内所有遗迹属的最大潜穴直径、计算生物扰动指数（BI，0-6级）以及计算尺寸-多样性指数（SDI，即最大潜穴直径与遗迹属多样性的乘积）。同时，以50厘米为间隔采集岩心样品，进行了总有机碳（TOC）和有机碳同位素（δ¹³C_org）分析，以获取地球化学指标。为了解决传统BI等级非均匀标度的问题，研究将每个BI等级对应的生物扰动百分比范围转换为平均值，并缩放到0-10的尺度（BI_scaled），以便用于后续的半定量计算。

4.1. 遗迹学特征

研究在岩心中识别出7种不同的遗迹属，包括 Planolites, Phycosiphon, Teichichnus, Palaeophycus, Chondrites, Cylindrichnus 和 ?Nereites。遗迹化石的多样性、潜穴大小和生物扰动指数在整个岩心长度上持续波动，通常在单个岩层尺度上就有变化。最高多样性在一个10厘米区间内记录为5种。潜穴直径范围在1到6毫米之间，多数为1-3毫米。这些高分辨率数据揭示了古环境的不稳定性。

4.2. 岩相分析

综合沉积学和遗迹学分析识别出7种岩相，代表了从前三角洲到沉积物匮乏的陆棚环境。这些岩相的分布反映了不同的沉积动力过程（如风暴、河流输入、浪控作用），这些过程本身也是影响底栖生物群落的重要环境压力因素。

4.3. 地球化学分析

总有机碳（TOC）值在整个岩心范围内介于0.69至3.09 wt%之间，在下Second White Specks段（L2WS）达到最高值，这与高生产力、沉积物匮乏的陆棚环境解释相符。有机碳同位素（δ¹³C_org）值在-27.36‰至-23.78‰之间，界定OAE2的约4‰的正碳同位素偏移始于L2WS底部，持续了7米后回到背景值。

5.1. 传统的遗迹学相对氧含量曲线重建

研究首先应用了三种传统的遗迹学氧含量重建方法：遗迹属多样性曲线、最大潜穴直径曲线以及二者结合的SDI曲线。这些曲线均表明氧含量在研究区间内持续波动，最低氧含量出现在OAE2事件之上的上L2WS段。然而，这些传统方法存在局限性：不同曲线之间存在不一致性（如直径曲线显示Belle Fourche组氧含量较高，而多样性和SDI曲线则显示较低）；强烈生物扰动的层段因无法识别单个潜穴而缺乏SDI数据，可能导致错误的低氧或无氧解释；研究区为浅水环境，受到多种物理化学压力因素（如事件性沉积、盐度波动）影响，单纯的遗迹学指标可能无法准确反映氧含量。

5.2. 定量的遗迹学相对氧含量重建

为了解决上述问题，研究提出了一种半定量相对氧含量方程：DO₂= (SDI + BI_scaled) / TOC%。该方程的分子（SDI + BI_scaled）代表了高氧含量的遗迹学指标（多样性、潜穴大小、生物扰动强度），分母（TOC%）代表了低氧含量的地球化学指标（有机质富集）。通过将高氧指标除以低氧指标，得到的相对DO₂曲线不仅考虑了强烈的生物扰动，还通过TOC的标准化作用，部分抵消了其他非氧限制环境压力因素对遗迹学记录的影响。应用此方程生成的相对氧含量曲线显示，在整个沉积期间，底层水溶解氧持续波动，但极少达到持久缺氧状态。最缺氧的时期并非在OAE2碳同位素偏移期间，而是在其之上的L2WS中上部，这与北美其他地区的研究结果一致，可能与大范围海侵导致的特提斯水团北侵和氧最小带发育延迟有关。

5.3. 区域背景与遗迹学意义

研究表明，该岩心位置经历了从远端前三角洲到沉积物匮乏陆棚的过渡环境。这种动态的浅海环境受到多种物理化学压力因素的复合影响，掩盖了遗迹学对氧含量下降的响应。多变量分析和“相对DO₂曲线”更准确地揭示了该区间代表了持续但波动的氧含量胁迫状态。

5.4. 遗迹学氧含量解释的局限性

研究也指出了遗迹学氧含量研究的局限性，包括在岩性对比度差的层段识别遗迹结构困难、事件性沉积导致生物遗迹组合被侵蚀或缺失、三角洲影响区因盐度压力等导致生物扰动减弱、以及风暴事件可能暂时提高局部氧含量从而高估背景氧含量等。

5.5. 总有机碳作为氧含量指标的局限性

总有机碳（TOC）富集并非简单地与氧含量呈反比关系，而是受到生产力、降解作用和稀释作用三者相互作用的复杂影响。尽管氧含量是控制有氧降解效率和生物扰动群落活力的关键因素，但沉积后再氧化事件可能导致TOC值被人为降低，这一点在应用TOC作为缺氧指标时需谨慎。

5.6. 未来应用

本文提出的多变量遗迹学方程为可视化随时间变化的相对氧含量提供了一种方法。该方程的核心思想（高氧指标/低氧指标）可以适应不同研究中的数据组合。未来应用时可考虑使用更精确的“生物扰动百分比”替代缩放后的BI，并可将TOC替换或补充为其他氧化还原敏感指标（如Mo、V等微量元素富集因子或特定生物标志物）。

本研究通过对加拿大西部内陆海道OAE2段岩心的精细分析，发展了一种整合遗迹化石多样性、潜穴大小、生物扰动强度和总有机碳的半定量相对氧含量重建方程。该方法有效地克服了传统遗迹学指标在复杂沉积环境下面临的挑战，特别是强烈生物扰动和非氧限制环境压力因素的干扰。研究结果表明，在Cenomanian-Turonian界线时期，加拿大阿尔伯塔中西部地区的底层水体溶解氧处于持续波动状态，但极少达到持久缺氧，最显著的缺氧事件发生在OAE2碳同位素偏移结束之后。这一发现与区域古海洋学背景相吻合。所提出的方程为在有机质富集泥岩等复杂沉积环境中进行更可靠的古氧相重建提供了可重复的半定量工具，增强了对过去全球变化事件中海洋氧化还原条件波动细节的理解能力，对认识地球历史气候事件及其环境响应具有重要价值。未来，将此遗迹学代理指标与其他地球化学氧化还原代理指标相结合，有望进一步验证和细化所揭示的氧含量变化趋势。