从成对的δ13C（碳）和δ13C（有机质）记录中获得的关于早三叠世碳循环动态的新见解

《Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology》：New insights into early Triassic carbon cycle dynamics from paired δ13C carb and δ13C org records

早三叠世全球碳同位素偏移与海洋缺氧及微生物活动相关， Xiakou-section δ13Ccarb和δ13Corg数据揭示有机碳源变化及光营养微生物主导的碳循环扰动，支持早期三叠世生态系统通过缺氧事件和微生物反馈机制恢复的假说。

　　

张桂洁|郑晨浩|张晓琳|孙丽琳|崔亚文|李丹丹|沈亚楠

合肥工业大学资源与环境工程学院，中国合肥230009

摘要

早三叠世的特点是碳同位素的显著波动；然而，其背后的机制仍存在争议。最近的研究对这些波动中环境扰动的关键作用提出了质疑，强调了碳循环和地球系统相互作用的复杂性。为了进一步探讨这些机制，我们分析了来自中国南方夏口剖面的δ¹³C_carb和δ¹³C_org配对数据。我们的结果显示，这些配对碳同位素与全球同时期的记录密切相关，证实了这些波动的普遍性。虽然δ¹³C_org通常跟随δ¹³C_carb的变化，但其波动幅度较小，导致二叠纪-三叠纪边界（PTB）、格里斯巴赫期-迪纳期边界（GDB）和史密斯期期间Δ¹³C下降。我们汇编了同时期代表性剖面的数据，这些数据也显示了类似的Δ¹³C下降模式，表明这种现象普遍存在。为了探究背后的机制，我们采用了一个基于回归的模型，该模型认为除了通过光合作用从同期海洋溶解无机碳（DIC）中固定的有机碳外，还存在由绿色硫细菌产生的有机碳。这一假设得到了Δ¹³C下降与缺氧扩展在时间上一致的支持，这一点通过钼通量和铀同位素数据得到了证实。δ¹³C_carb和Δ¹³C的三次同时负波动与缺氧扩展以及底栖生物多样性和生物多样性的减少之间存在一级相关性。这些发现表明，早三叠世海洋生态系统的缓慢恢复可能是由与缺氧扩展相关的环境压力因素和内部反馈共同作用的结果。

引言

早三叠世是发生在二叠纪末大灭绝（EPME）之后的一段长期生态恢复期。尽管菊石和锥石在EPME后迅速多样化（Orchard, 2007; Brayard et al., 2009），但在整个早三叠世期间，灭绝事件仍然反复发生（Galfetti et al., 2007; Stanley, 2009）。传统模型认为恢复过程缓慢且逐步进行，耗时8-9百万年（Chen and Benton, 2012）。然而，贵阳生物群表明，现代类型的海洋生态系统在EPME后仅1百万年内就出现了（Dai et al., 2023）。此外，有人认为不同类型的生态系统（如珊瑚礁和非珊瑚礁生态系统）的恢复模式和速度可能有所不同（Kelley et al., 2023），这表明恢复过程比之前认为的更为复杂和异质。早三叠世生物复苏的空间-时间异质性与反复出现的环境压力密切相关，包括间歇性的火山活动（Shen et al., 2019; Zhang et al., 2021a, Zhang et al., 2021b; Edward et al., 2024）、高大气CO₂水平导致的气候变暖（Sun et al., 2012; Joachimski et al., 2022）、海洋缺氧的反复发生（Isozaki, 1997; Song et al., 2012; Grasby et al., 2013; Lau et al., 2016; Huang et al., 2017; Zhang et al., 2017; Zhang et al., 2018; Song et al., 2019）以及加剧的大陆风化作用（Algeo and Twitchett, 2010; Song et al., 2015; Sun et al., 2018）。早三叠世生物复苏的复杂性要求重新评估这些因素如何影响地球最严重大灭绝后的恢复轨迹和速度。

早三叠世环境压力的一个最显著特征是全球碳循环的剧烈和周期性波动，这体现在多次明显的碳同位素波动上（例如，Payne et al., 2004; Meyer et al., 2011, Meyer et al., 2013; Grasby et al., 2013; Song et al., 2013; Widmann et al., 2020; Du et al., 2021, Du et al., 2023）。导致早三叠世碳同位素波动的机制仍存在争议。一种假说认为，负碳同位素波动是由于分层海洋的翻转，这可能导致富含¹²C的DIC从有机碳氧化中释放到表层水中（Horacek et al., 2007）。然而，这种翻转的确切触发因素尚不清楚。另一种假说认为，多次由火山活动引发的轻同位素碳释放到海洋-大气系统中，导致了负碳同位素波动（Payne and Kump, 2007）。然而，这些波动与火山活动之间的时间关系受到了质疑（Widmann et al., 2020）。最近的研究提出，早三叠世的这些反复碳同位素波动可能反映了地球系统内部的动态，而不仅仅是火山活动的结果（Li et al., 2025）。这一观点强调了碳循环的复杂性及其在地球系统中的复杂相互作用。因此，需要进一步研究早三叠世碳循环扰动的根本机制。

虽然早三叠世的δ¹³C_carb变化在全球范围内有详细记录，但相应的长期δ¹³C_org记录相对较少。这主要是由于许多沉积物中的总有机碳（TOC）含量较低，相关研究也有限（例如，Grasby et al., 2013; Meyer et al., 2013; Caravaca et al., 2017; Du et al., 2021, Du et al., 2023）。配对碳同位素研究提供了对碳循环的双重视角，有助于评估这些记录如何反映同期DIC的碳同位素变化（Hayes et al., 1999）。δ¹³C_carb和δ¹³C_org之间的差异特别有启发性，可以提供关于有机碳来源、大气pCO₂水平以及初级生产者类型的见解（Hayes et al., 1999; Johnston et al., 2012; Sansjofre et al., 2011; Du et al., 2021; Hartke et al., 2021; Heath et al., 2021; Zhang et al., 2021a, Zhang et al., 2021b, Zhang et al., 2025）。然而，早三叠世的配对碳同位素研究仍然较少，相关研究也很有限（例如，Meyer et al., 2013; Caravaca et al., 2017; Du et al., 2021, Du et al., 2023）。这一数据缺口阻碍了对不同碳库之间相互作用及其环境影响的全面理解。在这项研究中，我们提供了来自中国南方湖北省夏口剖面从格里斯巴赫期到史密斯期的连续海洋碳酸盐序列的高分辨率配对δ¹³C_carb和δ¹³C_org数据，旨在重建碳循环的长期演变，并探索其与早三叠世环境和生物变化的潜在关系。

地质背景

地质环境

早三叠世期间，华南克拉通位于古特提斯洋东部靠近赤道的位置（图1）。该克拉通的中心区域以扬子平台为主，那里积累了浅海碳酸盐沉积物。沿着扬子平台的北部边缘形成了一个较深的碳酸盐坡，夏口剖面就沉积在那里（Wang and Xia, 2004; Zhao et al., 2013）（图1）。

夏口剖面（也

分析方法

新鲜岩样经过仔细修整，去除了方解石脉、风化表面和任何可见的成岩特征。剩余的岩样被切成小块，并使用振动盘磨机（RS 200）研磨成细粉（<200目）。δ¹³C_carb和δ¹⁸O_carb值使用Kiel IV碳酸盐装置和ThermoFinnigan MAT 253质谱仪进行分析。在Kiel IV碳酸盐装置中，大约150微克的粉末与无水磷酸反应

碳酸盐碳同位素和氧同位素数据

夏口剖面的配对碳同位素数据见表1。总体而言，夏口剖面的δ¹³C_carb曲线与先前研究的结果一致（Tong et al., 2007; Shen et al., 2012; Elrick et al., 2017）。δ¹³C_carb值的范围从?1.2‰到3.8‰（表1）。最初，在GDB期间δ¹³C_carb值从2.2‰下降到0.3‰，然后在史密斯期早期达到3.8‰的峰值（图2）。随后又

成岩效应的评估

沉积碳酸盐和有机物都容易受到沉积后成岩过程的影响，包括meteoric（Knauth and Kennedy, 2009; Swart and Oehlert, 2018）、细菌（Irwin et al., 1977; Thomazo et al., 2016）和埋藏成岩作用（Derry, 2010; Swart, 2015）。这些过程可以改变原始的δ¹³C_carb和δ¹³C_org值。因此，在解释配对碳同位素数据之前，评估成岩效应是必要的。

δ¹⁸O_carb值可能会受到显著

结论

本研究提供了来自夏口剖面的高分辨率配对δ¹³C_carb和δ¹³C_org记录，为早三叠世碳循环的动力学提供了新的见解。我们的结果显示，夏口剖面的配对碳同位素数据与古特提斯、新特提斯和泛大洋同期记录的结果高度一致，证实了观察到的波动的普遍性。尽管δ¹³C_org通常跟随δ¹³C_carb的趋势，但其波动幅度较小，导致Δ¹³C

作者贡献声明

张桂洁：方法论、调查、资金获取、正式分析、概念化、初稿撰写。郑晨浩：方法论、调查、数据管理、审稿与编辑。张晓琳：方法论、调查、数据管理、审稿与编辑。孙丽琳：方法论、调查、写作、审稿与编辑。崔亚文：方法论、调查、写作、审稿与编辑。李丹丹：方法论、调查、写作、审稿与编辑。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（42173074、42330211、41877319）、安徽省自然科学基金（2208085J32）以及中央高校基本科研业务费（JZ2024HGPA0263）的支持。