中国东南部1.486亿年前一次精确测年的陆生碳同位素漂移事件：对晚侏罗世末期环境变化的启示

《Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology》：A precisely dated terrestrial carbon-isotope excursion at 148.6 Ma from southeastern China: Insights into latest Jurassic environmental change

　　

## 要点摘要

• 一次U-Pb定年的陆源碳同位素漂移发生于1.486亿年前。
• 该次漂移伴随侵蚀增强和环境变化。
• 该次漂移可能与早-中沃利期VOICE区间重叠。

## 引言

最晚侏罗世（金伦期和田诺期）代表了侏罗纪的最后阶段，也是地球系统演化中紧邻侏罗纪-白垩纪过渡的关键区间（Ogg, 2020, Cohen et al., 2025）。这一时期以泛大陆的持续分裂、广泛的构造重组、活跃的火山活动、环境不稳定以及全球和区域碳循环的显著扰动为特征。古气候重建表明该时期总体呈温暖状态，无极地永久冰盖，且季节性显著（Boucot et al., 2013, Scotese et al., 2021）。同时，海洋和陆地生态系统经历了重大重组（Hammer et al., 2012, Tennant et al., 2016, Xu et al., 2023, Chen et al., 2025），使得最晚侏罗世成为理解构造、气候、碳循环和生物演化之间相互作用的关键时段。

尽管其重要性显著，但为最晚侏罗世建立可靠的年代框架仍然面临挑战。主要障碍之一是两套不同的年代地层学方案并存。特提斯域采用国际上公认的田诺期-贝里阿斯期序列，而北方域则使用区域性的沃利期（Volgian）和里亚赞期（Ryazanian）分期（Rogov et al., 2024）。两套体系之间的对比因强烈的生物地理分区性和关键化石类群有限的跨区域分布而变得复杂。此外，侏罗纪-白垩纪界线的年龄本身也存在不确定性。2020年地质年代学时间标尺将贝里阿斯期的底部定为1.431亿年前（Ogg, 2020），而高精度U-Pb年代学研究所提出的年龄则显著偏年轻，接近1.40-1.41亿年前（Lena et al., 2019, Rogov et al., 2023a）。这些差异直接影响对最晚侏罗世构造、气候和碳循环事件的时间与持续时间的解释。因此，精确测年的地质记录对于建立可靠的年代框架、评估构造重组、环境变化和碳循环扰动之间潜在联系至关重要。

最晚侏罗世与与泛大陆持续分裂相关的重大古地理和构造变化相吻合。北美、欧洲和西伯利亚的渐进分离，以及连接大西洋、特提斯洋、北冰洋和太平洋的海洋通道开放与重组，大幅改变了全球海洋环流和水团交换（Müller et al., 2016, Zahirovic et al., 2016）。在北极边缘地区，区域性地伸展作用产生了众多裂陷盆地，包括巴伦支海盆地、斯维德鲁普盆地和北西伯利亚盆地，这些盆地保存了晚侏罗世环境变化最重要的记录之一。与此同时，太平洋域经历了重大构造重组。板块重建表明，太平洋-伊豆海槽-法拉隆三角交界处系统在磁性地层M23-M22期间（约1.5085-1.4829亿年前）经历了大规模重组，从根本上重塑了北太平洋的海洋扩张格局（Nakanishi et al., 2015, Sager et al., 2016, Ogg, 2020）。该事件早于沙茨基海隆大型火成省的形成，沙茨基海隆是地球上第三大海洋高原，其最古老的火山建筑体——塔穆穹丘——于1.444±0.010至1.431±0.033亿年前喷发（Geldmacher et al., 2014）。这些构造变化可能影响了区域地形、排水系统、盆地连通性、海洋环流和沉积通量，从而对环境演化和碳循环产生了强烈影响。

该区间环境变化最显著的地球化学表现之一是沃利期同位素碳漂移（VOICE）。VOICE首次在北方域海洋地层中被识别，其特征是有机碳同位素（δ13Corg）的显著负偏移，通常幅度达2-5‰，最低值可低于-30‰（Hammer et al., 2012, Zakharov et al., 2014）。随后，类似的碳同位素漂移已被报告发现于北极加拿大、斯瓦尔巴群岛、北西伯利亚、阿拉伯板块以及阿根廷内乌肯盆地（Turner et al., 2019, Galloway et al., 2019, Capelli et al., 2021b, Vickers et al., 2023, Weger et al., 2023, Galloway et al., 2024, Fallatah et al., 2024）。这些观察表明，碳循环不稳定在最晚侏罗世及侏罗纪-白垩纪过渡期间是广泛存在的。

然而，这些漂移的时间、持续时间、空间范围和驱动机制仍存在争议。提出的解释范围从与火山和水热脱气相关的全球碳循环扰动，到区域环境控制因素，包括海平面波动、盆地局限化、有机质来源变化、甲烷释放以及有机碳埋藏变化（Turner et al., 2019, Galloway et al., 2019, Galloway et al., 2024, Weger et al., 2023）。重要的是，大多数现有年代模型基于生物地层学、磁性地层学和化学地层学对比，而直接的放射性约束仍然稀缺。因此，这些碳循环扰动的时间结构、同步性和因果关系仍然缺乏良好约束，阻碍了对其与晚侏罗世构造和环境变化之间联系的评估。

与丰富的海洋记录相比，最晚侏罗世环境变化的精确测年陆源档案仍极为罕见。然而，陆源盆地具有独特能力，能够记录侵蚀、水文、沉积供给、生态系统稳定性和陆地碳循环的变化。中国东南沿海在这方面占据特别重要的位置。在中侏罗世从特提斯构造域向古太平洋构造体制过渡之后，中国东南部演变为沿原太平洋西缘分布的断层控制火山-湖盆系统（Zhou et al., 2006, Dong et al., 2015）。在最晚侏罗世，该地区的沉积以陆相和火山碎屑沉积为主，既提供了敏感的环境档案，也提供了丰富的适合高精度年代学研究的火山层（Li et al., 2014, Li et al., 2019b）。由于其靠近西北太平洋域，该地区特别有利于记录对晚侏罗世构造和地球动力学变化的环境响应。

在这些盆地中，福建省永安盆地的半头组尤其适合研究晚侏罗世环境演化。该组保存了一套厚层湖相地层，其间夹有多层凝灰岩，允许进行直接的放射性定年（Li et al., 1995, Li, 1997, Hu et al., 2011, Liu et al., 2016）。因此，它提供了一个难得的机会，可以将陆相环境变化和碳循环变化置于可靠的绝对年代框架中。

本文呈现了半头组上吉山（SJS）剖面的高分辨率湖相δ13Corg记录。锆石U-Pb年代学将一次显著的δ13Corg负向漂移限定在约1.487-1.485亿年前，提供了少数直接定年的天诺期碳循环扰动陆源记录之一。通过整合碳同位素地层学、沉积学观测、磁性地层标志、地球化学指标和绝对年代学，我们旨在：（1）确定这次陆相碳同位素漂移的时间和幅度；（2）调查与该事件相关的环境变化；（3）评估其与海洋碳循环扰动及太平洋域重大构造重组之间的时间关系。所得年代学成果为比较陆源和海洋记录提供了宝贵的时间锚点，有助于更好地理解晚侏罗世地球系统演化。

## 章节摘要

### 地质背景

福建地区古生代至中生代地层的古地磁研究表明，华南地块主体在早奥陶世中期已整合为一个统一的构造单元。自那时以来，它整体从约南纬23.8°的古纬度向北迁移，在二叠纪后跨越赤道，到侏罗纪末期达到约北纬19.6°的古纬度（图1）（Zhang and Tan, 1992）。在该古地理框架中，晚侏罗世永安地区……

### 锆石U-Pb年代学

定年锆石的球粒陨石标准化稀土元素配分模式以轻稀土元素（La-Eu）强烈亏损、重稀土元素（Tb-Lu）显著富集以及明显的负铕异常为特征。这一组合是 evolved 硅质岩浆中结晶锆石的诊断特征，反映了锆石生长之前高效的黑云母分异作用，后者优先将Eu2+从熔体中移除。因此，这种稀土元素特征与水热、变质或外来锆石不相容。

### 负δ13Corg漂移的成因

SJS剖面中显著的负δ13Corg漂移，从约-25‰的背景值降至-29.4‰的最低值，最合理的解释是源自周围汇水区的外来有机质贡献的短暂增加。在背景湖相条件下，SJS湖泊中的有机质以本土藻类生产为主导。这一解释得到了漂移下方黑色页岩段（1.4890-1.4867亿年前）的支持。

## 结论

（1）半头组SJS剖面高分辨率湖相δ13Corg记录记录了一次天诺期的显著负向碳同位素漂移。锆石U-Pb年代学将该事件限定在约1.487-1.485亿年前，位于一薄层1.4831±0.0089亿年前的凝灰岩层之下。这代表了全球范围内报告的少数直接定年的晚侏罗世陆相碳同位素漂移之一。

（2）碳同位素漂移伴随TOC下降……

## 利益冲突声明

作者声明以下可能被视作潜在利益冲突的财务利益/个人关系：Jiasheng Chen报告获得了国家自然科学基金的财务支持。Jiasheng Chen报告获得了福建省自然科学基金的财务支持。如有其他作者，他们声明没有已知的可能影响本研究的竞争财务利益或个人关系。

## 致谢

本研究受国家自然科学基金（批准号：42130507和41602190）、福建省自然科学基金（批准号：2024J01464）和福建师范大学创新基金（批准号：208X1501）资助。感谢徐思璐在野外采样和实验室实验分析方面提供的宝贵帮助。

**Jiasheng Chen**