华北鄂尔多斯盆地中达里威尔期（Middle Darriwilian）的碳同位素变化：对奥陶纪生物大爆发时期古环境变化的地球化学约束

《Sedimentary Geology》：Middle Darriwilian carbon isotope excursion in the Ordos Basin, North China: Geochemical constraints on paleoenvironmental change during the great Ordovician biodiversification event

　　

摘要

中奥陶世的达里维尔阶（Darriwilian Stage）以全球碳同位素异常现象——即中达里维尔碳同位素偏移（Middle Darriwilian Carbon Isotope Excursion, MDICE）为特征，这一现象与奥陶纪大生物多样化事件（Great Ordovician Biodiversification Event, GOBE）期间海洋生物的显著多样化阶段相吻合。尽管具有全球性意义，但来自华北克拉通（North China Craton）的基于碳酸盐的MDICE记录却十分稀少。

本文介绍了来自鄂尔多斯盆地（Ordos Basin）曹家沟（Caojiagou）剖面的中奥陶世马家沟组（Majiagou Formation）的新的碳酸盐和有机碳同位素数据，并结合了主要及微量元素地球化学、氧同位素和锶同位素组成进行分析。成岩作用研究表明，在研究区间内原始海洋特征得到了很好的保存。根据区域生物地层学数据，约1.5‰的正δ¹³C_carb偏移主要发生在中至晚达里维尔阶，并与其他古陆的MDICE记录一致。岩相分析证实，在整个偏移期间存在开阔的海洋碳酸盐平台沉积，局部保存的生物礁提供了活跃生物群落的沉积学证据。

元素富集模式（包括磷和生物必需的微量元素Cu、Zn）以及海水中⁸⁷Sr/⁸⁶Sr比率的逐渐降低表明，在该期间海洋生产力增强，营养物质输入增加。同时出现的氧化还原敏感元素的变化表明沉积环境主要为富氧状态，而碳酸盐δ¹⁸O值则暗示了长期的冷却趋势。碳酸盐和有机碳同位素数据的对比表明，有机碳埋藏的比例有所增加，这可能与更多的有机物质输入有关，而非强烈的还原条件。

这些结果为理解鄂尔多斯盆地中奥陶世的碳循环动态提供了新的见解，并有助于区域性地认识GOBE这一阶段伴随的环境变化。

引言

奥陶纪大生物多样化事件（Great Ordovician Biodiversification Event, GOBE）是地球历史上最重要的进化辐射事件之一，其在整个奥陶纪期间导致海洋生物多样性在科、属和种层面出现了长期、间歇性的增加（Sepkoski Jr., 1979, Sepkoski Jr., 1981; Webby et al., 2004; Algeo et al., 2016; Servais and Harper, 2018; Yang et al., 2026）。GOBE并非短暂的进化现象，而是经过了数千万年发展而来，反映了海洋化学、气候、构造和生物创新之间的复杂相互作用（Edwards, 2018; Zhang et al., 2022; Kozik et al., 2023）。先前的研究将这种多样化现象与海水氧化条件的变化（Berner et al., 2007; Saltzman et al., 2015; Edwards et al., 2017; Wang et al., 2023）、气候变冷（Trotter et al., 2008; Rasmussen et al., 2016; Bergmann et al., 2025; Liu et al., 2025）、大陆风化（Shields et al., 2003; Young et al., 2009; Zhao et al., 2025）以及海平面上升（Novack-Gottshall and Miller, 2003; Munnecke et al., 2011）联系起来。

在这一背景下，中奥陶世的达里维尔阶以首次大规模的海洋生物多样化和全球公认的正碳同位素偏移——中达里维尔碳同位素偏移（Middle Darriwilian Carbon Isotope Excursion, MDICE）而著称（Webby et al., 2004; Harper et al., 2015），随后在桑迪比安阶（Sandbian）期间无脊椎动物多样性开始下降（Zhang et al., 2022）。MDICE通常表现为碳酸盐δ¹³C值增加约1–2‰，已在包括波罗地（Baltica）、劳伦西亚（Laurentia）、华南（South China）、塔里木（Tarim）、冈瓦纳（Gondwana）和西伯利亚（Siberia）在内的多个古陆得到报道（Kaljo et al., 2007; Schmitz et al., 2010; Leslie et al., 2011; Zhang and Munnecke, 2016; Henderson et al., 2018; Hu et al., 2021; Luan et al., 2025）。其广泛的地理分布表明全球碳循环受到了扰动，这通常被解释为有机碳埋藏和海洋生产力的变化（Hayes et al., 1999; Kump and Arthur, 1999; Kuypers et al., 2002; Oehlert and Swart, 2014）。

碳酸盐δ¹³C值的正向偏移通常归因于富含¹²C的有机物质的增强埋藏，从而导致海洋碳库中¹³C的相对富集（Arthur et al., 1988; Saltzman et al., 2000; Servais et al., 2009; Zhang et al., 2010）。在许多地区，达里维尔期的地层以富含有机物的页岩形式保存（Strother et al., 1996; Liu et al., 2019a; Fang et al., 2020; Zhang et al., 2022）。相比之下，以碳酸盐为主的地层（如华北板块的碳酸盐地层）可能记录了碳循环的扰动，但并未形成大量的黑色页岩。在这些情况下，地球化学代用指标为生产力、氧化还原条件和有机物质埋藏的变化提供了重要信息，尽管碳酸盐系统中的大幅碳同位素偏移也可能反映局部自生过程而非全球海水变化（Jiang et al., 2019），这强调了在这些情况下仔细评估保存和沉积控制因素的必要性。

尽管奥陶纪碳酸盐地层广泛分布于华北板块，但该地区的高分辨率MDICE记录仍然有限。地层不连续性、局部侵蚀和生物地层学控制的缺失阻碍了详细化的化学地层学和古环境研究（An et al., 1983; Ma et al., 2019）。位于华北板块西部的鄂尔多斯盆地保存了连续的中奥陶世碳酸盐序列，为研究δ¹³C偏移及相关环境变化提供了机会（Feng et al., 2003; Guo et al., 2014; Saltzman and Edwards, 2017）。

在本研究中，我们整合了来自鄂尔多斯盆地曹家沟剖面的碳酸盐和有机碳同位素数据，以及主要和微量元素地球化学、氧同位素和锶同位素组成。区域生物地层学信息为中至晚达里维尔阶提供了大致的年龄约束。本研究旨在（1）确定所研究地层的岩相地层学和沉积学背景，以评估整个偏移期间的沉积连续性；（2）描述碳酸盐主导地层中MDICE的表现；（3）重建该期间生产力、氧化还原条件和气候的古环境变化；（4）评估这些环境变化与GOBE首次多样化脉冲之间的关联。

章节摘要

区域背景和地层

鄂尔多斯盆地是华北克拉通西部最大的含油盆地之一，面积约为2.5×10⁴平方公里（图1a, b; Wei et al., 2021; Algeo and Li, 2026）。在中奥陶世（约4.6亿年前），华北克拉通位于赤道附近的低古纬度地区，靠近华南克拉顿，那里有详尽记录的MDICE现象（图1c; Schmitz et al., 2010; Torsvik and Cocks, 2013; Hu et al., 2021; Luan

碳酸盐碳和氧同位素分析

在将样品粉碎至200目粒度进行分析之前，通过钻探仔细去除了可见的方解石脉和充填洞穴的方解石，以尽量减少次生变化的影响。碳酸盐碳和氧同位素分析是在西北大学大陆动力学国家重点实验室的稳定同位素地球化学实验室使用Thermo Scientific 253 Plus IRMS系统及GasBench II装置进行的。大约使用了0.3毫克样品粉末

碳酸盐的碳和氧同位素组成

曹家沟露头的碳酸盐样品显示δ¹³C_carb值介于-2.9‰到1.9‰之间，平均值为0.1‰，而δ¹⁸O_carb值则在-11.2‰到-2.4‰之间（平均值为-5.2‰）。在上O₂m₅和下O₂m₆段，δ¹³C_carb值为1.1‰到1.9‰（平均值为1.5‰）。在这个区间之上，接近中上奥陶世边界处观察到了高达4.6‰的δ¹³C_carb突变负偏移。

碳酸盐的δ¹⁸O值显示从-7.7‰逐渐增加

地球化学数据的成岩作用评估

在根据古环境变化解释碳、氧和锶同位素及元素数据之前，我们评估了原始海洋特征保存的程度。为了评估成岩作用的影响，我们研究了δ¹³C_carb、δ¹⁸O_carb、Mn/Sr和地层位置之间的协变性（图3）。δ¹⁸O_carb和δ¹³C_carb之间没有显著协变（R² = 0.03；图3a），Mn/Sr与地层高度也没有系统相关性（R² = 0.04；图3b）

结论

中达里维尔碳同位素偏移（MDICE）在马家沟组中有明确的记录，为华北板块西部提供了一个新的基于碳酸盐的参考剖面。对碳、氧和锶同位素数据的成岩作用评估表明，在研究区间内原始海洋特征得到了很好的保存，从而增强了本文古环境解释的可信度。将稳定同位素分析与元素地球化学相结合

李一宁（Yining Li）：撰写 – 原稿撰写、可视化、验证、软件使用、方法论设计、研究实施、概念构思。刘文辉（Wenhui Liu）：撰写 – 审稿与编辑、监督、研究指导。王晓峰（Xiaofeng Wang）：监督、方法论制定、资金申请。张东东（Dongdong Zhang）：资源获取、方法论支持。

在准备这项工作时，作者使用了Claude（Anthropic）工具来辅助语言编辑、手稿修订以及图表标题和支持文本的起草。使用该工具后，作者根据需要对内容进行了审查和修改，并对已发表文章的内容负全责。

作者声明他们没有已知的可能会影响本文研究的财务利益或个人关系。

我们衷心感谢Alan Jay Kaufman教授对研究提案的建设性意见，这些意见为本研究奠定了基础。我们也非常感谢张倩博士在鄂尔多斯盆地曹家沟剖面考察期间提供的帮助。

李一宁|刘文辉|王晓峰|张东东