近年来，国际上深海地质研究领域最为前沿的合作计划——国际大洋发现计划（IODP）将地球气候系统对大气CO2浓度升高的响应列为其优先研究领域之一。此外，深入研究关键地质历史时期的碳循环过程、成因机制及其古气候环境效应，对于人类更好地认识、预测和应对未来的全球变暖等系列危机也具有非常重要的借鉴价值。发生在森诺曼期-土伦期界限（~94 Ma）的OAE 2，是白垩纪温室期内得到科研界关注最多且最具有代表性的碳循环扰动事件，也是研究地球系统科学前沿领域——多圈层耦合作用的典范。然而，迄今为止科研界仍缺少高纬度地区OAE 2的连续性沉积记录，尽管该地区具有对气候环境的变化异常敏感的突出优势。2017年在东南印度洋中实施钻探的IODP 369航次，首次获取到了南半球高纬度地区OAE 2阶段形成的连续性岩芯沉积物（图1），从而为上述研究工作的深入开展提供了极佳的载体和契机。
图1 研究站位在93-97 Ma（a和b）及目前（c）的地理位置分布图
研究人员利用该航次在曼达岬海盆钻取的U1516站位岩芯沉积物，基于极好的钙质生物化石碳同位素和古生物地层年代约束，通过沉积学、粘土矿物学以及地球化学方法，详细揭示了晚白垩纪阶段研究区沉积物来源、陆源区气候条件、海表生物生产力和海底氧化-还原环境的演化历史及其对OAE 2的响应。物源分析结果表明，所研究碎屑沉积物主要来自于澳大利亚西南部大陆，而海底火山成因物质的贡献较小（图2）。其中，在OAE 2碳同位素发生显著性正向偏移的阶段（图3），U1516站位的陆源河流物质输入量显著增加，并伴随着物源区的明显变化——由澳大利亚西南部近源地块（如珀斯盆地和鲁纹地块）转变为远源地块（如依尔岗克拉通和奥尔巴尼-弗雷泽造山带，图2）。
图2 晚森诺曼期-早土伦期U1516站位沉积物来源示踪
图3 晚森诺曼期-早土伦期U1516站位沉积物典型指标的垂向变化
研究人员认为上述物源变化反映了OAE 2期间温室气候条件下南半球高纬度地区水循环的加剧，由此引起了澳大利亚西南部大陆河流系统的重组，且河流入海物质（碎屑、营养和有机质及淡水）通量的增加还促进了附近海域海表生物生产力的勃发及海底缺氧性沉积环境的发育（图3）。此时周边大火成岩省的强烈火山活动虽然对研究区没有直接的物质输入贡献，但由其排放的大量温室气体二氧化碳却有利于上述气候环境的形成与保持。在此基础上，陆源有机质和海表生物生产力来源有机质在缺氧性的底层水环境中得以大量地保存下来，从而形成了黑色页岩这种OAE 2阶段最典型的海洋沉积物，这进一步证实了当时南半球高纬度地区的暖湿气候条件以及大气圈、水圈、岩石圈和生物圈之间的紧密联系（图4）。
图4 OAE 2阶段曼达岬海盆有机质埋藏过程及其驱动机制示意图
中科院海洋所陈红瑾博士研究生为文章第一作者，中科院海洋所徐兆凯研究员、自然资源部第一海洋研究所李铁刚研究员为文章通讯作者。该研究得到了中科院战略先导科技专项、国家自然科学基金、青岛海洋科学与技术试点国家实验室鳌山科技创新计划、国家公派留学基金等项目联合资助。
论文出处及链接：
Chen, H.J., Xu, Z.K.*, Bayon, G., Lim, D.I., Batenburg, S.J., Petrizzo, M.R., Hasegawa, T., Li, T.G.* Enhanced hydrological cycle during Oceanic Anoxic Event 2 at southern high latitudes: New insights from IODP Site U1516. Global and Planetary Change, 2022, 209: 103735. doi: 10.1016/j.gloplacha.2022.103735.
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0921818122000029?via%3Dihub.
供稿：徐兆凯，陈红瑾
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