通过高分辨率的时空厚度建模研究发现，中卢德福德期（mid-Ludfordian）CIE阶段的持续时间较短，同时海盆中的碳酸盐生成速率较快

《Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology》：Short duration of the mid-Ludfordian CIE and rapid pelagic carbonate production revealed by high-resolution time–thickness modelling

碳同位素事件MLCIE的持续时间通过分析波罗的海前陆盆地69个钻井的地球物理标志和铀铅年龄测定，确定事件高峰期87±15千，全程335±78千，占卢德福德阶14%。揭示高碳酸盐饱和度下 pelagic碳酸盐快速沉淀（0.1-0.2毫米/年）后骤降，支持全球碳酸盐过饱和模型。当前地质年代年表低估了后事件时期时长。

　　

沃伊切赫·科兹沃夫斯基（Wojciech Koz?owski）

华沙大学地质学院，?wirki i Wigury街93号，02-089华沙，波兰

摘要

中卢德福德期碳同位素异常（MLCIE）是志留纪全球碳循环的一次重大扰动。本文利用波罗的海加里东前陆盆地69个钻孔中的时间-厚度关系，结合基于放射性年龄的高分辨率地球物理标志物来确定硅纪时间尺度，对MLCIE的峰值期和整个事件持续时间进行了限定。MLCIE的峰值期在盆地范围内表现为Reda组碳酸盐岩的显著富集，这与当时的碎屑沉积作用形成鲜明对比，并产生了明显的地球物理异常，从而可以直接测量该事件的厚度。根据厚度模型计算，峰值期包含一个厚度恒定为8.17±0.98米的成分，这部分与背景中的陆源沉积无关，属于远洋碳酸盐岩。扣除这部分后，事件上升期和峰值期持续了87±15千年，整个MLCIE事件持续了335±78千年（约占卢德福德期的14%）。

这些数据表明，在MLCIE期间远洋碳酸盐岩的沉淀速率异常高（约为0.1–0.2毫米/年），之后迅速下降，这表明碳酸盐过饱和度与碳同位素分馏之间存在密切关联。结合该事件的短暂持续时间，支持了先前提出的机制：即全球范围内的碳酸盐过饱和现象在局部碳酸盐平台和半封闭的远洋区域释放，是导致MLCIE的原因。MLCIE极短的持续时间表明，当前的地层年代学图表中对MLCIE之后的卢德福德期（即上卢德福德期，持续835±224千年，约占卢德福德期的36%）的估计明显偏低。

引言

志留纪特征是多次短暂的环境扰动，这些扰动与生物群落的更替以及大规模的碳同位素异常（CIEs）同时发生（Calner, 2008; Loydell, 2007; Munnecke et al., 2003, Munnecke et al., 2010）。最显著的全球性碳同位素扰动发生在中卢德福德期（见下文），即Cramer等人（2011）三分法划分的卢德福德期的中间阶段（Lu2），位于“下卢德福德期”之上、“上卢德福德期”之下（根据笔石动物群的演化定义，Urbanek and Teller, 1997; Loydell and Fryda, 2011; Koz?owski and Sobień, 2012；参见Kaljo et al., 2015的讨论）。中卢德福德期碳同位素异常（MLCIE；Samtleben et al., 2000）发生在⁸⁷Sr/⁸⁶Sr比率急剧上升的“卢德洛上升”时期（Cramer et al., 2011），这一时期紧邻小型锥形石/笔石灭绝事件（分别称为Lau/kozlowskii事件和kozlowskii–balticus笔石过渡带，Koz?owski and Sobień, 2012; Manda et al., 2012），也对应于snajrdi（siluricus-crispa）锥形石过渡带（Jeppsson et al., 2012，图1）。尽管证据越来越多且讨论热烈，但关于这些扰动的一般机制仍存在争议（例如Fryda et al., 2021a, Fryda et al., 2021b; Ghienne et al., 2014; Munnecke et al., 2010）。

冈瓦纳古大陆高纬度地区的短暂冰川作用（Caputo, 1998; Díaz-Martínez and Grahn, 2007）被认为是早志留纪CIEs的主要触发因素（Calner, 2008; Cherns and Wheeley, 2009; Fryda et al., 2021b; Kaljo et al., 1996, Kaljo et al., 2003）。然而，对于晚志留纪MLCIE，至今尚未发现任何冈瓦纳冰川作用的沉积记录。

要准确理解这些志留纪事件的原因和影响关系，关键在于精确确定其发生时间和速率（参见Ghienne et al., 2014和Farka? et al., 2016中的地球化学循环模型）。最近，绝对年龄测定技术的进步使得志留纪阶段的边界以及事件间隔的精确测定成为可能（Cramer et al., 2012, Cramer et al., 2015）。通过分析瑞典哥特兰和英格兰西米德兰兹火山灰层中的高精度UPb锆石年龄数据，Cramer等人（2012）确定了Mulde海洋事件的最长持续时间（锥形石Mulde灭绝事件，与笔石lundgreni“大危机”同时发生，与中期霍默期CIE相对应）。根据他们的研究，该事件持续了约1百万年，可能更接近几十万年。根据最新的贝叶斯地质年代学估计（Rinkevi?iūt? et al., 2025），Mulde/lundgreni事件的持续时间比先前估计的短了大约半个数量级，约为260千年。

然而，基于乌克兰波多利亚地区两个可测定年代的泥岩层的MLCIE事件放射性约束数据范围较宽。较老的泥岩位于MLCIE的底部，而较新的泥岩位于更靠上的位置，即Pridoli层的底部，因此整个MLCIE及MLCIE之后的卢德福德期时间范围被估计为1.17±0.21百万年（Cramer et al., 2015）。根据Cramer等人（2015）的研究，MLCIE的总持续时间为约1百万年，其中R区持续了约500千年。R区期间δ¹³C的增幅估计为每125千年约+2‰。这些估计值比基于时间-厚度关系（Koz?owski and Sobień, 2012; Jeppsson et al., 2007, Jeppsson et al., 2012; Fryda and Manda, 2013）和轨道强迫周期（Arts et al., 2024）的估计值高出一个数量级。

由于浅水碳酸盐平台地区的海平面下降（Eriksson and Calner, 2008; Koz?owski and Munnecke, 2010），基于时间-厚度关系确定MLCIE事件持续时间和各阶段的时间通常会受到限制。强制回归条件导致沉积速率快速变化，并在序列边界处形成无法测量的间隙（参见Jarochowska et al., 2020）。此外，有研究推测事件期间海洋的碳酸盐饱和度极高（Koz?owski, 2015, Koz?owski, 2020），这可能暂时增加了近岸地区的碳酸盐产量，并引发了远洋地区的碳酸盐沉淀（Koz?owski, 2015, Koz?owski, 2020）。因此，为了获得可靠的MLCIE持续时间估计，时间-厚度模型应基于涵盖各种沉积速率范围的广泛离岸盆地地层剖面。这种方法有助于区分与事件相关的碳酸盐沉积增加和局部恒定的陆源输入。

本研究的目的是利用波罗的海加里东前陆盆地69个深井测井中地球物理地层标志物的分布，建立时间-厚度模型来估计MLCIE的时间范围。所分析的地层序列代表了盆地不同沉降和沉积供应环境，包括近Flexural foredeep、forebulge和backbulge区域。除少数forebulge区域的特殊情况外，这些测井显示出一致的时间-厚度模式，为讨论中的事件提供了时间约束。在整个盆地范围内，分析数据表明远洋碳酸盐成分的含量相对稳定，这有助于计算事件期间波罗的海大陆架区域水柱中的碳酸盐沉淀速率。

区域地质

东欧大陆架（EEP）西南边缘的下古生代岩石保存在波罗的海和Podlasie凹陷区的西部（图1A）以及波兰东北部的卢布林坳陷（图1B）中，这些岩石形成于Tornquist洋的发育过程中，最终形成了加里东造山带的Tornquist分支。在这种地质构造背景下，EEP边缘的中志留纪地层代表了一个面向海洋的陆架盆地。

方法

明显的岩相差异使得在盆地内的每个测井中（Topulos, 1977; Koz?owski and Sobień, 2012; Radzevi?ius et al., 2014, Radzevi?ius et al., 2017）的地球物理记录（如自然伽马射线（GR）中能够精确识别Mulde（?yna/An?ia）和MLCIE（Reda）异常的基底和顶部，即使是在未取芯的区间中，例如PGNiG公司最近为页岩气勘探钻探的许多井中也是如此。复杂的GR峰值现象

结果与解释

根据方程1和2（y = ax + b；其中y = R + S，MLCIE区间厚度；x = MLCIE前参考区间厚度；表2），R + S MLCIE（Reda组）的厚度与下伏陆源参考区间之间存在一致的比例关系（a₁ = 0.0230；a₂ = 0.0203，分别对应方程1和方程2；见表2），在减去常数b ≈ 8米后

讨论

根据乌克兰波多利亚地区K-bentonites的高精度UPb锆石年龄数据，Cramer等人（2015）将中卢德福德期CIE的时间范围确定为424.08±0.20（0.29）[0.53]百万年至422.91±0.07（0.21）[0.49]百万年（分析不确定性、示踪剂不确定性、总不确定性）。因此，该事件的最大持续时间不超过1.17±0.21百万年。MLCIE的总持续时间估计为约1百万年，其中上升阶段持续了约500千年，δ¹³C的增幅约为每125千年+2‰。

结论

整个中卢德福德期碳同位素事件（MLCIE；相当于kozlowskii-balticus笔石过渡带）持续时间不超过约335千年，约占卢德福德期的14%。事件的峰值期（R区和S区，记录为Reda碳酸盐组）持续了87±15千年（占卢德福德期的4%），上升阶段非常短暂（R区为9.5±16千年），而下降阶段（F区）可能是最长阶段（248±77千年）。MLCIE的快速动态及其显著特征

CRediT作者贡献声明

沃伊切赫·科兹沃夫斯基（Wojciech Koz?owski）： 负责可视化、验证、软件开发、资源获取、方法论设计、研究实施、资金筹措、数据分析、概念构思、撰写及审稿编辑、初稿撰写。

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的研究结果。

致谢

作者感谢匿名审稿人和Carlo Corradini提出的宝贵意见，这些意见显著改进了手稿的质量。数据发布的许可由PGNiG公司授予（许可编号OGiE.DG.DWA.5–10.2025）。