磁性地层年代学M0r的精细标定揭示OAE1a期间海陆碳同位素响应不同步

《SCIENCE ADVANCES》：Refined chronologies of magnetochron M0r reveal asynchronous terrestrial and marine carbon isotope responses to Oceanic Anoxic Event 1a

为解决OAE1a起始时间及M0r磁极性倒转事件精准年龄的长期争议，研究人员利用华北燕山科学钻探YSDP-4岩芯，通过高分辨率旋回地层学与磁性地层学相结合的方法，将M0r的结束时间精确限定在121.26±0.38 Ma。研究发现，陆相记录中与OAE1a相关的碳同位素负漂移事件（NCIE，C3段）晚于M0r结束时间达1.24±0.4 Myr，显著长于海相记录的0.3-0.66 Myr滞后。该研究为OAE1a期间海陆碳循环系统响应存在异步性提供了直接证据，并对OAE1a初期大气CO2快速排放的流行假说提出了挑战。

　　

大约1.2亿年前的早白垩世阿普第期，地球经历了一场全球性的重大环境扰动事件——大洋缺氧事件1a（OAE1a）。这次事件的典型特征是全球范围内富有机质黑色页岩的沉积，在海洋碳同位素记录中留下了显著且可对比的负漂移信号（C3-C6段）。这一事件通常被认为与翁通爪哇大火成岩省（OJP LIP）的喷发导致的巨量¹³C贫化碳排放有关，并引发了全球变暖、海洋酸化等一系列环境危机。然而，关于OAE1a精确起始时间及其与地球系统其他关键事件（如特定的地磁倒转事件）之间的关系，长期以来存在巨大争议。其中，地磁极性倒转年表M0r的底界曾被广泛用作校准OAE1a起始和划分巴雷姆阶-阿普第阶（Barremian-Aptian）边界的工具，但其精确年龄在历版地质年代表中变动巨大，例如从GTS 2012的126.3 Ma到GTS 2020的121.40 Ma。这种不确定性不仅阻碍了对OAE1a触发机制的深入理解，也影响了我们对阿普第期早期地球系统内（如大气、海洋、陆地）碳循环响应时间和模式的准确评估。由于精确的年代框架是开展所有地质历史环境重建和事件对比的基石，因此，获取来自连续沉积序列的、有高精度定年约束的直接证据，成为解决上述科学问题的关键。

为了回答这些问题，一个由中外科学家组成的研究团队，对来自华北克拉通辽西喀左盆地下白垩统陆相九佛堂组的燕山科学钻探YSDP-4号钻孔岩芯进行了综合研究。该岩芯连续长达1497.5米，是著名的热河生物群（Jehol Biota，含带羽毛恐龙、早期鸟类等）的重要赋存层位，为研究早白垩世陆相环境变化提供了绝佳材料。研究人员将高分辨率磁性地层学、旋回地层学与高精度放射性同位素定年相结合，构建了一个精确的年代框架。这项研究结果以题为“Refined chronologies of magnetochron M0r reveal asynchronous terrestrial and marine carbon isotope responses to Oceanic Anoxic Event 1a”的论文发表在《SCIENCE ADVANCES》上。

研究人员为开展这项研究，主要运用了以下关键技术方法：首先，岩芯采样与地质背景分析：对YSDP-4钻孔1497.5米岩芯进行系统描述，将其划分为三个岩性段，并基于两处凝灰岩层（1464.5米和852米深度）的锆石化学剥蚀-同位素稀释-热电离质谱法（CA-ID-TIMS）U-Pb年龄（121.05±0.32 Ma和117.359±0.031 Ma）作为绝对年龄锚点。其次，高分辨率磁性地层学：对2325块古地磁样品进行逐步热退磁或交变退磁处理，获取特征剩磁方向，识别出钻孔中仅有的两个显著的负极性带（R1和R2）。第三，旋回地层学与天文年代标尺构建：对5889个样品的磁化率，特别是频率磁化率（χ_fd%）数据进行时间序列分析，识别出与米兰科维奇轨道周期（偏心率、斜率、岁差）相关的沉积旋回，并利用最稳定的405 kyr长偏心率周期对岩芯进行天文调谐，构建浮动的天文年代标尺。最后，贝叶斯年龄-深度模型：利用astroBayes软件包，将旋回地层记录、轨道频率目标、地层边界位置和两个高精度放射性同位素年龄进行贝叶斯反演，得到一个包含不确定性估计的、最优的年龄-深度模型。

研究成果主要包括以下几个方面：

磁性地层学与旋回地层学结果：YSDP-4岩芯仅在基底1497.33-1494.60米和1072.14-1069.16米深度识别出两个显著的负极性带（R1和R2）。在旋回地层学方面，通过频谱分析识别出代表405 kyr、120 kyr、100 kyr等偏心率周期以及斜率和岁差周期的信号。基于405 kyr周期的天文调谐和贝叶斯建模，最终获得了岩芯高精度的年代框架，岩芯底部年龄为121.28±0.39 Ma，顶部年龄为113.08±0.3 Ma，总持续时间约8.2 Myr。

精细厘定M0r年代与白垩纪正极性超静磁期的起始：研究将岩芯底部的负极性带R1与地磁极性年表中的M0r进行对比。贝叶斯模型将R1（即M0r）的结束时间精确限定在121.26±0.38 Ma。结合前人估计的M0r持续时间为0.59 Myr，推算出其开始时间为121.85±0.38 Ma。M0r的结束也标志着长达约38 Myr的白垩纪正极性超静磁期（CNS）的开始。这一结果与GTS 2020的估计相近，但为M0r的年代提供了来自连续陆相沉积的直接、高精度约束。

厘定短暂磁极性倒转事件M”-1”r/ISEA的年代：岩芯中部的负极性带R2被解释为早白垩世期间发生在CNS内部的一次短暂磁极性倒转事件，即M”-1”r或ISEA。其贝叶斯模型年龄为118.53 +0.1/-0.16 Ma，该年龄晚于M0r结束时间约2.73 Myr，与GTS 2020中两个事件的间隔估计相符，为这个短暂磁极性倒转事件提供了更可靠的年龄标定。

揭示OAE1a期间海陆碳同位素响应不同步：这是本研究的核心发现。研究团队利用构建的精确年代框架，重新校准了同一岩芯中已发表的有机碳同位素（δ¹³C_org）记录。该记录在1314.50-1247.60米深度呈现出一个从负漂移到正漂移的完整旋回，可与海相OAE1a的C3-C6段对比。校准结果显示，陆相九佛堂组记录中C3段（OAE1a起始标志）的开始时间为120.02±0.13 Ma。由此计算出M0r结束与C3段开始之间的时间差（Δt）为1.24±0.4 Myr。然而，在多个经典的海洋记录中（如中太平洋的DSDP 463站点、南特提斯洋的Cismon岩芯和Poggio le Guaine岩芯），这个时间间隔要短得多，仅为~0.3至0.66 Myr。这表明，陆相环境中记录到的碳同位素负漂移信号，显著晚于海洋环境中的响应，两者存在明显的异步性。

研究的结论与讨论：这项研究通过整合高分辨率磁性地层学、旋回地层学和高精度定年，为下白垩统陆相九佛堂组建立了精确的年代框架，并据此取得了多项重要进展：

1. 1.
   精确标定了关键磁性地层事件：将磁极性倒转事件M0r的结束时间精确限定在121.26±0.38 Ma，开始时间推定为121.85±0.38 Ma；同时为短暂磁极性倒转事件M”-1”r/ISEA提供了可靠的年龄（118.53 +0.1/-0.16 Ma）。这些结果为早白垩世地磁极性年表和阿普第期年代地层划分提供了关键约束。
2. 2.
   揭示了海陆碳循环响应的时空差异性：研究最重要的发现是，陆相沉积记录中与OAE1a相关的碳同位素负漂移事件，比海相记录中的同等信号晚了约0.94 Myr。这为“OAE1a期间海陆碳循环系统响应存在异步性”提供了直接证据。
3. 3.
   对经典假说提出挑战并启示新机制：这一异步性对主流观点——即OAE1a初期由大火成岩省喷发导致大气CO₂浓度快速、剧烈升高——提出了挑战。它暗示OAE1a初期释放的轻碳（¹³C贫化碳）可能首先进入并扰动海洋碳库，而大气CO₂浓度的升高以及随之对陆地气候和生态系统的影响可能存在一个相对滞后和渐进的过程。这与同一岩芯孢粉学研究所揭示的陆地气候在~120 Ma才从凉干转变为热干的结论相互印证。
4. 4.
   对地层学划分具有启示意义：海陆碳同位素响应的不同步性，也对目前国际地层委员会倾向的、以OAE1a起始的碳同位素负漂移作为巴雷姆阶-阿普第阶全球界线层型点（GSSP）的提案提出了需要审慎考虑的问题，因为它可能并非一个全球绝对等时的界面。

综上所述，这项研究不仅显著推进了对早白垩世关键地质事件年代学的认识，更重要的是，它通过高精度年代学“标尺”，揭示了地球系统内部（海洋与陆地）对全球性碳扰动事件的响应存在复杂的时间差和空间差异性。这一认识深化了对地质历史时期碳循环动力学的理解，强调了在评估全球环境事件时需要考虑不同圈层响应时间和机制的重要性，并为构建更精确的地球系统模型以预测未来气候变化下的碳-气候反馈提供了关键的边界条件和历史参照。