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唐雪,Nov. 16, 2023
海洋溶解氧含量的变化深刻影响着地球的元素生物地球化学循环和宜居性演化，但显生宙以来（< 约538 Ma）海洋氧化还原的时空演化趋势及其驱动机制仍很不清晰。基于不同种类的铁和黄铁矿可以有效区分当地水体氧化还原条件，但它们不能指定独特的沉积环境。氧化还原条件和沉积环境是相互关联的，在不同的环境中观察到相似的氧化还原条件。例如，缺氧条件存在于（半）受限盆地（卡里亚科盆地和黑海）和常年最低氧带（秘鲁边缘），它们与开放海洋和营养循环的联系明显不同。因此，研究对非深海沉积环境的长期演化及其控制因素的认识，可以为复杂生命的长期演化提供启示。
页岩大多沉积在非深海环境中，代表了大多数海洋动物的栖息地。将随机森林机器学习与页岩中痕量金属浓度相结合，可以重建主要海洋沉积环境中连续氧化还原条件背景。本研究利用此前发表过在已知氧化还原条件下沉积的现代海洋环境中样品的痕量金属浓度，区分位于深陆架或（半）限制性盆地的五种沉积环境：常年绝氧盆地（P-Euxinic），常年缺氧带核心（CPOMZ），在多年生最低氧带以下（BPOMZ），正常氧化海洋（Oxic）和季节性绝氧盆地（S-Euxinic）（图1）。沉积环境的相对重要性用年代样品频率（F）来量化。
各个沉积环境样品比例：
FCPOMZ = NCPOMZ/(NCPOMZ + NBPOMZ + NP-Euxinic + NS-Euxinic)
大陆架缺氧程度/持续性：
F’CPOMZ = NCPOMZ/(NCPOMZ + NBPOMZ)
（半）局限盆地硫化程度：
F’P-Euxinic = NP-Euxinic/( NP-Euxinic + NS-Euxinic)
图1 页岩沉积背景示意图
寒武-奥陶：FCPOMZ普遍偏高，但存在短暂氧化事件，对应I/Ca升高，大气氧浓度上升。中寒武，海平面上升淹没低海拔地区，季节性硫化盆地扩张，促进黄铁矿埋藏，从而产生氧气脉冲进入大气。中奥陶，出现早期陆地植物，导致大气氧浓度上升，BPOMZ环境扩增，笔石增加。
志留-泥盆：I/Ca高，OMZ的还原条件（F’CPOMZ，F’P-Euxinic）的程度/强度仍然较高。志留纪，陆地植物繁盛，有机埋藏和大气氧浓度升高，导致表面溶解氧浓度升高，增加海洋养分的通量，从而提高海洋初级生产力和深水柱的氧气消耗，使得底栖环境缺氧。晚泥盆世，Pangaea超大陆聚合，挤压、局限盆地扩张、破坏大陆架导致F’P-Euxinic环境扩张和F’CPOMZ环境减小。
石炭-二叠：I/Ca低，表层缺氧；F’CPOMZ，F’P-Euxinic降低，底栖充氧。该时期森林扩张，root vascular plants多样性增加，促进有机碳埋藏，引起气候变冷、洋流变强、海平面降低，导致局限盆地干涸、底栖氧气源增强、OMZ推到浅层。
三叠-侏罗：底栖充氧被反转，F’CPOMZ转降为升，F’P-Euxinic停止下降；表层充氧I/Ca升高。这是由于海洋动物革命，生物矿化的浮游植物壳和浮游动物粪便颗粒中包装有机物促进了有机物的向下运输，从而将氧气消耗从上层海洋转移到下层海洋。
白垩纪-现在：局限盆地相对广泛，F’P-Euxinic较高；表层充氧，I/Ca升高，FCPOMZ低，OMZ薄。这是由于Pangaea超大陆裂解，海平面升高，半局限盆地升高，并阻断营养元素进入大陆架，限制生产力，从而导致OMZ变薄。
作者主要讨论了大气氧气浓度和海洋温度驱动深陆架氧化还原机制，海洋氧化还原结构控制模式在古-中生代过渡时期发生重大转变，由DOM控制转变为氧气浓度控制，再转变为POM控制。在古生代，温度高，氧气溶解度低；在中、新生代，冷期生产力高，POM消耗更多底栖氧气。
深陆架环境下的还原条件强度（F'CPOMZ）可能与寒武-石炭和白垩-至今的海洋动物的普遍灭绝率有关，但可能对二叠-侏罗的高海洋动物的普遍灭绝率影响有限。二叠纪-侏罗纪时期海水pH值不呈酸性，因此不太可能导致较高的海洋动物的普遍灭绝率。在其他环境因素中，温度上升的速度被认为是二叠系-侏罗系高海洋动物的普遍灭绝率的一个原因。
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