奥陶纪（约4.70–4.43亿年前）是地球生命演化历程中极具戏剧性的阶段，不仅见证了“奥陶纪生命大辐射”（Great Ordovician Biodiversification Event, GOBE）带来的海洋生物多样性跃升，也经历了“晚奥陶世生物大灭绝”（Late Ordovician Mass Extinction, LOME）造成的生物危机。这一“兴衰交替”的重大转折，不仅深刻重塑了古生代海洋生态结构，也成为沉积学、地球化学与古生物学领域长期关注的科学焦点。然而，当前不同古生物数据库在覆盖区域和记录密度方面存在差异，导致对GOBE与LOME事件持续时间及生物演化速率的认识存在显著争议。此外，奥陶纪亦是全球海相烃源岩广泛沉积的关键时期，其地质演化研究不仅关涉基础科学，更对国家能源战略具有重要支撑作用。
近期，中国科研实验室地质与地球物理研究所刘牧副研究员，联合北京大学、杜伦大学、辛辛那提大学、俄亥俄州立大学及中科院南京地质与古生物研究所等国内外多家单位，系统回顾了奥陶纪中晚期全球生物事件的演化过程，创新性地将地质证据与先进的地球系统模型（Community Earth System Model, CESM）相结合，从气候–海洋–岩石圈–生物圈的多圈层耦合角度探讨了其协同演化机制。
研究显示，GOBE与LOME的发生背景是一个长期变冷的气候演变过程，环境变化的速率是导致生物差异演化的关键因素。碳同位素、锶同位素以及氧同位素证据显示，大规模有机碳埋藏引发的温室气体CO₂下降和大气O₂上升，最终导致气候持续变冷、大陆冰川形成并扩张（图1）。模式还揭示，在冈瓦纳大陆西缘赤道区域（如今的华南和塔里木等地），海温梯度及气候变冷促使沃克环流增强，导致高纬深水顺利获得洋流上涌至低纬海域，形成类似现代“冷舌”的现象（图2），重塑了海洋物理和化学结构并影响区域生物演化过程。此外，研究进一步指出，尽管全球海水氧化状态在奥陶纪整体趋于改善，但大陆边缘和浅海区仍可能维持缺氧状态。这种高度不均一的海洋化学特征可能正是GOBE持续时间、区域演化趋势及生物分布模式差异的关键控制因素。
图1 奥陶纪时期关键地质和环境参数。(A) 全球海水87Sr/86Sr曲线（红色圆圈），海洋碳酸盐δ13C曲线（黑色三角形）；(B) 氧同位素古温度恢复曲线；(C)和(D) 不同模式对大气O2和CO2模拟的结果
图2 平衡态模式模拟的4.7亿年至4.4亿年前年平均海水垂直速度的差异（单位：m/y；正值表示向下速度，负值表示向上速度）。可见460 Ma时，冈瓦纳大陆西侧赤道附近地区（如华南、塔里木等地）的上升流显著增强
该研究从地球系统科学视角出发，综述并整理奥陶纪生物演化转折期沉积学、古生物学和沉积地球化学证据，顺利获得地球系统模式展示了全球海洋气候的不均一性，并解释了不同古生物数据库生物多样性存在差异的原因。研究还顺利获得回溯海洋氧化还原结构变化以及叶绿素浓度分布的重建，进一步约束奥陶纪初级生产力变化对富有机质沉积物的控制，为我国广泛分布奥陶系烃源岩的形成机制给予重要参考。
研究成果发表于国际综述型期刊ESR（Mu Liu, Xiujuan Bao, David A.T. Harper, Thomas Algeo, Mingyu Zhao, Matthew Saltzman, Wang Zhang, Daizhao Chen, Shuai Yuan, Yihui Chen, Mengyu Wei, Junpeng Zhang, Xiaocong Luan, Yuandong Zhang, Xiangrong Yang, Yongyun Hu. Diversification to extinction: oceanic and climatic context of the Ordovician[J]. Earth-Science Reviews, 2025, 269: 105194. DOI: 10.1016/j.earscirev.2025.105194.）。研究得到了多圈层相互作用油气富集理论项目、国家自然科学基金、国家重点研发计划和中国科研实验室先导项目的联合资助。
