科研人员揭示5.8亿年前海洋氧化的周期性机制 - 海洋科研数据共享

本报讯（记者李思辉 通讯员刘琳）中国地质大学（武汉）教授陈中强团队联合英国埃克塞特大学、南京大学团队，通过数值模拟方法，首次系统揭示了约5.8亿年前地球海洋氧化过程的非线性特征，指出全球海洋曾经历剧烈而规律的周期性“氧化脉冲”。这一发现增进了人们对早期地球环境演变模式的理解。相关研究发表于《自然-地学》。

研究成功构建并应用了“自持振荡”数值模型。团队创新性地模拟了埃迪卡拉纪中期的“磷-氧-碳”生物地球化学循环，将5.79亿年前的加斯基尔斯冰期与其前后的全球性增氧事件进行直接动力学关联。模型结果表明，当时的地球系统处于一种不稳定状态，能够在缺氧与富氧两个稳态之间发生周期性振荡，周期约为500万年，且在约2000万年内至少规律性地发生了3次。

研究将这一过程形象地比喻为“跷跷板”机制：在富氧阶段，关键营养元素磷被锁在海底沉积物中，抑制了后续的初级产氧；氧气水平的下降又导致磷被重新释放回海水，为下一轮生物繁荣和产氧激增准备了“燃料”，从而驱动系统进入下一个循环。这种由系统内部反馈驱动的“自持振荡”，首次通过数值模拟在该关键地质时期得到清晰揭示和验证。

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研究的实证基础来自澳大利亚西北部依甘组的岩石记录。团队从这些岩层中提取了碳、铀等同位素数据，发现了清晰且同步的碳降铀升信号模式。这一指标显示了海洋生产力变化与氧化状态的紧密耦合关系。

数值模拟的成功之处在于，它不仅能解释研究人员观测到的同位素信号，而且预测并重现了这种周期性波动的内在逻辑。模型结果与地质记录高度吻合，证实了“氧气脉冲”并非随机事件，而是当时地球系统内在不稳定性的必然表现。

该研究首次为早期复杂生命的爆发提供了动态环境背景框架。模型显示的3次氧气脉冲高峰期，与全球最早一批复杂多细胞生物群的繁盛期高度吻合，如我国的蓝田生物群、瓮安生物群等。这表明，地球系统自身的周期性振荡，而非缓慢的线性增氧，为生命复杂化创造了关键的“机会窗口”。

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陈中强介绍，“自持振荡”数值模型框架不仅是对特定地质事件的重建，更构建了一个理解复杂地球系统行为的通用框架。这一视角不仅有助于解读地球历史中的重大转变，也为认识当代地球系统演变提供重要启示。

相关论文信息：

https://doi.org/10.1038/s41561-025-01883-1

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