地球生命的起源演化与氧气息息相关。强烈的大洋缺氧通常会极大影响海洋生物的演化。为了更好理解大洋缺氧对生物演化的影响，通常需要定量估算地质历史时期全球大洋缺氧的程度。
近年来，铀同位素（δ238U）和钍/铀比值（Th/U）是被广泛使用的全球尺度古海洋缺氧代用指标。铀（U）在海洋中的滞留时间较长（~40万年），其浓度和同位素组成均匀分布在广海中。因而，δ238U和Th/U的变化可以反映全球尺度海洋的氧化还原状况。当全球海洋缺氧增强时，海水中更多的六价U被还原成不溶于水的四价U。由于四价U相对富集238U，因此，大洋缺氧会导致海水U含量和δ238U减小。与U相比，Th只有一个价态，它对大洋缺氧反应不敏感。因而，当全球大洋缺氧增强时，海水的δ238U会减小，Th/U比值会增加。富氧海水中形成的碳酸盐沉积物能够准确记录海水的δ238U和Th/U。因而，碳酸盐岩δ238U下降和Th/U比值升高反映了全球大洋缺氧的增强。近十年来，该原理被广泛地用来重建地质历史时期全球大洋缺氧程度的变化。
尽管碳酸盐岩δ238U和Th/U的研究大大提高了人们对大洋缺氧程度和过程的理解。但是，学者们尚不清楚其他因素是否也会影响地质历史时期碳酸盐岩δ238U和Th/U记录。为此，中国科学院青藏高原研究所碰撞隆升及影响团队张清海研究员和丁林院士等联合国内外学者，在西藏南部定日地区的PETM（古新世-始新世极热事件）剖面上开展了碳酸盐岩δ238U和Th/U的研究。
在定日地区，研究团队发现了一个明显的Th/U比值升高和δ238U下降（从~+0.1‰到~-0.3‰）记录。Th/U比值升高主要发生在PETM的碳同位素负偏（main CIE）期间和碳同位素回返（CIE recovery）的早期，δ238U的下降则仅发生在CIE recovery的早期。在main CIE期间，定日地区发生了明显的海平面上升；在CIE recovery早期，定日地区的海平面又发生了快速下降，并伴随有一个大有孔虫灭绝事件（LFEO）（图1）。通过综合分析，研究团队排除了定日地区Th/U和δ238U变化反映了全球大洋缺氧增强的可能性，认为其可能与海平面波动有关。
在定日地区的PETM剖面上，栖息在水底的大有孔虫丰度高且呈现多样性，证明该地区的底层海水富氧。同时，稀土元素数据证明，该地区孔隙水自始至终具有还原性，可以形成具有较高δ238U（~0.0–0.2‰）的自生U。因此，自生U大量汇集造成了PETM发生之前碳酸盐岩δ238U（~0.0–0.2‰）远高于当时海水的δ238U(~-0.39‰)。
在main CIE期间，全球海平面快速上升，定日地区也随之发生了海侵。海侵使得定日地区与古海岸线的距离增加，导致印度大陆来源的有机质输入降低。陆源有机质输入的减少使得定日地区总有机碳（TOC）含量和其碳/氮比值显著降低。TOC的降低能减少有机质的氧化，进而导致孔隙水还原性减弱和自生U汇集量的减少。尽管如此，该时期自生U的含量可能依然远大于原生碳酸钙中U的含量，碳酸盐岩δ238U依然受控于自生U。因而，在main CIE期间，Th/U比值发生了明显下降，但碳酸盐岩δ238U并未发生明显变化（图1和图2C）。
在CIE recovery早期，定日地区发生了一次明显的构造抬升。这使得该地区的海水深度由~40-80米快速变浅为<40米。水体变浅和全球温度下降使得海水更加富氧。该时期，富氧海水对孔隙水的影响可能超过了TOC的影响，使孔隙水依然保持了较弱的还原性。在弱还原性孔隙水中，自生U的汇集量进一步减少。同时，该时期大有孔虫发生绝灭（LFEO）：大量具有低镁方解石壳体的大有孔虫突然消失，取而代之的是具有高镁方解石壳体的大有孔虫。由于原生高镁方解石中的U含量要远高于低镁方解石，研究推测，该时期碳酸盐岩中原生碳酸钙U的含量显著高于自生U的含量。在这种情况下，碳酸盐岩δ238U主要受控于原生碳酸钙的U。由于原生碳酸钙记录了海水的δ238U值（-0.39‰），碳酸盐岩δ238U在该时期呈现明显下降趋势（图1和图2C）。
对于地质历史时期碳酸盐岩δ238U的下降，此前研究认为，碳酸盐岩δ238U准确记录了当时海水的δ238U，它的下降表明全球海洋缺氧的增强（图2A）。随着对还原性孔隙水中自生U的认识逐渐增加，学者们认为，碳酸盐岩δ238U的变化反映了海水δ238U变化的趋势，同时耦合了一个自生U汇集而产生的偏移量（图2B）。本次研究发现：局部地区海平面波动同样可以导致浅海碳酸盐岩δ238U下降和Th/U比值升高（图2C）。综上，在使用碳酸盐岩δ238U和Th/U重建地质历史时期大洋氧化还原状态之前，应首先排除这些局部因素的影响。
本次研究揭示了PETM时期大气圈（温度变化）、水圈（海平面升降）、岩石圈（构造抬升）和生物圈（有孔虫演化）对定日地区碳酸盐岩δ238U和Th/U的影响，提供了地质历史时期气候环境突变事件中多圈层相互作用的研究案例。上述成果以“The large decline in carbonate δ238U from a PETM section at Tingri (south Tibet) was driven by local sea-level changes, not global oceanic anoxia”为题，近期在线发表于《地球与行星科学通讯》(Earth and Planetary Science Letters)。我所张清海研究员为第一、通讯作者，上海交通大学陈新明助理教授为共同通讯作者，我所丁林院士和孙亚莉研究员、美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室Brennecka博士、德国不来梅大学Willems教授等为共同作者。该研究获得了国家基金委基础科学中心（41988101-0106）、基金委面上基金（41972032）、第二次青藏高原综合科学考察研究（2019QZKK0708）等项目的联合资助。
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.epsl.2023.118164
图1 定日地区PETM剖面上碳酸盐岩δ238U、Th/U和其他地球化学记录
图2 地质历史时期碳酸盐岩δ238U下降的三种解释
（A）碳酸盐岩δ238U下降准确地记录了当时海水的δ238U变化，指示全球大洋缺氧的增强；（B）碳酸盐岩δ238U下降反映了海水δ238U的变化趋势，并耦合了一个由于自生U汇集而产生的偏移量（offset）；（C）碳酸盐岩δ238U下降是由海平面波动引起的一些局部过程导致的，与全球大洋缺氧增强无关（本研究）。
