当前地球处于晚新生代冰室气候阶段，大气二氧化碳浓度持续升高，全球气候变暖趋势明显。地质史上曾多次出现快速升温事件，伴随海洋缺氧或酸化以及生物多样性降低，但这些极热事件均发生在两极无冰的温室气候背景下，气候边界条件无法与现代冰室背景直接类比。晚古生代大冰期是地球倒数第二次大冰期，也是动植物繁盛以来，地球唯一大气二氧化碳浓度接近现代水平的冰室气候时期。研究晚古生代大冰期气候背景下的极热事件，对认识当代全球气候变暖趋势及海洋环境和生物响应规律具有重要参考价值。

此前学界依托腕足类壳体与牙形刺氧同位素记录，推测宾夕法尼亚亚纪卡西莫夫期与格舍尔期之交或存在一次气候变暖，但受限于早期数据时间分辨率不足，不同地区氧同位素变化模式存在差异，学界对该升温转折期海水温度演变规律以及驱动机制尚不明晰。

近日，中国科学院南京地质古生物研究所联合青藏高原研究所等科研团队，首次系统揭示了晚古生代大冰期一次极热事件的完整演化过程与形成机制。研究证实，约3亿年前的冰室气候背景下，地球发生了一次由火山活动触发、天文轨道放大的快速升温事件。

团队对我国华南纳庆和纳饶剖面以及俄罗斯乌拉尔地区乌索尔卡剖面开展多学科的综合研究。研究聚焦海相沉积地层中的牙形刺微体化石，其氧同位素组成可精准记录地质历史时期的海水温度信息。

团队利用离子探针（SIMS）微区原位方法，重建了高分辨率牙形刺SIMS氧同位素变化曲线，识别出卡西莫夫期与格舍尔期之交的极热事件（KGTM）。研究明确了KGTM存在两个升温阶段，分别为初始阶段小幅度升温与主阶段快速升温，两阶段低纬海水表层温度依次升高约2℃和3.5℃。基于纳庆剖面天文旋回约束，KGTM初始阶段与主阶段升温持续时间分别约为6万年和3.5万年。速率对比结果显示，这一事件主阶段升温速率（~0.10℃/kyr）明显高于初始阶段升温速率（~0.04℃/kyr）。

团队通过与地质时期其他极热事件对比分析发现，KGTM主阶段升温速率与二叠纪末、三叠纪末两次生物大灭绝时期相近，但升温幅度更低；其主阶段的升温幅度和速率与侏罗—白垩纪极热事件相似，并伴随较低的生物灭绝率。该结果证实，生物多样性的变化由升温速率和幅度共同调控。

KGTM主阶段的快速升温导致了海洋环境与生态系统变化。团队基于汞同位素（?199Hg、δ202Hg）证实，该主阶段存在透光带硫化环境扩张。同时，牙形刺出现个体减小、多样性降低、群落组成更替等响应，海洋生物礁系统也出现后生动物礁减少、宏体钙藻礁繁盛等转变特征。

机制溯源分析表明，KGTM两阶段升温存在差异化驱动机制。在初始阶段，汞同位素?199Hg值维持在高值（0‰至+0.04‰）并伴随Hg/TOC升高，表明区域性火山活动是导致KGTM初始升温的主要原因。在主阶段，?199Hg值明显降低，表明该时期没有火山活动；牙形刺SIMS氧同位素低值对应短偏心率极高值与长偏心率高值，这提示该阶段升温主要受天文轨道调控。

研究还构建了KGTM时间驱动链条。区域性火山活动和碳排放导致初始升温，伴随高偏心率胁迫作用，促使高纬度冰川融化与冻土碳排放，进一步加剧升温。持续的气候正反馈作用，推动气候状态突破阈值，最终导致巨量碳排放，造成主阶段的快速升温。

团队进一步利用地球系统模式（CESM），重建了KGTM转折期不同大气二氧化碳浓度下全球海水表层温度分布。通过与牙形刺氧同位素记录对比约束，明确该事件期间全球平均地表温度升高约7.5℃，大气二氧化碳浓度由约300ppm升高至约700ppm，进而揭示了KGTM是跨越了当今气候状态的一次极热事件。

该成果为现代气候变暖预测提供了重要的古气候类比依据，提示需要控制碳排放，并关注当今地球系统的小幅度升温及其伴随的高纬度冰川融化和冻土碳排放，避免突破气候阈值和快速升温事件的发生。

相关研究成果发表在《美国科学院院刊》（PNAS）上。研究工作得到国家自然科学基金委员会、中国科学院等的支持。

论文链接

宾夕法尼亚亚纪卡西莫夫期与格舍尔期之交极热事件（KGTM）的升温过程与机制示意图