在约5亿年前的寒武纪晚期，发生了一次引人注目的碳同位素正向漂移事件，被称为SPICE事件。SPICE是全球性的碳循环扰动事件，伴随着广泛的海洋缺氧和生物群落更替。该事件发生于寒武纪生命大爆发之后，奥陶纪生物大辐射之前，为探索早期海洋环境变化与生命演化之间的联系提供了重要地质记录。然而，这些变化的时间进程与耦合机制尚不明确。因此，精确厘定碳循环扰动、海洋缺氧与生物群落更替的先后关系，是检验其因果联系与反馈机制、理解早期海洋生态系统对环境变化响应的关键。
对此，中国科学院南京地质古生物研究所副研究员王蒙、北京大学研究员李明松团队，联合南京大学教授史宇坤、副教授杨爱华，北京大学教授刘建波，中国科学院院士金之钧等人，系统研究了北京西山下苇甸剖面，建立了高分辨率天文年代学标尺，模拟了SPICE事件信号的保存过程，并基于古生物学大数据研究估算了底栖物种的丰度变化。
研究发现此时期海平面、古气候和底栖生物普遍存在约2百万年（Myr）的变化周期，揭示了海平面变化相较于底栖生物的更替提前了约7万年。这不仅提供了天文强迫、海平面与海洋缺氧、生物多样性危机之间的因果联系，也为海洋、气候与生态系统的耦合演化研究提供了方法学思路。
此次研究的下苇甸剖面位于北京西山，河流深切侵蚀及铁路开挖造就了良好的地层连续露头。该剖面寒武系岩相类型多样、沉积构造丰富，是研究华北寒武纪地层序列与碳酸盐岩沉积演化的典型剖面之一。本研究实测层段自张夏组上部向上延伸至炒米店组，厚约181 m，岩相组合总体反映浅海碳酸盐缓坡沉积环境。其中，炒米店组以条带状泥晶灰岩与泥灰岩韵律互层为主，主要形成于相对低能的潮下环境。
本研究采集了高分辨率的自然伽马（GR）和铝含量（Al）序列，两类指标主要反映陆源物质输入。利用Acycle软件，开展了时间序列分析，检验沉积序列是否受天文周期影响。发现两条序列的旋回变化特征可相互检验。主要谱峰超过99%置信水平，长、短偏心率周期通过更严格的5%错误发现率检验（FDR）。研究利用相关系数分析法（COCO），计算了平均沉积速率，约为1-2.2 cm/kyr，P值<0.001，拒绝了“没有天文强迫”的零假设。进一步使用演化相关系数分析（eCOCO），团队识别出沉积速率随深度的变化历史（图2）。在此基础上，研究人员识别出了多个天文周期信号，利用最稳定的长偏心率405-kyr旋回开展调谐，约束了地层的持续时间。结合牙形石和三叶虫生物地层，以寒武系—奥陶系界线年龄487.3±0.08 Ma为锚点，为炒米店组建立了持续时间约12.8 Myr的天文年代框架。研究开展了变点分析，结果指示SPICE事件的起点在47.3 m处，峰值位于49.3 m，结束于86.8 m处。在所建天文年代学框架下，事件开始和结束的时间分别是494.38和492.17 Ma，据此估算，本剖面SPICE事件持续约2.2 Myr。
沉积与生物序列的2 Myr周期
研究团队整合了古生物学大数据研究，包括华北307条剖面、2152个海洋化石物种的出现记录，通过约束优化建立复合生物地层序列，提取了底栖物种丰度变化。研究开展了沉积噪音模型分析，指示了相对海平面的变化历史，结果与区域层序地层格架总体一致，为环境与生物变化的时序比较提供了依据（图3）。研究发现，自然伽马、铝含量、沉积噪音和底栖物种丰度序列共同呈现出约2 Myr周期。这可解释为偏心率的长周期调制信号，与地球和火星近日点的进动频率差（g4−g3）有关，为寒武纪晚期沉积体系和海洋生态系统变化的天文强迫提供了证据。
SPICE事件的持续时间
研究报道了下苇甸剖面SPICE事件的碳酸盐岩无机碳同位素（δ13Ccarb）数据，其从接近0‰的背景值开始，上升至+1.346‰的峰值，正偏幅度约1.3‰，未形成典型的高值平台。与全球典型剖面约4‰-6‰的正漂移相比，下苇甸剖面的偏移幅度也明显较低。这些差异的成因是什么？
研究认为，SPICE记录及其年代标尺的解释，取决于天文环境信号如何进入地层。轨道强迫经气候、水文和物质输运影响沉积；沉积速率波动、侵蚀与非沉积会改变单位厚度所代表的时间，自生过程和成岩作用还可能改变信号的振幅与相位。不同剖面中碳同位素曲线的差异，因此需要同时从环境变化与保存条件两方面分析。
本研究进一步利用随机沉积模型（Wang et al., 2024；王蒙等，2026；图4），模拟了典型SPICE事件碳同位素信号的保存，刻画时间上不连续的保存过程，剖析其对曲线形态的影响（图5）。结果发现，在高沉积变率情景下，沉积过程可以压缩该事件的上升段、展宽其下降段，形成接近实测记录的曲线。
模拟研究对比了SPICE形态的区域性差异，为其提供了沉积过程的模型解释，将碳同位素记录对比与形成机制联系起来。研究发现，下苇甸剖面的铁锰含量存在异常，碳、氧同位素具有一定的协变关系，因此，不能排除局部成岩改造了下苇甸碳同位素信号的可能性。研究将这些地球化学线索与沉积模拟综合考虑，解释了SPICE事件的峰值、上升段厚度和恢复形态，认为其是环境变化与保存条件共同作用的结果。跨盆地的事件对比需要同时评价地层连续性、沉积速率变化和成岩状态，才能区分全球碳循环扰动与区域记录差异。本项研究为检验沉积保存与成岩改造如何影响碳循环事件记录提供了研究实例。
海平面变化比生物更替提前7万年
研究显示，海平面变化代理序列与底栖物种丰富度序列在约2 Myr频带内具有显著的共同功率。研究对海平面和丰度序列开展了分析，扫描了不同时间偏移下的拟合效果，以均方根误差（RMSE）衡量拟合优劣；结果发现，海平面变化领先约7万年时，拟合误差最小（图6）。这为环境变化先于底栖生物更替的传统认知提供了关键的定量指标。
在寒武纪古丈期内部及古丈期—排碧期转换附近，发生过两次生物丰度的下降事件，它们均与快速的海退相伴。海退可能压缩底栖生物的生存空间，导致水体交换重组，改变了营养盐输送模式和海水的氧化还原性质；华北其他剖面的地球化学证据也有相似的结果，指示SPICE期间可能存在低氧的条件。
综上所述，此项工作将SPICE事件的沉积保存、天文年代学和生命演化联系起来，定量检验了环境与生态变化的共同节律。综合年代学、沉积学、地球化学与古生物化石大数据证据，提出了一个解释框架：天文强迫调控了海侵海退、陆棚环境与氧化还原变化，进而影响了底栖生物的周期性更替（图7）。该研究不仅为海洋、气候与生态系统的耦合演化提供了进程和机理上的约束，也为同类研究提供了方法学思路。
研究得到国家重点研发计划、中国科学院战略性先导科技专项（B类）、国家自然科学基金及中国科学院南京地质古生物研究所基础研究经费等支持，是“深时数字地球”国际大科学计划的成果之一。
论文相关信息：
Wang, M., Shi, Y. K., Yang, A., Zhang, H., Zhang, X., Wu, Y., Shi, Y., Liu, J., Wei, R., Jin, Z. & Li, M., 2026. Coupled sea-level and biodiversity dynamics during the Cambrian SPICE event. Nat. Commun. https://doi.org/10.1038/s41467-026-78601-x.
Wang, M., Li, M., Hajek, E.A., Kemp, D.B., Wu, Y., Zhu, H., Huang, C., Zhang, H., Ji, K., Zhang, R., Wei, R., Jin, Z., 2024. Assessing the preservation of orbital signals across different sedimentary environments: Insights from stochastic sedimentation modeling. Earth Planet. Sci. Lett. 642, 118866. https://doi.org/10.1016/j.epsl.2024.118866
王蒙，陈吉涛，王博，2026. 陆相旋回地层学的研究进展与挑战：深时天文信号的保存和破坏. 地学前缘. （已接收）
图1 北京西山下苇甸剖面的地质背景与SPICE地层记录 a-c，古地理、区域构造及剖面位置；d，露头中的多级沉积旋回；e-g，岩性、生物地层及碳同位素对比。f为剖面实测记录，g为GTS2020碳同位素曲线及其原有年代框架。
图2 北京西山下苇甸剖面炒米店组的旋回地层学综合分析；伽马序列、加权小波变换、功率谱及相关系数法显著性分析共同约束轨道周期解释及沉积速率。
图3 天文调谐后的寒武纪晚期环境与生物记录；图中自下而上展示了生物地层、伽马、碳同位素、沉积噪音、底栖物种丰度及全球层序框架。灰色区间标示古丈期内部与SPICE事件起始附近的两次物种丰度下降，均对应于相对海平面的快速下降。
图4 陆相沉积体系中天文信号的保存潜力与主要干扰湖泊、河流和三角洲在沉积连续性、自生过程及沉积噪音方面存在差异，长、短周期的保存潜力也随之变化。
图5 随机沉积过程对SPICE碳同位素记录的影响 a，理想化输入信号；b，经随机沉积过程形成的合成地层记录；c，下苇甸实测曲线。模拟检验沉积不均一对事件地层形态的影响。
图6 百万年尺度节律及海平面与底栖物种丰富度的相位关系 a-c、e-g，小波与功率谱结果；d，交叉小波与相位箭头；h，RMSE随时间偏移的变化，最小值对应的−70 kyr指示表示海平面变化指标领先底栖物种丰富度约70 kyr。
图7 海平面变化与底栖生态响应的综合示意上部为不同水深与底层环境条件下的示意图，下部为交叉小波结果。
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