研究人员对发现于化石化火山灰层中的放射性同位素进行了分析。锆石晶体内铀衰变为铅的过程使科学家们能够准确地给出重要历史事件的年代。研究确立了这样一个事件发生在大约1.195亿年前，与持续了110万年的大量火山喷发的证据相一致。本研究的发现增强了科学家们对大气二氧化碳（CO2）水平、气候变化和海洋状况之间关系的理解。
通过考察日本阿志别山坡上的古老岩石和化石，研究人员准确澄清了海洋缺氧事件1a（OAE 1a）的时机与持续时间，这一重要的环境干扰导致地球海洋中的氧气耗竭，引发了广泛的灭绝，特别是在浮游生物中。
长期以来存在一种假说，认为大规模的海底火山喷发导致了二氧化碳（CO2）的增加、全球变暖，以及在中生代期间海洋中氧气的减少（称为缺氧现象）。现在，包括西北大学的地球科学家在内的国际团队，成功地确定了火山喷发和OAE 1a的确切时间，这一事件开始于1.195亿年前。这项研究为火山排放的CO2直接导致这一缺氧事件提供了越来越多的证据。
此外，团队发现OAE 1a的持续时间仅为110万年多一点。这个重要数据帮助科学家理解地球气候和海洋系统的运作，特别是与当前变暖情况的关系。
这项研究近期发表在Science Advances期刊上，标志着迄今为止对海洋缺氧事件最精确的年代测定。
西北大学的高级作者Brad Sageman表示：“海洋缺氧事件部分是由于温室环境中的气候变暖造成的。为了准确预测未来人类导致的变暖情况，这些信息至关重要。理解未来最佳的方法是分析历史数据。”
Sageman的专长是古气候学，他是西北大学地球、环境与行星科学系的教授，并担任保拉·M·特里宁斯可持续发展与能源研究所的联合主任。
西北大学的关联
白垩纪时期经历了两个重大海洋缺氧事件和几次较小的缺氧事件，OAE 1a是其中两个最大事件之一。其可能原因是大规模火山喷发，迅速释放大量CO2到海洋和大气中。这不是普通的火山喷发；它们源自大型火成岩省，数百万年来喷出多达100万立方公里的玄武岩。当CO2与海水相互作用时，形成弱碳酸，实际上会溶解海洋生物的外壳。这种酸，加上低氧水平，对海洋生态系统造成严重后果。
对海洋缺氧事件的兴趣始于20世纪70年代中期，西北大学地质学家Seymour Schlanger和牛津大学教授Hugh Jenkyns的发现。在分析来自太平洋底部的沉积物样本时，他们识别出与大西洋和意大利岩石形成的样本在成分和年龄上相似的富含有机碳的黑色页岩。
这些沉积物最可能的解释是广泛缺氧。缺氧停止了已死亡植物和动物的有机物质分解，从而导致有机富集的全球模式。沉沉入水的浮游生物和其他残骸没有分解，而是积累起来形成富含有机碳的层次，遍布全球。
“是什么导致黑页岩同时在深海和陆地形成？”Sageman想知道。“Schlanger和Jenkyns意识到，一定发生了一个大规模的全球事件，导致海洋表面到海底的氧气减少。”
历史固化在岩石中
在他们的新研究中，研究人员将注意力转向了日本北海道一座山的西北边缘的古老地层。这些火山灰沉积形成的凝灰岩因造山运动而暴露，抬升了这些层次至海平面以上，形成了日本群岛。
通过收集和仔细研究这些凝灰岩，Sageman与他的博士生Luca Podrecca及其团队，终于能够深入了解地质历史。
Sageman解释道：“当岩浆从火山喷发出来时，它呈液态并开始冷却。在冷却过程中，晶体开始形成。一旦凝灰岩固化，这些晶体形成一个微小的封闭系统，捕获特定的原子，包括开始衰变的铀。这一衰变过程使我们能够确定喷发的年代，从而确定沉积岩层的年龄。我们的合作伙伴来自日本东北大学、英国达勒姆大学和西北大学，主要专注于层的特征及全球关联，而来自威斯康星-麦迪逊大学和博伊西州立大学的合作伙伴则是地球年代分析的专家。”
此外，研究人员还使用了碳等其他同位素，这些同位素表明碳循环的同步变化，以及铱，这种同位素跟踪火山活动和海洋化学变化。
Sageman解释道：“这些同位素系统对于关联OAE 1a时期在北海道、南法以及世界其他地方的层次至关重要。它们作为地质时间标记。”
精确确定时间轴
证据表明，在OAE 1a开始时，碳同位素比率出现了突然变化，这最初是由于进入碳循环的火山CO2增加而引发的，随后由于有机物质的过度埋藏。铱同位素比率的同步变化表明，火山物质大量涌入海洋。这些事件的时间与昂通岛Java Nui复合体的喷发相一致，这是一个类似于阿拉斯加规模的庞大火成岩省，位于西南太平洋。
随着对海洋从急剧上升的CO2中恢复的过程了解为期110万年，研究人员现已对CO2驱动的变暖事件的后果可能持续多长时间有了更清晰的认识，以及可能的影响，如海洋缺氧。
Sageman指出：“我们已经在墨西哥湾观察到了低氧区域。关键区别在于，之前的事件发生在数万到数百万年之内，而我们在不到200年的时间内引发了类似或更大的变暖。”
