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深时海洋氧气数据库对中生代大洋缺氧事件的精细刻画

申报人：赵浩彤 申报日期：2024-04-05

基本情况

2024
深时海洋氧气数据库对中生代大洋缺氧事件的精细刻画 学生选题
创新训练项目
理学
海洋科学类
教师科研项目选题
一年期
以中生代代表性极热事件（三叠纪末大灭绝、托阿尔期大洋缺氧事件、白垩纪大洋缺氧事件OAE2）为研究对象，开展指示海洋氧化还原状态地球化学指标和古生态指标数据的收集工作，在统一时空框架下，开展事件期间海洋氧化还原状态的全球可视化和海底缺氧面积定量数值模拟估计，精细刻画中生代代表性大洋缺氧事件的整体缺氧程度，并评估不同事件的差异性，为预测现代海洋在全球变暖背景下脱氧过程提供深时模板和全球定量约束。指导教师将提供额外经费支持建立数据库web可视化平台。深时数字地球国际大科学计划（Deep-time Digital Earth）将提供硬件和数据库技术支撑。
无

主要从事海洋沉积地球化学与深时地球系统模拟等领域的科研与教学工作。入选中组部2023年国家海外高层次人才引进计划青年项目，获得江苏特聘教授荣誉称号（2023年）。共发表SCI论文30余篇，其中包括一作在学科顶级刊物《Nature Geoscience》和《Science Advances》发表创新性成果。近五年学术引用1300余次。获批主持国家自然科学基金4项，包括海外优青项目、面上项目、重点研发计划专题及基础科学中心项目专题。国际学术兼职主要有英国利兹大学客座教授，英国自然环境研究理事会（NERC）基金评审专家和联合国教科文组织资助的地球科学领域IGCP 739项目秘书，并主持或参与多项国际大科学计划项目，包括深时数字地球大科学计划（DDE）专题项目和国际大陆科学钻探计划项目等。何天辰教授任国际期刊《Discover Oceans》编委、《Global and Planetary Change》、《Frontiers in Geochemistry》和《Frontiers in Ecology and Evolution》评审编辑和客座主编等，以及包括 Science和Nature在内20多种国际期刊的常邀评审，近五年有3次国际会议特邀报告、2次专题召集及3次个人海外大学特邀学术讲座。

2024 - 2026：国家自然科学基金优秀青年科学基金项目（海外）：沉积地球化学与深时地球系统演变，在研，主持

2024 - 2026：江苏省“双创计划”教育类项目（江苏特聘教授计划），在研，主持

2024 - 2027：国家自然科学基金面上项目：三叠纪末-早侏罗世海洋氧化还原状态的连续演变与磷循环研究，在研，主持

2024 - 2028：国家重点研发计划：地球深时大洋缺氧事件与环境演变（课题二：大洋缺氧事件海洋氧化还原状态的精细刻画），在研，专题主持

2019 - 2028：国家自然科学基金基础科学中心项目（大陆演化与季风系统演变：大陆演化与海洋环境方向），在研，专题主持

2023 - 2026：中央高校基本科研业务费（河海大学高层次人才引进科研启动费），在研，主持

2021 - 2024：国家自然科学基金面上项目：华南寒武纪早-中期海洋氮循环和氧化还原状态的时空演化研究，在研，参与

2023 - 2023：河海大学国际合作交流引导资金专项项目（深时数字地球国际大科学计划深时水循环国际研究中心筹备专项），结题，主持

指导教师近五年主持或参加的国家自然科学基金项目/课题有：国家自然科学基金委员会, 面上项目, 42073006, 华南寒武纪早-中期海洋氮循环和氧化还原状态的时空演化研究, 2021-01-01 至 2024-12-31, 61万元。且指导教师将提供额外经费支持建立数据库web可视化平台。本项目与指导教师承担的国家级项目课题“地球深时大洋缺氧事件与环境演变”高度融合。且该项目团队由国内深时古环境、古生物学和年代学研究优势力量组成，长期从事中生代古环境和古生物研究，在生物与环境演化领域具有深厚积淀（获得国家杰出青年科学基金1人次、国家优秀青年科学基金1人次、 国家海外高层次青年人才2人、国家级青年人才1人），曾承担国家重点基金项目和国家973项目等多项重大科研任务，在 Science、Nature、Science Advances、Nature Geoscience、Nature Communications、PNAS 等期刊发表一系列高水平研究论文，拥有重要国际影响力。
校级

项目成员

序号 学生 所属学院 专业 年级 项目中的分工 成员类型
赵浩彤 海洋学院 海洋科学 2022 负责课题组的管理，制定方案、DDE数据库数据汇总、文献数据提取、数据的空间可视化、撰写论文
陈丁一 海洋学院 海洋科学 2022 文献数据提取、数据的空间可视化、撰写论文
康翔 海洋学院 海洋技术 2022 文献数据提取、数据的空间可视化、数值模拟、撰写论文

指导教师

序号 教师姓名 所属学院 是否企业导师 教师类型
何天辰 海洋学院 否
G张华 校外导师库 是

立项依据

百年来古生物化石证据证实了寒武纪早期（540 Ma）动物爆发式的出现。 然而“寒武纪大爆发之谜”，即“什么因素控制了寒武纪大爆发的发生”，正是当今演化生物学和地球科学领域的重大基础前沿科学问题。

1．建立中生代典型大洋缺氧事件前后和期间深时海洋氧化还原状态数据库，并绘制该时期全球海洋水体氧化还原状态分布图，定量化并解析大洋缺氧的驱动因素，缺氧事件有些伴随着生物集群灭绝，例如二叠纪-三叠纪之 交（P/T）和三叠纪-侏罗纪之交(T/J)，而另一些对生态系统影响较弱，仅表现为海洋生物演替，如侏罗纪-白垩纪大洋缺氧事件T-OAE和OAE2。


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Figure 1白垩纪中期大洋缺氧事件与古海洋地质地球化学记录（据黄永健，2007）

 探究这种差异的原因，进而为后期揭示生态系统对重大古海洋环境突变事件的响应机制提供新的解题思路。

2．以中生代代表性极热事件（三叠纪末大灭绝、托阿尔期大洋缺氧事件、白垩纪大洋缺氧事件OAE2）为切入点，在其相关文献中检索搜寻指示海洋氧化还原状态地球化学指标和古生物/生态指标数据，通过建立筛选可靠数据的判别体系，为后期判断地球化学古海洋氧化还原条件提供指示性基础。通过比较数据库，了解大洋缺氧事件对全球海洋生态系统变化影响程度

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Figure 2：显生代海温变化（Scotese et al.， 2021） 大气 CO2 （局部估计的散点图平滑最适合应用的所有不同代理;Foster等人，2017年和Wu等人，2021年）和表层海水中的溶解氧（Song等人，2019年）。橙色线标记与主要脱氧事件相关的高热时间（Meyer和Kump，2008;Song 等人，2017 年;Song et al.， 2019）

      同时，以古论今，以中生代的大洋缺氧事件具有不同的极热效应背景，因此，其大洋脱氧速率，海洋缺氧程度和范围不同。通过对这些深时大洋缺氧事件海洋氧化还原程度和全球分布的定量和全球可视化，建立不同条件下的脱氧过程模版，以预测现今快速增温条件下全球陆缘海的脱氧的未来长时间尺度的变化趋势和速率。

1汇集数据与整理归纳

关于中生代大洋缺氧事件期间海洋氧化还原状态的研究目前已较为丰富，但未能将这些数据归纳整理，形成全球，跨不同海域，水深梯度的数据库。而且此前的研究大多着重于缺氧事件期的海洋氧化还原状态，而忽视了事件前后海洋水体的氧化还原特征，不利于还原缺氧事件前后的氧化还原状态的连续演变过程。

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Figure 3：沿海和全球海洋中低O2区域（即O2<62μmolkg-1）的全球分布（来自Breitburg等人，2018）。

在团队及前人的研究基础上，提取相关文献内的地球化学和古生物数据，发展和完善能够表征氧化还原条件的同位素和元素地球化学指标，以识别大洋缺氧事件期间全球或区域古海洋、不同水深梯度水体氧化还原状态，精细重建全球性海洋脱氧的过程，并分析不同大洋脱氧事件之间的差异。建立可靠的数据质量控制和筛选的综合判别体系。

本项目针对中生代临近期以及中生代期以内的海洋水体氧化还原相关替代性数据进行筛选和整理归纳，搭建起系统完善的海洋水体氧化还原特征数据库。

2氧化还原空间可视化

对数据库中不同氧化还原替代性数据进行统计学数据分析，并绘制该时期全球海洋水体氧化还原状态分布图，运用深时数字地球国际大科学计划（DDE）来提供技术支撑并运用Gplate系统进行数据库的可视化，解析大洋氧气循环的控制因素。在已有全球古地理数据库和地层资料数据库和古生物数据库基础上，统一时空尺度， 建立完整的氧化还原指标体系的沉积地球化学数据数据库。而不同数值模拟系统产生不同的误差范围值，这

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Figure 4：各种模型预测的全球海洋O2含量变化（IPCC AR5，摘自Bopp等人，2013年）。模型显示下降了0.6%（1960-2000年代），而Schmidtko等人（2017）等观测结果的汇编表明变化更大，约为3倍。

对于后期绘制该时期全球海洋水体氧化还原状态分布图有不同意义的参考与精确度价值。

因此，本项目旨在集大众之才智，综合分析，运用总结规律得出的相关海洋氧化还原性指标，得出各时期较精准全球海洋氧气含量变化状况，在Gplate系统的板块模型和cGenie模式内显示，以此来实现对大洋缺氧事件的在不同水深梯度和海域的总体水体氧化还原状态的地图空间化展示。

二十世纪七十年代，通过深海钻探计划研究，前人发现全球白垩纪中期海相 地层中发育一套富有机质黑色页岩，由此提出“大洋缺氧事件”理论来解释这一 现象（Oceanic Anoxic Event，简称 OAE)。后续研究发现，显生宙其他时期也 发生了多次区域性或全球性 OAE。OAE 是地球多圈层相互作用的结果，以全 球碳循环、气候和海洋物理化学条件剧烈波动为主要特征，对生态系统造成深刻 影响，因此被视为研究深时地球系统运行机制的重要窗口，也是预测未来全球变 暖背景下海洋、气候演化的重要参照。

精确的年代学框架是 OAE 全球对比和演化过程分析的关键。基于旋回地层 学、放射性同位素年代学、生物地层学和化学地层学等相结合的方法，前人根 据不同地区研究资料建立了相对完备的中生代大洋缺氧事件的年代标尺，发 现不同事件持续时间差异显著，从约二十万年（PETM）到大于五百万年。目 前研究中存在的突出问题是，不同地区建立年代学框架不一致的情况普遍存在 ，因而限制了对事件各阶段环境演化速率的准确估计和评价。

参考文献：

[1]黄永建,王成善,顾健.白垩纪大洋缺氧事件:研究进展与未来展望[J].地质学报,2008(01):21-30.

[2] Christopher R. Scotese, Haijun Song, Benjamin J.W. Mills, Douwe G. van der Meer, Phanerozoic paleotemperatures: The earth’s changing climate during the last 540 million years, Earth-Science Reviews, Volume 215, 2021, 103503, ISSN 0012-8252,

[3] Karin E. Limburg, Denise Breitburg, Dennis P. Swaney, Gil Jacinto, Ocean Deoxygenation: A Primer, One Earth, Volume 2, Issue 1, 2020, Pages 24-29, ISSN 2590-3322,

[4] A.M. Mancini, F. Lozar, R. Gennari, R. Capozzi, C. Morigi, A. Negri, The past to unravel the future: Deoxygenation events in the geological archive and the anthropocene oxygen crisis, Earth-Science Reviews, Volume 249, 2024, 104664, ISSN 0012-8252,

创新点一

相较于以往对独立事件开展研究，本项目特色是开展多个缺氧事件的对比研究，揭示不同事件期间古海洋环境变化的差异性。本项目拟通过先进的指标体系结合模型计算，对各代表性缺氧事件的古环境变化幅度与速率进行定量标定。在此基础上，对比深时大洋缺氧事件在起因、演化过程和地球系统反馈等方面的差异性和普遍规律。

创新点二

建立可定量表征不同大洋缺氧事件期间海洋缺氧程度的指标体系和新方法。依托深时数字地球（DDE）国际大科学计划，在全球大洋沉积数据库上，整合形成深时大洋缺氧事件沉积物质与海洋生态系统数据库。数值模拟包括缺氧相关大数据约束下的地球系统模式 SCION 和 cGENIE，以及他类各种衍生模拟系统的支撑。将缺氧事件有关的全球数据和模拟有机结合，深入理解大洋缺氧发生的过程、机制和影响。

创新点三

综合集成大洋缺氧事件有关的高分辨率地质记录、全球数据和模拟结果，深化对中新生代多期次大洋缺氧的时空分布、成因机制、生态响应的理解，构建大洋缺氧发生过程和机制的理论框架。

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1.数据库建设

通过收集全球现有的古海洋氧化还原替代性指标开源数据集和数据库、调用全球现有非开源数据库和未形成数据集的头部数据库搭建基础数据库。随后，选择合适的数据库管理系统，建立起海洋氧化还原数据的存储结构和管理机制。同时，开发数据采集和清洗工具，实现对海洋氧化还原数据的自动化处理和更新。弥补前人研究过程中遗留下来的不连贯缺失空白。

2.数据分析和制图平台

应用统计学原理和大数据算法，对海洋氧化还原数据进行分析和挖掘，总结规律与导致异动的关键性因素。建立数学模型，对海洋氧化还原的演变过程进行建模和预测。并结合Gplate系统，在古板块模型内深刻显示数据内容与对比状况，通过调用多次地球化学多箱式模型系统模拟，提供整体数据库的可视化。

每月项目安排

月份

任务分工

详细说明

2024年4月——8月

查阅文献、熟悉python网站应用技巧、DDE相关项目技术了解、Gplate系统了解

熟悉掌握python理论内容，爬虫技术或各种库运用；搜阅中生代时期内，各类大洋缺氧事件数据；了解DDE提供的技术学习平台。

2024年8月——中期

汇集文献内数据、运用pyhton汇总分析、DDE相关项目技术了解、Gplate系统与多箱式系统模型了解

Python运用，汇集整合搜阅的文献内各数据内容，整合入webs，为后期可视化工作提供原材料基础；DDE相关项目进行参与学习，并运用至数据库完善建设。

2025年中期——4月

完善数据库建设、绘制海洋氧含量分布图、DDE相关学习项目参与、Gplate系统模拟结果与数据库可视化

在DDE技术的支撑条件下完善数据库建设与内容的修正，同时结合多箱式模拟数据绘制氧含量分布图，做到Gplate古板块内容的氧含量数据可视化。

2025年4月——末期

完善数据库建设、对比分析氧含量分布图、发表论文

完善数据库自动更新、数据迭代等相应功能，分析数据内容，分析图表与模拟成果过程，发表相关期刊论文

a.个人课程

在进行基础性的专业化课程教学的同时，又掌握相关python应用实践技巧，并在后续地球化学相关课程内细化开展学习，对本项目的持续化研究开展具有推波助澜的作用。同时，在DDE专题项目学习与参与过程中，对本项目起到协助性技术支撑的作用，并对后期数据库可视化环节与论文撰写发刊有更好的理论基础。

b.指导导师课题组已有基础与相关支持

本项目所依赖课题组内成员已发表三篇英文 SCI 论文以研究寒武纪时期古海水碳、硫循环为主要内容，科学通报文章综述了显生宙长时间尺度碳循环演变的地球系统箱式模型工作，并对国际上最新的地球系统箱式模型SCION模型进行了完善，这些工作为本项目数据库模拟可视化打下良好基础。并拥有利用海洋沉积物和化石等材料，以同位素和元素地球化学为核心手段，结合地球系统模型进行定量模拟，致力于中生代早期极端气候环境突变、 古海洋化学演化与重大生物环境事件关系的研究。项目内成员近五年深度参与以研究三叠纪末-早侏罗世地球系统演化为目标的国际大陆科学钻探计划，与国内外知名学者广泛合作研究三叠纪末大灭绝事件和早托阿尔期大洋缺氧事件时期的全球古海洋氧化还原条件和生物地球化学的转变，在 Science Advances、Global and Planetary Change 等国际学术期刊取得了一定的亮点成果（部分见代表性论著列表）。

c.依托项目

本项目主要依托国家重点研发计划课题组，其关键科学问题是，准确刻画中生代-古近纪典型大洋缺氧事件期间海洋氧化还原状态和演化过程，从而为揭示事件的成因机制、环境与生物耦合作用提供基础。要解决上述关键问题，需要建立反映跨水深梯度和不同海域的水体氧化还原指标体系，结合主流地球系统模型，定量重建大洋缺氧事件期间海水缺氧程度和氧化还原条件时空演化。因而，可以为本次项目的实施提供理论性的技术指导，并与DDE项目合作，更深一步的加快对全球海洋氧化还原状态与演化过程的认知。

a.导师项目支撑

本项目与指导教师承担的国家级项目课题“地球深时大洋缺氧事件与环境演变”高度融合。以地球系统科学为指导，以中生代-早古近纪典型大洋缺氧事件为突破口，重 点研究事件期间海洋氧化-还原状态、演化过程与形成机制，以及生态响应与反馈，加强不同事件之间对比研究，恢复地球表层海洋-大气-生物多圈层的相互作用机制，揭示和预测地球宜居性的发展历史与演变方向。

b.深时数字地球国际大科学计划（DDE）技术支撑

本项目与DDE同时开展合作关系，在项目开展初期，有效利用DDE平台学习相关技术，并在平台内为后期数据库建设与完善提供理论基础。最终DDE将提供硬件和数据库技术支撑。

c.学院技术支撑

本项目将依托河海大学海洋学院开展工作。海洋学院的海洋地质研究所重点发展领域为“深时古海洋重大事件与生物演化”和“气候演变与地球系统模拟”，且建有满足沉积学研究需求的海洋科学实验中心，支撑海洋环流与气候模拟的大数据分析和模拟的高性能计算机集群。在实验平台方面，海洋学院全力支持各项实验需求。

经费预算

开支科目 预算经费（元） 主要用途 阶段下达经费计划（元）
前半阶段 后半阶段
预算经费总额 1500.00 如下 1000.00 500.00
1. 业务费 1500.00 如下 1000.00 500.00
（1）计算、分析、测试费 0.00 无 0.00 0.00
（2）能源动力费 0.00 无 0.00 0.00
（3）会议、差旅费 1500.00 DDE项目会议差旅，进行必要的研讨会 1000.00 500.00
（4）文献检索费 0.00 无 0.00 0.00
（5）论文出版费 0.00 出版成果 0.00 0.00
2. 仪器设备购置费 0.00 无 0.00 0.00
3. 实验装置试制费 0.00 无 0.00 0.00
4. 材料费 0.00 汇集数据，数据库搭建。 0.00 0.00
结束

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