当今地球系统处于晚新生代冰室气候背景下，大气CO2浓度持续上升，全球气候显著变暖。这一过程导致了海洋酸化和缺氧程度的加剧，以及海洋珊瑚礁系统衰退和生物多样性的降低。如果温室气体排放得不到有效控制，预计本世纪中期全球平均地表温度将突破《巴黎协定》提出的1.5℃和2℃温控目标，进而增加跨越气候临界点和生物灭绝的风险。地质历史时期曾发生过多次快速升温事件（极热事件），伴随海洋缺氧或酸化以及生物多样性降低。然而，这些已报道的极热事件均发生在两极无冰的温室气候背景下，缺乏可与当今冰室背景直接类比的气候边界条件。
晚古生代大冰期（距今约3.6至2.6亿年）是地球上自动植物繁盛以来唯一一个与现代大气CO2浓度相近的时期，因此，对晚古生代冰室气候背景下极热事件的研究可以为预测当今气候变暖的发展趋势及海洋环境和生物响应提供借鉴和启示。前人基于化石氧同位素研究指示在距今约3亿年前的卡西莫夫期与格舍尔期之交（Kasimovian-Gzhelian Boundary/KGB）可能存在一次气候变暖。然而由于数据时间分辨率较低，不同地区氧同位素变化的模式并不一致，目前关于KGB升温转折期海水温度的变化过程以及升温机制等认识还不清晰。
近日，中国科学院南京地质古生物研究所副研究员要乐、王秋来与中国科学院青藏高原研究所副研究员魏强合作，并联合多家国内外科研机构研究人员，通过对我国华南纳庆和纳饶剖面以及俄罗斯乌拉尔地区Usolka剖面开展古生物学与地层学、沉积地球化学、地球系统模拟等多学科的综合研究，首次系统揭示了晚古生代大冰期中一次极热事件的完整过程与机制。研究显示，在约3亿年前的冰室气候背景下，地球曾经历过一次由火山活动触发、天文轨道放大的快速升温事件，全球平均地表温度升高约7.5℃，大气 CO2浓度从约300 ppm飙升至700 ppm。相关成果于2026年8月11日在线发表于国际顶级学术期刊《美国科学院院刊》（PNAS）。
团队利用离子探针（Secondary Ion Mass Spectrometry/SIMS）微区原位分析方法，重建了高分辨率牙形刺SIMS氧同位素变化曲线，识别出在约3亿年前牙形刺氧同位素值存在一次显著降低，这指示一次快速全球变暖事件，即卡西莫夫期与格舍尔期之交极热事件（Kasimovian-Gzhelian Thermal Maximum/KGTM）。
另外，团队还揭示了KGTM极热事件包括两个升温阶段：初始阶段的小幅度升温和主阶段的快速升温。这两个阶段的低纬海水表层温度分别升高约2℃和3.5℃。纳庆剖面的天文旋回约束了KGTM初始和主阶段升温持续的时间分别约为6万年和3.5万年。因此，KGTM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）。
与地质时期其他极热事件相比，研究显示KGTM极热事件主阶段的升温速率与二叠纪末和三叠纪末两次生物大灭绝时期相近，但升温幅度明显小于后两者；与侏罗-白垩纪极热事件具有相似的升温幅度和速率，并伴随较低的生物灭绝率。这些结果指示升温速率和幅度共同控制生物多样性的变化。
KGTM极热事件主阶段的快速升温导致海洋环境和生物均发生了显著变化。团队基于汞同位素（∆199Hg 和δ202Hg）揭示了主阶段存在透光带硫化（photic-zone euxinia/PZE）环境扩张。同时，牙形刺发生了个体减小、多样性降低和组成转变；海洋生物礁系统出现后生动物礁减少和宏体钙藻礁繁盛。
是什么因素触发了这次极热事件？团队发现在初始升温阶段汞同位素∆199Hg值维持在高值（0‰至+0.04‰）并伴随汞与总有机碳比值（Hg/TOC）升高，这指示区域性火山活动是导致KGTM极热事件初始升温的主要原因。KGTM主阶段∆199Hg值显著降低反映该时期没有火山活动。在KGTM主阶段，牙形刺SIMS氧同位素低值对应短偏心率极高值和长偏心率高值，这指示天文轨道控制了该时期温度变化。因此，研究认为区域性火山活动和碳排放导致了KGTM的初始升温，伴随高偏心率胁迫作用可能会导致高纬度冰川融化和冻土碳排放，然后进一步加剧升温，导致更多的冰盖融化和冻土碳排放。在这种气候正反馈的作用下，气候状态可能会突破阈值，最终导致了巨量碳排放和KGTM主阶段的快速升温。
团队还利用地球系统模式（Community Earth System Model/CESM），重建了KGTM极热事件转折期不同大气CO2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，约束了KGTM期间全球平均地表温度升高约7.5 ℃，大气CO2浓度从约300 ppm升高至约700 ppm，进而揭示KGTM是跨越了当今气候状态的一次极热事件。
通过对晚古生代大冰期KGTM极热事件的研究，研究团队认为人类应当控制碳排放，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，避免突破气候状态阈值和快速升温事件的发生。
该研究得到国家自然科学基金委、中国科学院青年创新促进会和南古所全国重点实验室的联合资助。
论文相关信息：Le Yao*, Thomas J. Algeo, Qiulai Wang*, Wang Zheng, Qiang Wei*, Yu-ping Qi, Guzel M. Sungatullina, Genming Luo, Ganqing Jiang, Guoqiang Tang, Jian Zhang, Hui Wang, Yaqiu Zhao, Xing Huang, Qiu-Li Li, Xiang-dong Wang, Shucheng Xie, and Xian-Hua Li, 2026. A transient global warming event during Earth’s penultimate icehouse. PNAS, 123, e2601643123. https://doi.org/10.1073/pnas.2601643123.
图1 宾夕法尼亚亚纪卡西莫夫期与格舍尔期之交极热事件（Kasimovian-Gzhelian Thermal Maximum/KGTM）的升温过程与机制示意图
图2 宾夕法尼亚亚纪卡西莫夫期-格舍尔期碳同位素、牙形刺SIMS氧同位素、古海水温度、以及牙形刺个体大小的变化曲线。橘色条带和粉色条带分别代表KGTM的初始阶段和主阶段
图3 宾夕法尼亚亚纪卡西莫夫期-格舍尔期汞同位素、汞含量、总有机碳、以及Hg/TOC的变化曲线。橘色条带和粉色条带分别代表KGTM的初始升温阶段的火山作用和主升温阶段的海水透光带硫化
图4 宾夕法尼亚亚纪卡西莫夫期-格舍尔期碳-氧-铀同位素和牙形刺个体大小的变化曲线及其对应的长偏心率滤波，以及磁化率长偏心率和短偏心率滤波；浅粉色和浅蓝色条带分别代表KGB转折期冰室背景中变暖和变冷阶段
图5 基于CESM地球系统模拟和牙形刺SIMS氧同位素重建的海水表层温度对比，以及不同pCO2状态下全球海水表层温度分布图
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