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  • 西北太平洋地区末次冰期北极物种的南移
    本次研究对于理解西北太平洋地区在末次冰期的古生态古环境演化有重要意义,对于了解海洋生物对环境变化的响应以及人为和气候变化导致的极地物种迁移具有重要的参考价值。
      东亚冬季风作为亚洲季风系统的重要组成部分,对东亚地区气候和环境演变具有重要影响。然而,东亚冬季风气候动力学对海洋生物的影响并未引起足够的关注。西北太平洋地区凭借着其重要的地理位置及其对气候变化的敏感性,成为研究全球变化和古季风演化的理想场所。
      由中国科学院南京地质古生物研究所、河海大学、美国史密森尼国家自然历史博物馆和香港大学组成的国际研究团队,在黄海和日本海选取了8个站位,重建了该区域在末次冰期北极介形虫的时空分布。研究将有助于深入理解北极物种的生物地理分布格局及其对气候变化的响应机制。相关研究成果于近期发表在《地球物理研究通讯》(Geophysical Research Letters)。
      研究团队在南黄海YSZK-1站位的沉积物柱状样中发现33属43种介形虫。通过非度量多维尺度分析(non-metric multidimensional scaling),将这些介形虫分为三个组合,分别为:主要分布于北极区域的介形虫组合、温带和亚热带介形虫组合以及冷水介形虫组合;而这些北极介形虫和冷水介形虫分别出现在两次不同的时间段。通过与南黄海其他站位及日本海IODP U1427站位等的对比分析,并结合AMS 14C测年结果和光释光测年结果,研究人员首次确定了北极介形虫出现在黄海的时间,即第一次出现在12万至10万年前,第二次的时间为3万至1.5万年前。
      北极介形虫的出现在黄海一直被用于指示古冷水团的存在。目前冷水团主要分布于黄海中央海槽附近,平均深度44米,温度小于10℃且盐度范围在32-33‰之间。这些深度、温度和盐度范围实际上也符合所发现的北极介形虫生活的舒适环境,然而现今在黄海水体中只发现了一种主要栖息于北极附近的介形虫。
      研究人员进一步比较现今黄海和北极海域的环境情况后,认为末次冰期北极介形虫在黄海的两次出现事件意味着增强的且温度更低的古冷水团的存在。此外,前人研究也证实,强东亚冬季风会促进黄海冷水团的形成,并进一步影响西北太平洋地区的海洋生态系统。而东亚冬季风增强的时间,也与北极介形虫出现在黄海的时间相吻合。因此,研究人员认为强东亚冬季风在12万至10万年前和3万至1.5万年前出现,促进了黄海古冷水团的形成并降低黄海冬季的水体温度,从而使北极介形虫能够向南栖息至黄海海域。
      本次研究对于理解西北太平洋地区在末次冰期的古生态古环境演化有重要意义,对于了解海洋生物对环境变化的响应以及人为和气候变化导致的极地物种迁移具有重要的参考价值。
      南京古生物所王贺博士和香港大学Moriaki Yasuhara副教授为论文的通讯作者,河海大学张鹏辉副教授和美国史密森尼国家自然历史博物馆Huai-Hsuan M. Huang博士为论文的共同第一作者,合作者包括香港大学洪媛媛博士和Skye Yunshu Tian博士,中国地质调查局青岛海洋地质研究所刘健研究员、陈建文研究员和梁杰正高级工程师,以及韩国首尔大学Yong Il Lee教授。
      本项研究得到江苏省自然科学基金、现代古生物学和地层学国家重点实验室开放课题、国家自然科学基金以及中国地质调查局项目等共同资助。
      论文相关信息:Zhang, P., Huang, H.-H. M., Hong, Y., Tian, S. Y., Liu, J., Lee, Y., et al. (2022). Southward migration of Arctic Ocean species during the Last Glacial Period. Geophysical Research Letters, 49, e2022GL100818. https://doi.org/10.1029/2022GL100818.
      图1 本研究报道的黄海和日本海站位的分布图
      图2 本次研究发现的北极介形虫分布范围以及生活环境
      图3 北极介形虫在黄海钻孔和日本海站位中的分布对比图
    2022-11-18
  • 辽西初现白垩纪最早的花蕾
    这枚产于凌源的化石命名为“凌源古蕾”。该化石是目前人们在白垩纪地层中发现的最早的花蕾化石。相关研究成果刊登在瑞士学术期刊《生物学》(Biology)上。
      被子植物的花朵给世界带来了美丽芬芳,也是植物吸引昆虫协助传粉的利器。植物学意义上的花朵和通常概念中的花朵有所不同:前者指的是被子植物的生殖器官,后者指的是拥有艳丽好看的花瓣的花朵。
      虽然早白垩世义县组地层产出过不少被子植物的生殖器官(例如著名的古果),但此前的化石中并未发现典型意义上的花朵——没有是艳丽好看的花瓣。
      近日,中国科学院南京地质古生物研究所王鑫研究员和深圳市兰科植物保护研究中心陈利君高级工程师共同研究了一块来自辽宁省凌源市大王仗子附近的义县组地层中保存完好的花蕾化石。他们将这枚产于凌源的化石命名为“凌源古蕾”。该化石是目前人们在白垩纪地层中发现的最早的花蕾化石。相关研究成果刊登在瑞士学术期刊《生物学》(Biology)上。
      本次发现的化石花蕾长在一个15mm长的细梗上;花蕾呈椭圆形,长17mm,宽9mm;底部有类似花萼的结构,其上是层层包裹着花蕊的花瓣。由于松柏类中某些球果与凌源花蕾类似,因此,研究人员特意将其与当时常见的松柏类球果加以了区分。松柏类球果的梗一般粗短,球果表面有粗糙的鳞盾,鳞盾之间鲜有重叠和覆盖;而凌源花蕾的梗偏长,花蕾表面相对光滑,至少有三层花瓣相互重叠和覆盖。
      凌源花蕾的发现表明,通常意义上的“花朵”在早白垩世已经出现。漂亮的花瓣除了吸引来访的昆虫协助完成授粉过程外,其另外一个重要功能是保护花蕾内幼嫩的花蕊。此次发现的花蕾化石也给未来在义县组中发现盛开花朵提供了借鉴。凌源花蕾的出现还表明,早白垩世的被子植物与昆虫很可能已经开始了协同演化。
      论文相关信息:Chen L-J, Wang X. A Flower Bud from the Lower Cretaceous of China. Biology. 2022; 11(11):1598. https://doi.org/10.3390/biology11111598.
      花梗顶端的花蕾以及叠覆的花瓣
      电子显微镜下三层叠覆的花瓣
    2022-11-04
  • 被子植物起源研究获进展
    被子植物既是人类起源的重要生态因素,又是人们赖以生存的重要生物资源。因此,被子植物也成为了植物学家最为关注的植物类群。尽管上百年来人们不懈努力,被子植物的起源仍是植物学家所面临的难题。
      被子植物既是人类起源的重要生态因素,又是人们赖以生存的重要生物资源。因此,被子植物也成为了植物学家最为关注的植物类群。尽管上百年来人们不懈努力,被子植物的起源仍是植物学家所面临的难题。
      按照传统理论,被子植物雌蕊的基本单元——心皮,是由边缘上长胚珠的大孢子叶经过沿纵向内卷形成的。近年来,中国科学院南京地质古生物研究所王鑫研究员提出了新的“一统理论”,即心皮是由一片叶包裹一个长胚珠的枝形成的复合结构。这一理论有部分化石证据支持,也符合当前植物功能基因的研究成果。
      近日,王鑫和西班牙比戈大学桑托斯博士共同研究了一块保存完好、来自三叠纪的植物生殖器官的化石,并将其命名为“三叠纪跨界者”(Combina triassica)。该枚化石中的花既具有裸子植物松柏类的外貌,又具有近似被子植物的胚珠包裹状态。相关研究成果《来自西班牙中三叠统的前心皮》发表于国际著名的学术期刊《植物》(Plants)上。
      化石中该器官类似于在三叠纪常见的松柏类的球果,但研究者仔细观察后发现这个“球果”的“苞鳞”几乎完全包裹住了其腋部的倒生胚珠。之所以说“几乎完全包裹住”是因为“苞鳞”在其腹面还留了一个缝。这个“缝”则意味着该生殖器官对其胚珠的包裹程度尚未达到被子植物的程度。
      “三叠纪跨界者”化石对于植物学家们认可新的植物理论具有重要意义。因为它的形态结构没有超出一统理论的预测范围,却与此前传统理论的预测不符。
      相关研究得到了中国科学院战略先导专项、国家自然科学基金及欧洲社会基金等的资助。
      论文相关信息:Santos, A.A.; Wang, X. Pre-Carpels from the Middle Triassic of Spain. Plants 2022, 11, 2833. https://doi.org/10.3390/plants11212833.
      三叠纪跨界者的模式标本
      生殖器官侧生单元的腹缝线(箭头)
      伴生的一个侧生单元中的胚珠,腹面观;箭头指向其珠柄
    2022-10-31
  • 滦平盆地早期热河生物群新的天文年代标尺

      早白垩世热河生物群是一个世界级的陆地特异埋藏化石宝库,保存有很多精美的化石,包括带毛的恐龙、早期鸟类、哺乳类、翼龙类、鱼类、两栖类以及无脊椎动物和早期被子植物等,极大地提升了我们对中生代陆地生态系统和众多生物起源和演化的认知。
      热河生物群主要分布于东亚地区,我国的河北北部(冀北)、辽宁西部(辽西)和内蒙古东南部是其核心分布区。热河生物群分为早期、中期和晚期三个演化阶段。早期热河生物群主要保存于冀北滦平盆地大北沟组(二段和三段)和四岔口盆地花吉营组;中期和晚期热河生物群主要保存于辽西的义县组和九佛堂组。尽管中期和晚期热河生物群的生物多样性明显高于早期热河生物群,但早期热河生物群包含很多基干类群,因此建立早期热河生物群高分辨率的年代标尺对深入了解热河生物群的起源至关重要。
      前人曾对滦平盆地大北沟组和四岔口盆地花吉营组中的火山灰进行了多种方法的锆石U-Pb定年测定,但受限于定年方法和精度,以及可用于定年的火山灰层数量的限制,早期热河生物群高分辨率的年代标尺尚未建立。
      近期,中国科学院南京地质古生物研究所房亚男博士、张海春研究员、王博研究员、郑大燃研究员等与美国哥伦比亚大学Paul Olsen教授合作,通过对滦平盆地榆树下剖面大北沟组二段和三段的“Depth ranks”数据进行天文旋回分析,建立了完整且高分辨率的早期热河生物群天文年代标尺(132.4-130.7 Ma),并在此基础上探讨了影响早期热河生物群发展和保存的气候因素。该成果近期发表于国际期刊杂志《三古》(Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology)上。
      “Depth ranks”是一系列数字化的沉积微相,分别代表不同的湖水深度。在封闭的、构造稳定的陆相湖盆中,湖平面的变化主要受控于气候因素,因此depth ranks是最直观的古气候替代指标。本研究在大北沟组二段和三段共识别出九个沉积微相。一个极端是滨湖相沉积,主要由10-30cm厚、横向稳定的板状细砾岩(砾石颗粒呈圆形或次圆形)组成,被赋予depth rank “0.5”;另一个极端是深湖相沉积,主要由富含化石的深灰色泥岩组成,被赋予depth rank “4.5”。通过高分辨率的野外地层测量和描述,本研究在厚约185m的大北沟组二段和三段共划分了450个depth rank层段,平均采样密度约40cm;最终获得一条高分辨的相对湖平面变化曲线(图1)。
      通过对depth ranks进行天文旋回分析,发现在早期热河生物群发育期,滦平盆地的湖平面受到多个米兰科维奇旋回的控制,包括405 kyr的长偏心率、~100 kyr的短偏心率、~40 kyr的斜率和~20 Kyr的岁差(图1和图2)。405 kyr的长偏心率是由木星和金星轨道近日点之间的相互作用造成,并被证实稳定性一直可持续到晚三叠世。本研究将depth ranks调谐到405 kyr曲线上,建立了长约1.7 Myr的天文浮动标尺(图3)。将该条标尺锚定在已发表的锆石U-Pb年龄上,为早期热河生物群建立了132.4-130.7 Ma的天文年代标尺(图3)。
      通过孢粉分析表明,在早期热河生物群发育期,滦平盆地气候湿冷。基于目前的天文年代标尺,本研究认为早期热河生物群的发展可能受到全球气候变冷事件(Weissert Event)和古纬度的共同影响。同时,与张家口组和大北沟组一段沉积期火山频繁喷发的环境不同,在大北沟组二段和三段沉积期,滦平盆地环境平稳、湖泊发育,为早期热河生物群的发育创造了条件。
      在更小的时间尺度内,早期热河生物群主要保存于深湖相泥岩中,而湖平面的变化主要受控于米兰科维奇旋回。结合早期热河生物群较冷的气候背景,本研究认为在偏心率峰值期的低岁差期(北半球夏季位于近日点)和高斜率期有助于缓解湿冷的气候条件和湖泊的发育,从而有助于生物的发展和保存。
      此项研究获得了国家自然科学基金委和现代古生物和地层学国家重点实验室的资助。
      论文相关信息: Yanan Fang*, Paul Olsen, Daran Zheng, Naihua Xue, He Wang, Chunpeng Xu, Sha Li, Bo Wang, Haichun Zhang, 2022. A new astronomical time scale for the early Jehol Biota in the Luanping Basin, northeastern China. Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology 607, 111273. https://doi.org/10.1016/j.palaeo.2022.111273.
      图1 滦平盆地榆树下剖面大北沟组二段和三段岩性地层、生物地层、depth ranks、相关滤波及小波变换图
      图2 滦平盆地大北沟组二段野外照片
      图3 滦平盆地大北沟组二段和三段天文年代标尺
    2022-10-24
  • 喜马拉雅块体中奥陶世腹足类化石及古地理演化研究进展
    腹足类动物作为现代地球上最繁盛的软体动物,其化石组合也有着重要的古生态学和古地理学意义。2016年以来的几次野外期间,研究团队在西藏聂拉木地区采集到了大量完整保存的腹足类化石。
      我国西藏最南部的喜马拉雅地块是目前地球上海拔最高的区域,其沉积历史、构造演化、古生物面貌和矿产资源等一直是地质学领域研究的热点。近年来,中国科学院南京地质古生物研究所早古生代研究团队针对该区域的下古生界进行多次野外工作,在沉积学、碳同位素化学地层学、牙形刺和笔石生物地层学等领域取得了一系列研究成果。
      腹足类动物作为现代地球上最繁盛的软体动物,其化石组合也有着重要的古生态学和古地理学意义。2016年以来的几次野外期间,研究团队在西藏聂拉木地区采集到了大量完整保存的腹足类化石。
      近期,南京古生物所李文杰博士、方翔副研究员、黄家园博士生和张元动研究员等,与来自曲阜师范大学、泰国马哈沙拉堪大学和澳大利亚新南威尔士地质调查局的同行合作,系统研究了这批腹足类化石标本,并依据该地层产出的其他门类化石组合规律和沉积学特征讨论这些腹足类化石的古生态学意义。同时,研究团队还收集了周边地区奥陶纪腹足类化石产出记录,利用定量分析手段开展了中–晚奥陶世之交的古地理演化研究。相关研究成果近期发表在国际SCI期刊《远古世界》(Palaeoworld)上。
      研究团队系统描述了新采集自阿来剖面阿来组的腹足类标本,共2属5种,对前人在该地区报道过的部分标本进行了厘定。牙形刺生物地层指示这些腹足类属于中奥陶世达瑞威尔中晚期。阿来组所产出的腹足类化石以马氏螺(Maclurites)占绝对优势,同时伴随少量的“链房螺”("Hormotoma")和铁饼螺(Tropidodiscus)。这种腹足类组合特征与前人在北美识别的生活在底栖组合BA2-4的马氏螺群落(Maclurites community)高度相似。结合前人报道的阿来组腕足动物化石产出记录和沉积微相特征,本研究认为阿来组的腹足类也属于马氏螺群落,并且可指示水能较高的BA2-3(水深约5–60 m)。
      研究还发现产自喜马拉雅块体的马氏螺群落可以与华北板块西缘同时期地层桌子山组中的马氏螺群落对比,并且两地在达瑞威尔晚期均发生了显著的水体加深现象,导致马氏螺群落几乎同时消失。伴随这一现象,喜马拉雅块体中原本与华北十分相似的直角石类头足类和暖水牙形刺等生物类群也被华南型的特征分子所替代。
      研究人员还对我国主要块体和澳大利亚产出的奥陶纪腹足类化石记录进行聚类分析,发现从大坪期(中奥陶世早期)到桑比期(晚奥陶世早期),华北逐渐远离喜马拉雅;而华南则与喜马拉雅逐渐靠近,在桑比期腹足类面貌与喜马拉雅块体有着极高的相似性。
      本研究依据奥陶纪腹足类化石和沉积岩相对比,进一步揭示了冈瓦那周缘地区在奥陶纪中-晚期之交发生的动物区系转换现象,并认为该事件与海平面上升以及构造活动有紧密联系,进而对于理解冈瓦那周缘地区在奥陶纪的生物古地理演化有重要意义。
      本研究得到第二次青藏科考项目、国家自然科学基金和中国科学院战略性先导科技专项(B类)联合资助。
      论文信息:Li, W.J., Fang, X., Yu, S.Y., Burrett, C., Zhen, Y.Y., Huang, J.Y., Zhang, Y.D. Middle Ordovician shallow-water gastropods from southern Xizang (Tibet), China. Palaeoworld, https://doi.org/10.1016/j.palwor.2022.08.003.
      图1. 西藏聂拉木地区阿来剖面阿来组的马氏螺标本Maclurites xizangensis(A–B)和Maclurites cf. xizangensis(D–I)
      图2. 华北西缘桌子山组的鄂尔多斯“链房螺”(‘‘Hormotoma” ordosensis)(A)和西藏阿来剖面阿来组的鄂尔多斯“链房螺”(‘‘Hormotoma” ordosensis)(B–E)
      图3. 达瑞威尔期冈瓦那和冈瓦那周缘地区马氏螺群落古地理分布特征(A)和达瑞威尔中–晚期华北西缘和喜马拉雅块体岩相、生物相转换事件对比(B)
    2022-10-20
  • 气候变冷期的缺氧海水扩张逆转奥陶纪生物大辐射
    距今约4.6亿年的奥陶纪大辐射,是地球历史上规模最大的生物辐射事件之一。最近,中国科学院南京地质古生物所科研人员与国外同行合作研究发现,奥陶纪气候变冷期的缺氧海水扩张,可能是大辐射期间生物多样性达到峰值之后发生明显转折的诱因。相关研究成果发表在国际知名刊物《地球与行星科学快报》(Earth and Planetary Science Letters)上。
      奥陶纪是生物与环境协同演化的关键时期,不仅见证过大气氧气含量的阶段性上升和二氧化碳浓度的长期下降,还记录着海洋动物的爆发和早期植物的登陆。其中,海洋动物多样性的迅速增长和生态系统的复杂化,在地球生物演化史上被称为“奥陶纪生物大辐射”。对此,前人曾提出多种成因假说,如气候变冷、大气氧化、海平面上升,甚至包括地外因素如小行星分解等。然而,多样性峰值之后的转折及其环境背景机制,却一直未被深入研究。
      近期,中国科学院南京地质古生物研究所张俊鹏博士、张元动研究员与美国加州大学河滨分校杰出教授Timothy W. Lyons、辛辛那提大学教授Thomas J. Algeo等学者合作研究,表明气候变冷期的缺氧海水大幅扩张,曾导致中-晚奥陶世海洋生物多样性发生明显转折。相关学术论文已在线发表于地学综合期刊《地球与行星科学通讯》(Earth and Planetary Science Letters)上。
      研究选取华南地区奥陶系扬子地台陆棚洼陷(真金剖面)的庙坡组与斜坡相(安页1井)的宁国组和胡乐组泥页岩为材料,开展了铁组分、主微量元素、δ15Nbulk、δ34Spy等多种地球化学指标相结合的研究工作,并首次报道华南地区中奥陶统黑色页岩的δ98Mo数据(图1)。
      其中,安页1井的δ15Nbulk表现出由下到上、从~5.5‰到~2‰的长期负漂,且和真金剖面一样,在达瑞威尔阶与桑比阶界线附近表现出~1-2‰的低值(图1和2A),表明细菌固氮方式在达瑞威尔晚期到桑比早期逐渐占据主导地位,这与中-高的海洋初级生产力水平以及贫氧-缺氧的底水环境特征相符合。
      另一方面,铁组分和δ34Spy证据揭示斜坡环境从大坪晚期到桑比早期底水氧化还原条件呈现出“氧化 → 缺氧(铁化)→ 缺氧(硫化)→ 氧化”的连续演化序列(图1,Interval I-IV)。同时,氧化还原敏感元素Mo和U的相对富集模式也表明,华南扬子海斜坡环境在达瑞威尔期与桑比期之交底水环境以硫化状态为主(图2B)。胡乐组黑色页岩Mo/TOC平均约18(ppm/%),表明盆地内水体Mo储库因海水周期性涌入并未被消耗殆尽,即此时的扬子海处于半封闭状态(图2C)。如果硫化沉积物的δ98Mo能充分记录海水组成,模型重建的海水δ98MoSW为0.8-1.1‰,和前人预估的奥陶纪海水平均δ98Mo组成(1.1-1.3‰)相近,反映当时的海洋远没有之前预期的那样氧化(图2D)。
      值得注意的是,同时代的黑色页岩在全球广泛分布,除本文研究地层外,还包括我国塔里木地区的萨尔干组与华北鄂尔多斯地区的乌拉力克组、劳伦板块西北缘的Roadriver Group和波罗的板块的Alum Shale等。这些黑色页岩均形成于容易被上升洋流影响的中低纬度近海盆地。类比现代海洋,气候变冷时,来自高纬度的深部冷流增强,会以上升洋流的形式携带更多营养盐到达中低纬度的陆棚区,刺激表层海水生产力增高,向下输出的有机质增多,到达海底的有机质分解时消耗大量溶解氧,从而形成海底缺氧现象。
      与这些环境变化相对应的是,海洋动物在种一级的多样性上表现出明显的下降趋势(华南板块,~50%,图3)。虽然,奥陶纪生物大辐射表现在生物多样性上的峰值,在不同板块表现出不同的时间节点,但可以确定的是,多样性的明显转折多发生在达瑞威尔期与桑比期之交。因此,该时期的气候变冷和缺氧海水大幅扩张,很可能是导致这次生态危机的主要诱因(图3)。该发现为奥陶纪生物大辐射的转折提供重要的环境背景证据,也为地质历史时期气候变冷与生物灭绝事件的机制研究提供重要启示。
      研究得到中国科学院战略先导专项、国家自然科学基金、江苏省自然科学基金、国家重大科技专项、美国NASA Astrobiology Institute CAN 7的经费支持;研究涉及的地球化学分析,分别得到我所公共实验技术中心、中国地质大学(武汉)、中国科学院贵阳地球化学研究所以及UC Riverside的重要帮助。
      论文详细信息:Zhang, J.P.*, Li, C., Fang, X., Li, W.J., Deng, Y.Y., Tu, C.Y., Algeo, T.J., Lyons, T.W. and Zhang, Y.D., 2022. Progressive expansion of seafloor anoxia in the Middle to Late Ordovician Yangtze Sea: Implications for concurrent decline of invertebrate diversity. Earth and Planetary Science Letters, 598, p.117858. https://doi.org/10.1016/j.epsl.2022.117858.
      图1 真金剖面与安页1井的地球化学数据
      图2 数据关系投图(A、B、C)与海水钼同位素模拟结果(D)
      图3 中-晚奥陶世气候-环境变化与生物事件综合图
    2022-10-18
  • 一次晚古生代大冰期水循环增强记录的识别

      晚古生代大冰期是显生宙持续时间最长的一次冰室气候时期,也是唯一一次地球具有复杂陆地-海洋生态系统以来气候由冰室完全转变为温室状态的地质时期。近来,针对晚古生代大冰期,尤其在中-高纬度区域冰川的时空分步、冰期启动与消亡机制、地球系统内部的关联-响应以及对生物多样性的影响等方面,已有大量的研究工作被报道。然而,针对晚古生代大冰期演化过程中水循环的响应多基于数值模拟研究,对地质记录的研究却较少。
      古气候模拟发现,冈瓦纳冰川体积与古热带区域的气候动力状态在不同时间时间尺度上都具有耦合关系。晚古生代的大气环流模型(general circulation models)表明冰川体积的增加会强化热带辐合带(Intertropical Convergence Zone)并导致古热带区域降水的增加。然而,气候模拟显示热带区域的降水也会随着温度和大气二氧化碳浓度上升而增加。目前,古热带区域的降水对晚古生代大冰期气候变化的响应认识有限。华南板块在晚古生代位于古赤道附近,孤立地位于古特提斯洋与泛大洋交汇处,无显著造山作用,有利于开展相关研究工作(图1)。
      近期,中国科学院南京地质古生物研究所晚古生代团队高彪博士后,及其合作导师陈吉涛研究员,联合团队博士生辛浩、黄兴博士、郑全锋副研究员及南京大学胡科毅副教授,针对浙江省江山市晚石炭世的一套碳酸盐岩与碎屑岩混合沉积序列开展了详细的沉积学和生物地层学研究(图2)。研究建立了高精度的生物地层格架,并基于沉积岩相分析恢复了沉积环境及其演化过程,识别出了晚石炭世中-晚莫斯科期一次受气候变化影响导致的水循环增强事件。研究成果近期发表于国际期刊《全球和行星变化》(Global and Planetary Change)。
      研究人员基于牙形刺与生物地层限定藕塘底剖面沉积属于中-晚莫斯科期,并通过详细的沉积学研究分析,表明其主体为一套浅水碳酸盐缓坡沉积,间断性地受陆源碎屑沉积体系影响。藕塘底剖面下部为浅水的、相对海平面波动幅度较小的潮间-潮上带沉积岩层;而上部地层为相对深水的、相对海平面波动幅度较大的潮下沉积体系,并且发育一套异常(厚度达5米)的含砾砂岩沉积,指示增强的陆源碎屑输入(图3)。这一陆源碎屑输入增强事件同样在华南板块的马底驿剖面、华北板块及土耳其等古特提斯区域剖面中有显示。
      综合同时期的古气候变化(北美Maritimes盆地和俄罗斯Moscow盆地)、全球海平面波动幅度变化、欧美大陆煤炭沼泽面积变化及冰期变化记录,研究认为藕塘底剖面的异常砂岩层为晚古生代大冰期气候变化导致陆源碎屑输入增强的一次水循环增强事件(图4)。
      该项研究得到国家自然科学基金和中国科学院先导科技专项B类联合资助。
      文章相关信息:Gao, B., Xin, H., Huang, X., Hu, K.Y., Zheng, Q.F., and Chen, J.T.* (2022), A record of enhanced water cycle in the late Paleozoic icehouse, Global and Planetary Change. 218, 103957. https://doi.org/10.1016/j.gloplacha.2022.103957.
      图1 华南板块构造、晚石炭世古地理及研究区位置图件
      图2 晚石炭世藕塘底剖面详细的沉积柱状图
      图3 晚石炭世藕塘底剖面地层沉积环境及演化过程。(A)对应剖面下部-16m至-3.8m区间;(B)对应剖面上部3.8-34 m区间。
      图4 (A)晚石炭世晚莫斯科期沉积、古气候、海平面变化幅度及冰川记录综合对比图;(B)晚莫斯科期古气候带的变化。
    2022-10-13
  • 羌塘中部高压变质带中二叠纪有孔虫揭示古特提斯洋俯冲过程

      西藏北部羌塘盆地是近年来学术界的研究前沿,同样也是国家资源勘探的重点区域。羌塘盆地由北羌塘地块、中央隆起带和南羌塘地块组成,呈“两坳夹一隆”的地理格局。其中羌塘盆地中部的隆起带也被称为高压变质带,代表了古特提斯洋沿龙木错-双湖缝合带俯冲碰撞形成的巨型增生楔。
      因其巨型增生楔中含有众多不同来源、不同类型的岩石和构造,如变质的地层、蛇绿岩、蓝片岩、榴辉岩、基性岩墙群、放射虫硅质岩、灰岩块体等。因此,通过对这些不同来源地质体的研究有助于认识羌塘中部复杂的古地理演化过程,为羌塘的资源勘察提供重要参考。
      中国科学院南京地质古生物研究所晚古生代团队张以春研究员等人,同南京大学、中国地质调查局成都地调中心、中国矿业大学(徐州)、中国地质科学院地质研究所同行共同合作,多次前往羌塘无人区考察采样。近期,研究组通过荣玛乡角木日地区以及江爱藏布一带两个灰岩块体中有孔虫动物群的研究,揭示了这些灰岩块体的来源。该研究近期在线发表于国际地学期刊《亚洲地质》(Journal of Asian Earth Sciences)上。
      研究表明:1)灰岩外来块体中存在Neoschwagerina simplex,Pseudodoliolina ozawai,Presumatrina neoschwagerinoides 和 Afghanella sp.等有孔虫动物群的发育,确认了其动物群时代为空谷晚期—罗德期;2)外来灰岩块体无论是在有孔虫动物群面貌,还是在地层层序上均与南羌塘地块中部二叠纪地层—鲁谷组表现出了高度的相似性,表明增生楔中灰岩外来块体的来源为南羌塘地块中部的二叠纪地层;3)南羌塘地块中部的二叠纪地层部分进入增生楔,表明古特提斯洋沿龙木错-双湖缝合带发生了强烈的俯冲作用,且俯冲已影响到了南羌塘地块的中部。
      本研究受国家自然科学基金委重大研究计划重点项目、科技部第二次青藏高原综合科学考察研究、中国科学院先导战略专项B类项目共同资助。
      论文相关信息:Ju Q., Zhang Y.C.*, Yuan D.X., Qiao F., Xu H.P., Zhang H., Zheng Q.F., Luo M., Qie W.K., Zhai Q.G., Zhang Y.J., Shen S.Z., 2022. Permian foraminifers from the exotic limestone blocks within the central Qiangtang Metamorphic Belt, Tibet and their geological implications. Journal of Asian Earth Sciences 239, 105426. https://doi.org/10.1016/j.jseaes.2022.105426.
      图1. 羌塘盆地中部增生楔中灰岩块体中的有孔虫化石
      图2 羌塘盆地不同地区二叠纪地层对比图
      图3 二叠—三叠纪灰岩外来块体构造演化示意图
    2022-10-10
  • 研究揭示安吉生物群特异保存海绵化石的埋藏学机制

      安吉生物群是发现于浙江安吉奥陶纪末文昌组黑色页岩夹层中的特异埋藏化石群,其中保存了大量精美的海绵动物软体组织结构。该生物群为研究华南奥陶纪末生物大灭绝后赫南特期的深水生态系统以及海绵动物演化提供了重要窗口。但目前,对于安吉生物群海绵动物化石软体组织的特异保存机制尚不清楚。
      近期,中国科学院南京地质古生物研究所博士研究生武学进、张元动研究员、马俊业副研究员与英国威尔士国立博物馆Joseph Botting博士、Lucy Muir博士合作,基于海绵动物化石利用场发射扫描电镜、能谱分析、岩芯扫描仪以及地球化学手段,对安吉生物群中特异保存的海绵动物化石开展了系统的埋藏学研究。相关研究成果发表于国际学术期刊《地质学会会刊》(Journal of the Geological Society)上。
      研究结果显示,海绵动物软体组织化石的保存经历了一系列复杂的化学过程,包括6个阶段:死亡埋藏—降解启始—硫酸盐细菌还原—黄铁矿化—硅化—去黄铁矿化。雾状层(nepheloid layers)是陆源物质进入海底的输送通道,同时又是海洋水体中沉降颗粒及底部再悬浮颗粒物的停留场所。雾状层长期停留在近海底域,为海绵动物的生存提供充足的食物来源以及氧气。当发生风暴、旋涡等动荡事件时,雾状层中大量的沉降颗粒将海绵动物迅速原位掩埋。生物降解形成局域还原环境;硫酸盐还原菌的参与下,海绵动物软体组织逐渐发生黄铁矿化。动荡事件平息后,雾状层携带的氧气下渗到埋藏层位,阻止了黄铁矿化进程,同时在软体组织化石表面促进了硅质的沉淀。之后由于氧气持续供应,使得不稳定的草莓状黄铁矿逐渐溶解,在硅质沉淀上留下蜂窝状(honeycomb-like structure)的印痕。软体组织表面的硅质沉淀有效地保护了软体组织免于氧化分解以及后期压实作用的破坏,从而使得精美的软体组织保存下来。同时,通过高分辨率的U/Th的数据,也佐证了海绵动物生活的海底氧化还原界面是不断上下振荡的。
      与寒武纪荷塘组黄铁矿化海绵骨针化石中没有软体组织保存的情况不同,安吉生物群海绵动物化石的特异保存经历了更加复杂的化学过程,包括硅化阶段以及去黄铁矿化阶段。该项研究为黑色页岩中软体组织特异保存的形成机制提供了新的路径。
      本研究得到了中国科学院战略性先导科技专项(B类)、中国科学院PIFI项目以及国家自然科学基金委员会项目的联合资助。
      论文信息:Wu, X.J., Botting, J.P.*, Zhang, Y.D.*, Muir, L.A., Ma, J.Y., 2022. Taphonomy of exceptional sponge preservation in the Hirnantian Anji Biota, China. Journal of the Geological Society, 179 (5). https://doi.org/10.1144/jgs2021-112.
      图1. 海绵动物软体组织以及骨针表面的“蜂窝状结构”(草莓状黄铁矿印痕)
      图2. 海绵动物软体组织以及骨针表面的黄铁矿溶解后的残留部分
      图3. 安吉生物群海绵动物化石特异埋藏模式图
    2022-10-09
  • 末次冰消期全球升温机制研究取得重要进展

      末次冰消期是距今最近的一次全球大升温期,对其升温机制的研究有助于更好地理解和预测未来的全球变暖趋势。现代观测显示,全球因温室变暖而产生的过量的热有近四分之三被南大洋所吸收,并通过翻转环流向北潜沉输送到了海洋内部。热带西太平洋暖池作为全球最大的“热机”,它与南大洋之间的热耦合过程在全球的气候变化中发挥着重要作用。但是,这种海气遥相关过程在末次冰消期全球升温过程中所扮演的角色尚不清晰。
      近期,中国科学院南京地质古生物研究所的俞宙菲博士,与河海大学、自然资源部第一海洋研究所、中国科学院海洋研究所、同济大学、中国地质大学(武汉)、德国基尔大学等同行合作,汇编了印太暖池、热带东太平洋和亚热带南太平洋海区已发表的340组最近3万年以来的代用指标表层海水温度重建数据(包括浮游有孔虫Globigerinoides ruber壳体Mg/Ca温度和UK’37温度)和7组次表层温度数据(图1);并利用暖池核心区KX22-4钻孔中多属种浮游有孔虫的Mg/Ca比值分析,重建了3万年以来西太暖池的热含量变化。相关研究成果于2022年9月17日在线发表于国际知名期刊《自然通讯》(Nature communications)上。
      本次研究结合气候瞬变模拟分析显示:(1)热带太平洋在末次冰期处于类厄尔尼诺的状态,冰消期时热带太平洋表层水的纬向温差增大,呈现出类拉尼娜的热状态,在进入全新世后再次向类厄尔尼诺转变,而这种轨道尺度上类厄尔尼诺-南方涛动(ENSO)状态的转化主要受岁差的调控(图2);(2)现代28°C暖池出现于大约一万两千年前,对应岁差极小值和类拉尼娜态最鼎盛状态,同时,暖池的热含量也达到最大值,其范围在此后开始显著扩张;(3)西太暖池与东赤道太平洋和西南太平洋位于南大洋翻转环流路径上的次表层水温度在冰消期的升温时间约为22 ka,对应于暖池热含量的升高与岁差极大值,而超前于表层海水温度变化(图3),可能源于冰消期南大洋将积累的过量热通过浅层翻转环流的向北输送。强化的热带升温促进了冰消期类ENSO态的转变和全球的快速升温。
      本研究得到国家自然科学基金和山东省海洋科学与技术试点国家实验室(青岛)专项资金的资助。
      论文信息:Shuai Zhang, Zhoufei Yu*, Yue Wang, Xun Gong, Ann Holbourn, Fengming Chang, Heng Liu, Xuhua Cheng, Tiegang Li*. Thermal coupling of the Indo-Pacific warmpool and Southern Ocean over the past30,000 years. Nature communications 13, 5457(2022). https://doi.org/10.1038/s41467-022-33206-y.
      图1 研究所使用的站位图(蓝色圆点为表层水温度记录站位、黄色五角星为次表层水温度记录站位、红色五角星为热含量记录的KX22-4钻孔位置)
      图2 3万年以来印太暖池热变化与类ENSO状态变化
      图3 末次冰消期西太平洋暖池与南大洋之间的热耦合
    2022-09-22