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二叠纪末古特提斯洋盆短暂封闭加剧了生物灭绝
2021-01-14 | 编辑: | 【

在古生代和中生代转折期,地球上发生了显生宙规模最大的一次生物大灭绝事件——二叠纪末生物大灭绝事件。在6万年的时间里,约81%的海洋生物彻底消失,破坏了存在2亿年之久的海洋生态系统。

这一时期,古海洋环境发生了一系列剧变,包括海水升温、酸化、缺氧或硫化、大规模海退以及洋流循环受阻等,这些变化都是导致二叠纪末海洋生物大灭绝的可能因素,同时这些因素彼此之间又都具有一定的内在关联性。与其他常用来探讨古环境背景的铀、硫、铁等元素相比,镁在海洋中具有更高的含量,同时海洋中镁元素循环往往与碳-氧循环过程相伴,因而与一系列重大海陆变迁以及生命过程息息相关。

近年来,越来越多的研究尝试着通过使用海相碳酸盐岩镁同位素手段来研究古气候和古环境的演化。白云岩镁同位素由于不易受后期成岩作用改造,同时矿物与溶液间镁同位素分馏系数已被精确标定,使得白云岩镁同位素在示踪古海洋演化、大陆风化以及生命过程等研究方面具有巨大的应用潜力。因此,白云岩镁同位素有望为揭示二叠纪-三叠纪转折期海洋环境变化以及生物大灭绝机制提供新的认识。

鉴于此,南京大学李伟强教授、胡忠亚博士及沈树忠院士等与中国科学院南京地质古生物研究所晚古生代研究团队张华研究员和郑全锋副研究员合作,选取了全球多条经典的含白云岩二叠纪-三叠纪界线剖面碳酸盐岩样品,进行了系统的碳--镁同位素地球化学分析。研究成果发表于国际知名NI期刊《地球与行星科学通讯》(Earth and Planetary Science Letters)上。

研究发现在二叠纪末生物大灭绝层段,不同剖面上的白云岩,其镁同位素均显示较为一致的快速上升,并与碳同位素负漂呈镜像耦合关系,揭示了全特提斯域内海水主量元素的地球化学组成以及海洋镁循环过程发生了显著变化。通过分馏系数推算,海洋δ26Mg值从晚二叠世末-0.3‰上升到早三叠世0.1‰并伴随至少两期幅度更大、时间却更短的次级波动。在高精度地层框架约束下,在乐平统到早三叠世第一级的镁同位素变化过程中,海水δ26Mg值的平均变化速率大约为0.53‰ Myr–1;若是考虑次级波动,海水的δ26Mg值最大变化速率可达3–4‰/Myr

海洋镁循环的数值模拟结果显示,二叠-三叠纪过渡时期,全球海洋δ26Mg值快速上升与白云岩化作用增强有关。在生物大灭绝期间,海洋白云岩化作用提高了接近8倍,大量白云石的形成优先消耗水体中的24Mg,从而使得海水中相对富集26Mg,导致δ26Mg值上升。两次次级镁同位素快速正漂基本与西特提斯洋一侧观察的两次碳同位素负漂相对应,其变化周期更短、变化幅度更大,平均变化速率达到了惊人的3‰~4‰/Myr模拟结果显示,在局限洋盆内,镁同位素组成对外界环境变化的敏感性显著增强。若局限洋盆镁含量只占全球大洋总量的20%,那么局限盆地内白云岩化强度增加到8倍时候,可以使得海水δ26Mg值变化速率快速达到4‰/Myr

通过与报道的同时期稳定铀同位素数据进行对比后发现,两次次级的镁同位素正向漂移对应着两次铀同位素的负漂,这表明在两次次级镁同位素正漂期间海洋处于相对缺氧状态。洋盆内海水频繁的同位素变化与同时期海侵-海退变化关系密切。在海退过程中,古特提斯洋与外海之间的水循环更加不畅,快速的白云岩化作用导致洋盆内镁同位素快速上升,在随后的海侵过程中,广海的海水补给进入封闭碳酸盐台地内,从而使得碳酸盐台地内海水δ26Mg值有所下降,形成锯齿状波动。

就古特提斯洋而言,在相对局限的海洋环境中,由于海洋缓冲能力有限,全球变暖、陆源风化及河流输入增强以及水体富营养化等一系列气候和水化学变化极易在海洋环境引发一系列灾变,也更容易导致大范围生物灭绝。

该项研究得到了中国科学院战略性先导科技专项、前沿科学重点研究计划项目和国家自然科学基金委的资助。

论文相关信息:Hu, Z., Li, W.*, Zhang, H.*, Krainer, K., Zheng, Q.-f., Xia, Z., Hu, W., Shen, S.-z., 2021. Mg isotope evidence for restriction events within the Paleotethys ocean around the Permian-Triassic transition. Earth and Planetary Science Letters 556, 116704. DOI: 10.1016/j.epsl.2020.116704.

二叠纪末古特提斯洋盆短暂封闭加剧了生物灭绝

图1. 古特提斯二叠纪末期的全球古地理和研究剖面岩性及C-Mg同位素变化

图2. 古特提斯洋东-西边缘典型的含白云岩P-T剖面镁同位素变化特征

图2. 古特提斯洋东-西边缘典型的含白云岩P-T剖面镁同位素变化特征






 
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