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华南周缘酸性火山作用导致二叠纪末陆地生态系统崩溃
2021-11-23 | 编辑: | 【

  二叠纪末生物大灭绝是近5亿多年以来地质历史中发生的最严重的生物灭绝事件,导致约81%的海洋生物物种和89%的陆地生物物种在很短的时间内灭绝。由中国科学院南京地质古生物研究所和南京大学等国内外多家单位的学者组成的研究团队发现华南周缘大规模酸性火山喷发也是二叠纪末生物大灭绝的一个重要诱因,而曾经所认为的西伯利亚大规模基性火山喷发也并非二叠纪末生物大灭绝的唯一推手。相关研究成果于1117日在线发表于国际知名刊物《科学进展》(Science Advances) 

  二叠纪末生物大灭绝及其与火山活动之间的时间联系及生物灭绝模式大都来自于华南的地质记录,然而,被认为是二叠纪末生物大灭绝推手的西伯利亚大火成岩省所在区域很少有化石记录的灭绝模式,也没有可以与全球对比的沉积地球化学证据记录这次生物大灭绝,最新的少量古生物资料表明:西伯利亚地区二叠纪末生物大灭绝造成的生物多样性损失并没有华南地区严重。此外,西伯利亚大火成岩省开始于二叠纪末生物大灭绝事件之前约30万年,并一直持续到生物灭绝事件之后的约50万年,但二叠纪末生物大灭绝事件发生在6万年甚至更短的时间内。因此,无论是大灭绝发生的时间和火山作用持续的时间,华南与西伯利亚的记录都存在不一致的现象。 

  华南地区保存有二叠纪-三叠纪过渡时期最完整的海相和陆相沉积记录,完整地记录了这次生物大灭绝事件过程中海洋和陆地生物的快速灭绝,并留存了可以进行海洋和陆地环境变化全球对比的各类地球化学证据。通过对康滇古陆的陆相和海陆过渡相二叠系-三叠系剖面的研究表明,上二叠统宣威组中含有非常丰富的煤炭资源和高度分异、具有热带雨林特点的大羽羊齿植物群;从二叠系-三叠系过渡层卡以头组之底开始,大羽羊齿植物群快速减少,中生代型的植物类群开始出现;至下三叠统东川组底部植物化石基本消失。与此同时,该时期还表现出成煤作用停止、土壤系统崩溃、气候快速干旱化。因此,华南地区是在陆地上更全面认识二叠纪末生物大灭绝事件及其诱因的理想区域。 

  研究团队在我国西南部云南和四川等地4个经典的陆相二叠系-三叠系剖面生物大灭绝层位发现铜的异常富集。经检测,铜元素含量在上二叠统宣威组中的背景含量通常低于500ppm,但到二叠系-三叠系过渡层中却有着高达40000ppm的富集,在地层中多以次生孔雀石和辉铜矿形式保存,并多与野火事件形成的炭屑颗粒相伴生。 

  研究团队还创新性地将铜同位素应用到生物大灭绝事件的研究之中,发现铜同位素在华南陆相剖面二叠纪灭绝之前的沉积物中基本处于零值附近,反映其主要来源与火山物质风化的产物;但在二叠纪末生物灭绝事件期间,在多个陆相剖面都发生突然的负偏,不同剖面铜同位素的负偏幅度与铜元素富集程度相关;而在灭绝事件之后则发生明显的正漂移,反映了二叠纪生物大灭绝期间大量外源物质的输入。 

  汞元素及其同位素被认为是指示全球火山作用的化学代用指标,在二叠纪末生物大灭绝的研究中已被广泛应用。本研究中,在华南四个陆相剖面二叠纪末大灭绝期铜富集层位同样也发现汞元素高达近百倍的富集,并且不受控于有机碳的富集程度。同时,汞同位素质量分馏和非质量分馏在二叠纪末大灭绝事件发生期间也发生了明显的变化。 

  富铜沉积层中熔体包裹体具有极高浓度的铜元素和硫元素,并且保持稳定的比例关系,且铁含量较低,指示二叠纪末大灭绝层位高浓度铜元素极有可能来自于火山喷发产生的蒸汽或气溶胶中硫化物液滴的直接沉积。这些硫化物液滴与宿主火山物质的矿物学和化学成分一致,强烈表明它们来自酸性火山活动。诸多已报道的二叠纪-三叠纪过渡期内酸性火山物质和汞异常,主要分布在特提斯洋和冈瓦纳南部古太平洋边缘周围,表明喷发中心在华南地块南部或/和西南方向,而不是西伯利亚。 

  根据地层中铜元素等的丰度和分布范围,研究人员推测华南周缘的火山活动最少释放超过19亿吨的铜和几十亿吨的二氧化硫,这种爆发通量是现代火山活动二氧化硫年通量的10-200倍。酸性火山喷发释放的大量富硫气溶胶穿透对流层后滞留于平流层导致全球千年尺度的火山冬天,这种快速降温与随后的快速升温可能比火山作用导致的长期逐渐升温对生物的影响更致命。故此,华南周缘大规模酸性火山喷发亦是二叠纪末生物大灭绝的一个重要诱因。 

  以往二叠纪末生物大灭绝的研究多集中在海洋沉积记录上,而陆相二叠纪末生物大灭绝的研究相对较少。这项研究结合高精度同位素地质年代学、微量元素和同位素等地球化学,以及陆地生物灭绝模式和火山物质记录,在陆地上建立了火山活动和二叠纪末生物大灭绝之间的联系。尽管这项研究不否定西伯利亚大火成岩省对二叠纪末生物大灭绝事件的影响,但结合我国东部地区、昆仑山脉、金沙江流域、澳大利亚东部、南美洲西部等地区二叠纪-三叠纪之交广泛存在的大规模二叠纪-三叠纪之交酸性火山喷发记录,证明特提斯洋中和泛大陆周边的大陆岩浆弧酸性火山喷发导致的环境灾难远超以往的认识,可能是2.52亿年前这次最大的生物灭绝事件的主要凶手之一。 

  南京大学沈树忠院士为论文通讯作者,南京古生物所张华研究员为论文第一作者。此项研究得到中国科学院先导专项、科技部以及国家自然科学基金委的资助。 

  文章信息:Zhang, H., Zhang, F.F., Chen, J.B., Erwin, D.H., Syverson, D.D., Ni, P., Rampino, M., Chi, Z., Cai, Y.F., Xiang, L., Li, W.Q., Liu, S.A., Wang, R.C., Wang, X.D., Feng, Z., Li, H.M., Zhang, T., Cai, H.M., Zheng, W., Cui, Y., Zhu, X.K., Hou, Z.Q., Wu, F.Y., Xu, Y.G., Planavsky, N., Shen, S.Z., 2021. Felsic volcanism as a factor driving the end-Permian mass extinction. Science Advances 7, eabh1390. https://science.org/doi/10.1126/sciadv.abh1390. 

 

1 华南陆相剖面二叠纪-三叠纪过渡期富铜沉积物和炭屑

2 华南陆相二叠系-三叠系官坝冲剖面的岩石地层、化石记录、有机碳同位素、铜元素富集和同位素异常

3 华南二叠纪大灭绝期间富铜沉积形成过程示意图


 
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