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白垩纪末期火山碳排放导致全球变暖和生物多样性剧变
2022-07-21 | 编辑: | 【

  显生宙第五次生物大灭绝,即白垩纪末期(约6600万年前)大灭绝从根本上重塑了地球的生态系统,结束了超过1.5亿年的恐龙时代,并为哺乳动物的崛起铺平了道路。目前,该大灭绝的原因仍处于激烈争论当中。其中,印度徳干玄武岩喷发和小行星撞击是两个主流观点。德干玄武岩喷发的时间及其对全球环境的影响是当前研究的热点。 

  实际上,在大灭绝发生前约15–30万年,徳干大火成岩省以侵入和喷发的方式排放了大量的CO2等温室气体,可能导致了全球升温2–5°C,学界称之为马斯特里赫特期末期变暖事件(Latest Maastrichtian warming event;LMWE)。阐明该变暖事件的机制和过程可为了解白垩纪末大灭绝的起因提供重要证据,同时也为我们了解碳循环与温室地球的耦合关系提供新的见解。 

  然而目前我们对该事件了解非常有限,特别是与徳干火山首次喷发相关的记录能否在陆相沉积中发现?马斯特里赫特期末期变暖事件如何影响陆地生态系统?这两个问题一直缺少关键证据。 

  近日,中国科学院南京地质古生物研究所李莎副研究员、王博研究员、张海春研究员、王启飞研究员与天津大学陈玖斌教授、中国地质大学(北京)万晓樵教授等合作,利用山东省跨越白垩系/古近系(K/Pg)界线的两口钻井的岩心资料,基于高精度的生物地层学、古生态学和地球化学方法,详细研究了德干火山首次喷发在东亚的记录以及湖泊环境和生物群对此事件的响应。研究结果为马斯特里赫特期末期变暖事件与德干火山首次喷发的耦合关系提供了强有力的证据,并表明该变暖事件对湖泊环境和生物群也造成了明显的影响。相关研究成果于近日在线发表于国际地学知名期刊《地质学》(Geology)。 

  此次研究的两口钻井岩心分别代表了两种不同的沉积环境:胶莱盆地的碎屑岩沉积和平邑盆地的碳酸盐岩沉积。由于火山喷发释放大量的汞会记录在地层中,因此汞记录被广泛用作火山活动的示踪剂。两个钻孔的样品在在白垩系/古近系界限之前的马斯特里赫特期末期变暖事件期间都表现出强烈的汞富集。胶莱盆地的汞峰值区域内汞同位素Δ199Hg在零附近,代表来自地球深处、直接的火山排放作用来源;而平邑盆地的汞峰值区域内汞同位素Δ199Hg明显正偏,推测与Hg2+光还原作用相关。 

  为了探明德干火山活动对湖泊环境和生物群的影响,研究团队还进行了碳同位素和古生物学研究。胶莱盆地有机碳同位素和平邑盆地无机碳同位素同时发生强烈负偏,表明徳干大火成岩省的主要脉冲和全球碳循环有巨大影响。两个湖泊生物群对变暖事件有明显的响应,胶莱盆地和平邑盆地的轮藻、介形类成种作用明显,生物多样性升高。而在海洋中,浮游有孔虫属种则发生部分灭绝、侏儒化、灾难物种盛行的现象,说明马斯特里赫特期末期变暖事件以不同的机制同时影响了海洋和陆地的生态系统。 

  研究结果表明,德干火山活动使地球处于相对温暖的气候条件,而这种变暖可能使全球生物地球化学循环更接近于温室环境失控的临界点。这可能是白垩纪末期大灭绝发生的背景条件。 

  总之,研究结果为我们了解火山碳排放与温室地球之间的关系提供了新的证据,也为理解当今全球变暖对湖泊环境和生物群的影响提供了参考。 

  此项研究获得了国家自然科学基金委和中国科学院青年创新促进会的资助。无机碳同位素、有机碳同位素、主微量元素、微体化石扫描电镜成像相关工作在中国科学院南京地质古生物研究所实验技术中心平台完成,感谢刘静、吕苗、方艳、关成国、彭丽、李光在样品制备、样品测试和数据采集工作中的帮助。 

  论文相关信息:Sha Li, Stephen E. Grasby, Xiangdong Zhao, Jiubin Chen, Daran Zheng, He Wang, Yanan Fang, Qi Zhang, Tingting Yu, Jingxiang Tian, Shengxian Du, Edmund A. Jarzembowski, Qifei Wang, Haichun Zhang, Xiaoqiao Wan, Bo Wang; Mercury evidence of Deccan volcanism driving the Latest Maastrichtian warming event. Geology 2022. https://doi.org/10.1130/G50016.1. 

1. 汞示踪徳干大火成岩省的全球记录。

2. 胶莱盆地徳干大火成岩省在陆相地层中的层位标定:(A)δ13Corg;(B TOC;(CHg;(DHg/TOC;(EHg/Al;(F)Δ199Hg。水平橙色矩形代表汞峰值区间,橙色虚线代表根据轮藻生物带和介形类化石标定的K/Pg界线;灰色圆点和黄色/橙色条带分别代表发现轮藻和介形类的化石层位、以及它们的延限分布

3. 平邑盆地徳干大火成岩省在陆相地层中的层位标定:(A)δ13Ccarb;(B δ18Ocarb ;(CHg;(DHg/Al;和(E)Δ199Hg。水平橙色矩形代表汞峰值区间,橙色虚线代表根据轮藻生物带标定的KPg界线;灰色圆点和黄色/橙色条带分别代表发现轮藻和介形类的化石层位、以及它们的延限分布


 
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