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【前沿论坛】沈树忠:特提斯大陆岩浆弧与二叠纪末生物大灭绝
2019-11-14 | 作者: | 【 】【打印】【关闭

报告人:沈树忠 | 整理:孟中玙(岩石圈室)     

  一、研究背景 

  在云南的鲁贝剖面有这样一套陆相地层:下部是晚二叠世黄绿色的含煤、各类植物化石及孢粉的砂泥岩,上部是早三叠世紫红色的砂泥岩且没有生物化石。这一截然的界线实际上代表了地质历史时期一次重大的事件——二叠纪末生物大灭绝,这指示了当时陆地生态系统的崩溃。二叠纪末生物大灭绝是地质历史时期最大的灭绝事件,海洋生物有将近85%-95%灭绝,比如珊瑚、三叶虫、腕足等动物近乎完全消失;陆地生物如合弓纲动物(类似哺乳类动物)大量灭绝。记录这次生物大灭绝最好的海相地层剖面是浙江长兴的煤山剖面,通过剖面出露的火山灰定年,大灭绝时代可限定在251.880±0.031/0.28 Ma 251.941±0.037/0.28 Ma之间,灭绝事件持续发生时间近6万年左右,目前关于生物大灭绝的最流行的假说是:火山作用是导致生物大灭绝的主要原因。 

  煤山剖面记录了一次碳同位素的负漂(图1),恰好对应于生物大灭绝的时代,而且从牙形石的古温度恢复可以看到灭绝后有一次快速的升温过程,很可能是大量甲烷的释放、有机物的氧化导致碳同位素的巨大变化,从而导致生物的灭绝。任何一次地震作用、大规模的火山喷发都可以导致碳同位素发生巨大变化,特别是当时存在的特提斯洋便是一个巨大的碳库。 

  一些学者认为西伯利亚大火成岩省的火山喷发是导致当时碳同位素变化的重要原因(图2)。西伯利亚大火成岩省持续的时间是1 Myr左右,主要的依据是Hg富集层的发现,华南、日本等地的地层普遍记录了Hg同位素的变化(图3)。此外,在云南的鲁贝和新疆的大龙口剖面上也发现了Hg含量和Hg同位素的异常变化,这些统统被解释为西伯利亚大火成岩省的贡献。然而,近年来我们所做的有关生物大灭绝的模式、速度及环境地球化学的指标(包括氧同位素,一些非金属同位素等)的最典型地区都分布在华南,那么为什么我们一定要用西伯利亚大火成岩省来解释生物大灭绝呢?西伯利亚大火成岩省是否足够大到可以导致地表碳循环发生巨大的变化呢? 

1  煤山剖面的地层、年代和碳同位素成分变化(Burgess et al., 2014 

2 二叠纪末到早三叠世西伯利亚大火成岩省、生物大灭绝、碳同位素记录(Burgess and Bowring, 2015

3  Hg富集层位与二叠纪末生物大灭绝时间耦合效应(Shen et al., 2019

  二、研究思路 

  在华南板块的西部存在中二叠世喷发的峨眉山玄武岩形成的康滇古陆,由此往东由陆相逐渐过渡到海陆交替相、海相地层。以前的研究涉及到的主要是海相地层,包括Hg的富集、Hg同位素的变化等,陆相剖面的研究相对较少。 

  我们之前对陆相剖面做了详细的研究(图4),包括碳同位素的变化、高精度的测年,岩相的变化等,三条陆相剖面中我们发现它们具有共同的层序变化,P/T界限下面都是黄绿色的砂泥岩地层,植物化石、煤层比较丰富;而到了上面均为红色的砂泥岩地层,无任何生物化石,甚至连孢粉都没有,研究表明这代表一个气候相对比较干旱、高度氧化的环境,由此可见P/T附近有截然的变化。在界线附近往往具有灰绿色的火山岩屑砂岩,锆石U-Pb定年非常接近生物大灭绝的时代。 

  令人惊奇的是,在生物大灭绝的层位,我们发现了一层具有团块状的铜富集层,铜呈层状分布。那么,这些铜是从哪里来的呢?是附近的斑岩型铜矿被风化剥蚀搬运再沉积形成的吗?但是,这样的模式很难去解释几百公里都分布有相同的富铜层位。接着我们取样进行切片,发现其中含有大量的结晶程度很差的石英和硫化物的颗粒,颗粒经过分析后发现铜的含量比较高,主要以铜和硫为主,两者的比例达到1.8 : 2 

  同时我们还做了一些火山碎屑岩中熔体包裹体的工作,熔体包裹体可以代表它形成时的熔体环境,发现其中的SiO2的含量在70%左右,指示一个中酸性的岩浆环境,证明在二叠-三叠之交有大量的含铜的岩浆的喷发,那么含铜层位是否是由岩浆侵入形成的呢?很显然,岩浆侵位不可能形成大面积的具有这种薄层状的铜的富集层。 

  我们想到铜的富集可能与有机物的富集有关,因为有机物可以携带大量的铜,接着在扫描电镜下发现,这些富铜的颗粒周围都含有炭屑,进一步确定它是植物在生长期间将铜吸收富集的。同时,在铜富集的层位还发现了多环芳烃的存在,由于多环芳烃是植物在燃烧过程中释放的一种气体,进一步证明当时存在大规模的野火事件,植被系统被大规模破坏,土壤系统迅速崩溃。 

  此外,我们做了一些铜同位素的工作,有意思的是剖面(未发表)下部δ65Cu0附近,往上则出现千分之一的正漂,正漂表明铜暴露地表发生氧化作用,这对于解释铜的富集具有重要的意义。 

4 华南二叠纪末-早三叠世海相、陆相地层(Shen et al., 2011

  三、初步认识与未解难题 

  (1)二叠纪末生物大灭绝的模式、速度、幅度大多是根据华南和特提斯大洋中的剖面建立(特别是华南地区),时间非常短。 

  (2)华南大规模爆发式中酸性火山喷发导致了大量铜和汞的富集,同时引起大规模的野火事件,植被系统被大规模破坏,土壤系统迅速崩溃。 

  (3)华南地区多种地球化学指标异常并不一定是西伯利亚大火成岩省的结果,海陆相生物大灭绝对比需要高精度的年龄和陆相地球化学指标。 

  (4)二叠纪末-三叠纪之交,在特提斯洋中可能存在一个火山岩岩浆弧,这次岩浆弧的火山作用可能是导致华南地区多种地球化学指标异常和生态系统崩溃的原因。 

  四、学术讨论 

  问:在全球性的生物大灭绝过程中,为什么针叶状的植物可以保留下来?
  答:现在地球上的植物特别丰富,我们可以清楚地看见现代地球上以被子植物为主。但是,植物经历了几个演化阶段:在二叠时期以相对低等的蕨类植物为主,中生代以裸子植物为主,一直到现代以被子植物为主,在二叠-三叠之交植物发生了巨大的变化,但是并不意味着植物彻底消亡,如果消亡了,那么现代就不会有植物。针状的植物之所以能顺利避开生物大灭绝,是因为它耐干旱,能够在恶劣的环境下生存下来。 

  问:大陆弧在地质演化过程中长期存在,为什么二叠-三叠之交的大陆弧这么特殊,可以导致全球性的生物大灭绝呢?
  答:二叠-三叠之交是泛大陆演化的关键时刻——从聚合到裂解的转变,这种转变可能导致大规模的岩浆活动加剧,这种推测应当也是合理的,希望在将来的特提斯演化问题的研究中追踪到多种的证据。 

  问:二叠纪末的生物大灭绝是否是一个量变到质变的过程呢?二叠纪生物大灭绝之前的多次冰期等事件对这次大灭绝有没有影响?
  
答:这是一个很好的问题,实际上也是一个很难研究的问题,任何事物的发生发展,变化乃至变坏都是一个量变到质变的过程。在二叠纪生物大灭绝之前发生过很多的小的事件,每一个物种都是有一个延续过程的,一般来说一个物种生存的时代为1 Myr, 我们统计了二叠纪不同生物种的生存延续时间,发现物种越靠近P/T界限,它的寿命也就越短。这是不是指示当时的环境是一个逐渐弱化的过程,这是个值得思考的问题,但是很难研究,很难定量化地表述出来。 

  问:P/T界限的划定大多采用碳同位素,有的直接划定在碳同位素负漂的开始,有的是在负漂的峰值,还有就是在负漂的结束,那么是不是可以统一一下呢?
  
答:就我们而言,我们是不会用碳同位素的变化来作为P/T界限,P/T界限是通过牙形石来定的,碳同位素的变化反映的是碳循环的变化,从时间意义上来讲,P/T界限应该是全球等时的,我们可以说陆相比海相晚几千年、几万年,都不要紧,因为我们目前的技术无法分辨出几千年和几万年的尺度,只能认为是等时的。如果碳同位素真正能反映全球信号变化,它的等时线要比生物的等时线远远好得多,我建议不要在乎划定在碳同位素负漂的开始、峰值或负漂的结束,但是用法要一致。比如,如果用碳同位素负漂的开始作为划定标志,则全部都要以这个为标准。 

  问:生物大灭绝是瞬时发生的,在252 Ma 左右,然而,岩浆弧的爆发是一个持续的过程,它可以延续很长时间,那么你怎么用一个持续发生的岩浆弧事件解释一个瞬时发生的灭绝事件呢?前人之所以将目光集中在西伯利亚大火成岩生,是因为这也是一个瞬时发生的事件,可以较好地解释灭绝事件。
  
答:这是一个好的问题,我们必须要做出合理的解释,我深信地球深部活动是导致地表环境变化的主要的原因,岩浆弧是一个持续的过程,而生物的大灭绝仅仅发生在六万年的尺度,生态系统的恶化是一个累积的过程,并不是一开始恶化,立即就会有相应的反应。 

  问:从喷发的角度看,岩浆弧与大火成岩省不同,大陆岩浆弧对于硫化物的贡献要比大火成岩省要多,这可能是造成硫和铜的结合的原因。为什么这里的铜这么富集?您报告中的铜的富集层都位于陆相,那么海相地层是否同样富集呢?
  
答:海相地层确实没有铜的富集,很可能的原因是铜会溶解于海水中而无法富集。但是,Hg可以在海相地层中很好地富集。 

  问:二叠末的生物大灭绝是全球性的,还是区域性的?泛大洋有没有同样的记录?
  
答:二叠末的生物大灭绝肯定是全球性的。但是我认为特提斯洋中碳释放、有机质的氧化造成的影响远远大于西伯利亚大火成岩省。泛大洋是否有这样的记录还不太确定,因为大洋本身完全是开放的,没有明显的记录。唯一可以确定的是特提斯洋中存在明确的记录。    

  主要参考文献 

  Burgess S D, Bowring S, Shen S. High-precision timeline for Earth’s most severe extinction[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2014, 111(9): 3316-3321.链接 

  Burgess S D, Bowring S A. High-precision geochronology confirms voluminous magmatism before, during, and after Earth’s most severe extinction[J]. Science Advances, 2015, 1(7): e1500470.链接 

  Shen S, Crowley J L, Wang Y, et al. Calibrating the end-Permian mass extinction [J]. Science, 2011, 334(6061): 1367-1372.链接 

  Shen J, Chen J, Algeo T J, et al. Evidence for a prolonged Permian–Triassic extinction interval from global marine mercury records[J]. Nature Communications, 2019, 10(1): 1563.链接 

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