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【前沿論壇】沈樹忠:特提斯大陸岩漿弧與二疊紀末生物大滅絕
2019-11-14 | 作者: | 【 】【打印】【關閉

報告人:沈樹忠 | 整理:孟中玙(岩石圈室)     

  一、研究背景 

  在雲南的魯貝剖面有這樣一套陸相地層:下部是晚二疊世黃綠色的含煤、各類植物化石及孢粉的砂泥岩,上部是早三疊世紫紅色的砂泥岩且沒有生物化石。這一截然的界線實際上代表了地質曆史時期一次重大的事件——二疊紀末生物大滅絕,這指示了當時陸地生態系統的崩潰。二疊紀末生物大滅絕是地質曆史時期最大的滅絕事件,海洋生物有將近85%-95%滅絕,比如珊瑚、三葉蟲、腕足等動物近乎完全消失;陸地生物如合弓綱動物(類似哺乳類動物)大量滅絕。記錄這次生物大滅絕最好的海相地層剖面是浙江長興的煤山剖面,通過剖面出露的火山灰定年,大滅絕時代可限定在251.880±0.031/0.28 Ma 251.941±0.037/0.28 Ma之間,滅絕事件持續發生時間近6萬年左右,目前關于生物大滅絕的最流行的假說是:火山作用是導致生物大滅絕的主要原因。 

  煤山剖面記錄了一次碳同位素的負漂(圖1),恰好對應于生物大滅絕的時代,而且從牙形石的古溫度恢複可以看到滅絕後有一次快速的升溫過程,很可能是大量甲烷的釋放、有機物的氧化導致碳同位素的巨大變化,從而導致生物的滅絕。任何一次地震作用、大規模的火山噴發都可以導致碳同位素發生巨大變化,特別是當時存在的特提斯洋便是一個巨大的碳庫。 

  一些學者認爲西伯利亞大火成岩省的火山噴發是導致當時碳同位素變化的重要原因(圖2)。西伯利亞大火成岩省持續的時間是1 Myr左右,主要的依據是Hg富集層的發現,華南、日本等地的地層普遍記錄了Hg同位素的變化(圖3)。此外,在雲南的魯貝和新疆的大龍口剖面上也發現了Hg含量和Hg同位素的異常變化,這些統統被解釋爲西伯利亞大火成岩省的貢獻。然而,近年來我們所做的有關生物大滅絕的模式、速度及環境地球化學的指標(包括氧同位素,一些非金屬同位素等)的最典型地區都分布在華南,那麽爲什麽我們一定要用西伯利亞大火成岩省來解釋生物大滅絕呢?西伯利亞大火成岩省是否足夠大到可以導致地表碳循環發生巨大的變化呢? 

1  煤山剖面的地層、年代和碳同位素成分變化(Burgess et al., 2014 

2 二疊紀末到早三疊世西伯利亞大火成岩省、生物大滅絕、碳同位素記錄(Burgess and Bowring, 2015

3  Hg富集层位與二疊紀末生物大灭绝时间耦合效应(Shen et al., 2019

  二、研究思路 

  在華南板塊的西部存在中二疊世噴發的峨眉山玄武岩形成的康滇古陸,由此往東由陸相逐漸過渡到海陸交替相、海相地層。以前的研究涉及到的主要是海相地層,包括Hg的富集、Hg同位素的變化等,陸相剖面的研究相對較少。 

  我们之前对陆相剖面做了详细的研究(圖4),包括碳同位素的變化、高精度的測年,岩相的變化等,三條陸相剖面中我們發現它們具有共同的層序變化,P/T界限下面都是黃綠色的砂泥岩地層,植物化石、煤層比較豐富;而到了上面均爲紅色的砂泥岩地層,無任何生物化石,甚至連孢粉都沒有,研究表明這代表一個氣候相對比較幹旱、高度氧化的環境,由此可見P/T附近有截然的變化。在界線附近往往具有灰綠色的火山岩屑砂岩,锆石U-Pb定年非常接近生物大滅絕的時代。 

  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蕡D赴俟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 

  同時我們還做了一些火山碎屑岩中熔體包裹體的工作,熔體包裹體可以代表它形成時的熔體環境,發現其中的SiO2的含量在70%左右,指示一個中酸性的岩漿環境,證明在二疊-三疊之交有大量的含銅的岩漿的噴發,那麽含銅層位是否是由岩漿侵入形成的呢?很顯然,岩漿侵位不可能形成大面積的具有這種薄層狀的銅的富集層。 

  我们想到铜的富集可能與有机物的富集有关,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,我們做了一些銅同位素的工作,有意思的是剖面(未發表)下部δ65Cu0附近,往上則出現千分之一的正漂,正漂表明銅暴露地表發生氧化作用,這對于解釋銅的富集具有重要的意義。 

4 華南二疊紀末-早三疊世海相、陸相地層(Shen et al., 2011

  三、初步认识與未解难题 

  (1)二疊紀末生物大滅絕的模式、速度、幅度大多是根據華南和特提斯大洋中的剖面建立(特別是華南地區),時間非常短。 

  (2)華南大規模爆發式中酸性火山噴發導致了大量銅和汞的富集,同時引起大規模的野火事件,植被系統被大規模破壞,土壤系統迅速崩潰。 

  (3)華南地區多種地球化學指標異常並不一定是西伯利亞大火成岩省的結果,海陸相生物大滅絕對比需要高精度的年齡和陸相地球化學指標。 

  (4)二疊紀末-三疊紀之交,在特提斯洋中可能存在一個火山岩岩漿弧,這次岩漿弧的火山作用可能是導致華南地區多種地球化學指標異常和生態系統崩潰的原因。 

  四、學術討論 

  問:在全球性的生物大滅絕過程中,爲什麽針葉狀的植物可以保留下來?
  答:現在地球上的植物特別豐富,我們可以清楚地看見現代地球上以被子植物爲主。但是,植物經曆了幾個演化階段:在二疊時期以相對低等的蕨類植物爲主,中生代以裸子植物爲主,一直到現代以被子植物爲主,在二疊-三疊之交植物發生了巨大的變化,但是並不意味著植物徹底消亡,如果消亡了,那麽現代就不會有植物。針狀的植物之所以能順利避開生物大滅絕,是因爲它耐幹旱,能夠在惡劣的環境下生存下來。 

  問:大陸弧在地質演化過程中長期存在,爲什麽二疊-三疊之交的大陸弧這麽特殊,可以導致全球性的生物大滅絕呢?
  答:二疊-三疊之交是泛大陸演化的關鍵時刻——從聚合到裂解的轉變,這種轉變可能導致大規模的岩漿活動加劇,這種推測應當也是合理的,希望在將來的特提斯演化問題的研究中追蹤到多種的證據。 

  問:二疊紀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:這是一個很好的問題,實際上也是一個很難研究的問題,任何事物的發生發展,變化乃至變壞都是一個量變到質變的過程。在二疊紀生物大滅絕之前發生過很多的小的事件,每一個物種都是有一個延續過程的,一般來說一個物種生存的時代爲1 Myr, 我們統計了二疊紀不同生物種的生存延續時間,發現物種越靠近P/T界限,它的壽命也就越短。這是不是指示當時的環境是一個逐漸弱化的過程,這是個值得思考的問題,但是很難研究,很難定量化地表述出來。 

  問:P/T界限的劃定大多采用碳同位素,有的直接劃定在碳同位素負漂的開始,有的是在負漂的峰值,還有就是在負漂的結束,那麽是不是可以統一一下呢?
  
答:就我們而言,我們是不會用碳同位素的變化來作爲P/T界限,P/T界限是通過牙形石來定的,碳同位素的變化反映的是碳循環的變化,從時間意義上來講,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簣D竿蚰甑某叨龋只能认为是等时的。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。 

  問:生物大灭绝是瞬时发生的,在252 Ma 左右,然而,岩漿弧的爆發是一個持續的過程,它可以延續很長時間,那麽你怎麽用一個持續發生的岩漿弧事件解釋一個瞬時發生的滅絕事件呢?前人之所以將目光集中在西伯利亞大火成岩生,是因爲這也是一個瞬時發生的事件,可以較好地解釋滅絕事件。
  
答:這是一個好的問題,我們必須要做出合理的解釋,我深信地球深部活動是導致地表環境變化的主要的原因,岩漿弧是一個持續的過程,而生物的大滅絕僅僅發生在六萬年的尺度,生態系統的惡化是一個累積的過程,並不是一開始惡化,立即就會有相應的反應。 

  問:从喷发的角度看,岩浆弧與大火成岩省不同,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:海相地層確實沒有銅的富集,很可能的原因是銅會溶解于海水中而無法富集。但是,Hg可以在海相地層中很好地富集。 

  問: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:二疊末的生物大滅絕肯定是全球性的。但是我認爲特提斯洋中碳釋放、有機質的氧化造成的影響遠遠大于西伯利亞大火成岩省。泛大洋是否有這樣的記錄還不太確定,因爲大洋本身完全是開放的,沒有明顯的記錄。唯一可以確定的是特提斯洋中存在明確的記錄。    

  主要參考文獻 

  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.鏈接 

  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.鏈接 

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

  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.鏈接 

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