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南京古生物所等在二叠纪末生物大灭绝事件研究中获进展

2021-01-14 南京地质古生物研究所
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  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,破坏了存在了2亿年的海洋生态系统。时期,古海洋环境发生了包括海水升温、酸化、缺氧或硫化、大规模海退以及洋流循环受阻等一系列变化,这些变化均是导致二叠纪末海洋生物大灭绝的可能因素;这些因素彼此之间又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;海洋中镁元素循环常与碳-氧循环过程相伴,因而,其与一系列重大海陆变迁及生命过程相关。 

  近年来,越来越多的研究尝试利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。白云岩镁同位素不易被后期成岩作用改造,且矿物与溶液间镁同位素分馏系数已被精确标定,这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中具有应用潜力。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,中国科学院南京地质古生物研究所晚古生代研究团队研究员张华、副研究员郑全锋与南京大学等的科研人员合作,选取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,进行系统的碳--镁同位素地球化学分析。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一致的快速上升,且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及海洋镁循环过程发生了显著变化。研究人员通过分馏系数推算,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。在高精度地层框架的约束下,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值的平均变化速率约为0.53‰ Myr–1;若考虑次级波动,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%,当局限盆地内白云岩化强度增加到8倍时,可使海水δ26Mg值变化速率快速达到4‰/Myr 

  与报道的同时期稳定铀同位素数据进行对比,研究人员发现,两次次级的镁同位素正向漂移对应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。就古特提斯洋来说,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、水体富营养化等一系列气候和水化学变化易在海洋环境中引发一系列灾变,也更容易导致大范围的生物灭绝。 

  相关研究成果以Mg isotope evidence for restriction events within the Paleotethys ocean around the Permian-Triassic transition为题,发表在Earth and Planetary Science Letters上。研究工作得到中科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支持。

  论文链接

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

 
打印 责任编辑:张芳丹

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