追踪二叠纪末生物大灭绝的背后「元凶」

二叠纪末生物大灭绝,“凶手”不止一个!

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%的陆地生物物种在短短 6 万年内灭绝,而地球足足花了 500 万年才恢复过来。

长期以来,对于造成这次生命大灭绝的原因一直存在巨大争议,究竟是什么导致了二叠纪末海洋生物大灭绝?是“天体撞击”“大规模火山喷发”“海底可燃冰的快速分解”“海水缺氧”?目前,二叠纪末生物大灭绝的模式和精确时间大都来自于华南的地质记录,尤其是浙江长兴煤山剖面的研究表明这次生物大灭绝发生在两层火山灰之间。主流观点认为,这与当时的西伯利亚“超级火山”喷发有关。

浙江长兴煤山剖面 P-T 界线地层

火山喷发如同扣动扳机,引发连锁反应。巨量的二氧化碳不停涌入大气层,还造成海水缺氧和酸化,导致生物大量死亡。

大规模火山喷发示意图(图片来自网络)

“大规模火山喷发”——西伯利亚大火成岩省?

以往的研究在解释二叠纪末生物大灭绝的原因时,都归咎于西伯利亚大火成岩省的基性火山喷发。认为这次火山喷发释放了大量温室气体,使得温度快速上升、海水酸化和缺氧;而特提斯洋和其他地区的酸性火山作用则被低估甚至忽略。

然而,一直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却很少有化石记录的灭绝模式,也没有可以与全球对比的沈积地球化学证据证实这次生物大灭绝。并且,最新的少量的古生物资料也表明: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像华南地区这么严重。

此外,通过高精度同位素测年等技术手段,可以得知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约 50 万年;但二叠纪末生物大灭绝事件仅发生在 6 万年甚至更短的时间内;并且西伯利亚大火成岩省有 1/3 的喷出岩和主体岩浆岩侵入时间均在华南的二叠纪生物大灭绝之后。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。

“大规模火山喷发”——华南地区?

时光倒流到 2.5 亿年前,当时华南地区还是一片热带雨林。当时,陆地生物和海洋生物都很丰富,但在 2.5 亿年前的二叠纪末遭到重创,导致热带雨林消失、成煤作用停止、土壤系统崩溃,气候快速干旱化等环境灾变。

我国四川、云南、贵州等地的陆相二叠系 - 三叠系界线剖面记录了这一灾难事件的全过程。

陆地生态系统灭绝前(左图);灭绝后海、陆生态系统崩溃(右图)

因此,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沈积记录,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。

由中科院南京地质古生物研究所张华研究员和南京大学沈树忠院士领衔的晚古生代团队以及国内外专家,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,发现这套地层中,高度分异、具有热带雨林特点的大羽羊齿植物群自上二叠统宣威组到二叠系 - 三叠系过渡层卡以头组之底呈现出快速减少的特点,而到了下三叠统东川组底部,植物化石基本消失,进而揭示了成煤作用的停止。研究人员认为,华南地区该地层是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。

华南地区发现了什么证据?

通过对我国云贵川地区的 4 个经典的陆相二叠系 - 三叠系剖面生物大灭绝层位的铜元素进行分析,发现原本在上二叠统宣威组中铜元素的背景含量通常低于 500ppm,但到二叠系 - 三叠系过渡层却有着高达 40000ppm 的异常富集。

此次将铜同位素应用到生物大灭绝事件的研究之中也是研究团队创造性尝试。研究团队发现铜同位素在华南陆相剖面二叠纪灭绝之前的沈积物中基本处于零值附近,反映其主要来源于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。

华南陆相剖面二叠纪 - 三叠纪过渡期富铜沈积物和炭屑

此外,作为指示全球火山作用的化学代用指标,汞元素及其同位素在二叠纪末生物大灭绝的研究中也已被广泛应用。本次研究中,同样发现了汞元素在这段层位中高达近百倍的富集。

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

“凶手”不止一个!

这些具有极高浓度的铜元素和硫元素的富铜沈积层是来自于华南板块周边特提斯洋中大陆岩浆弧酸性火山喷发产生的蒸汽或气溶胶中富硫化物液滴的直接沈积。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。

以上生物大灭绝层位富铜岩石的矿物学和地球化学研究为华南周边地区大陆岩浆弧的酸性火山喷发与二叠纪末陆地生态系统崩溃提供了时空的耦合关系。并且,诸多报道也表明二叠纪 - 三叠纪过渡期内酸性火山喷发中心在华南地块南部或 / 和西南方向,而不是在西伯利亚。

环冈瓦纳大陆南缘火山喷发圈(252 Ma)

为此,研究小组根据地层中铜元素等的丰度和分布范围,推算出当时华南周缘的酸性火山喷发最少释放了超过 19 亿吨的铜和几十亿吨的二氧化硫。而这种喷发通量是现代火山活动二氧化硫年通量的 10-200 倍。如此大量的富硫气溶胶穿透对流层后滞留于平流层中,则可能导致全球百 - 千年尺度的“火山冬天”。对于生物来说,这种快速降温与随后的快速升温对其影响可能比火山作用导致的长期逐渐升温更为严重。故此,研究人员认为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。

华南二叠纪大灭绝期间富铜沈积形成过程示意图

尽管这项研究并没有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,研究人员认为 2.52 亿年前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,或可成为 2.52 亿年前这次最大的生物灭绝事件的主要凶手之一,而之前一直被认定的西伯利亚大规模基性火山喷发并非二叠纪末生物大灭绝的唯一推手。

参考文献:

1. 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. science.org/doi/10.1126.

来源:中国科学院南京地质古生物研究所

作者:刘芸 张华

 

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