科研进展
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华北西缘中奥陶统水下块体搬运机制和盆地演化研究进展
水下块体搬运过程（subaqueous mass-transport processes）是深海沉积物的一个重要来源，主要包括受重力控制的滑移、滑塌和沉积物重力流等。它们对于改造海底地貌、记录气候和构造事件、以及形成油气储层等方面有着重要作用。此外，研究它们对于恢复古斜坡倾向、了解沉积盆地构造演化历史也十分关键。
然而，由于碳酸盐岩水下块体搬运沉积物的岩石记录较硅质碎屑岩相对罕见，且过去研究手法多以遥感和钻孔为主，人们对于碳酸盐岩水下块体搬运沉积的内部构造和形成过程了解甚少。对于碳酸盐岩水下块体搬运沉积物特征及过程的系统研究是当代沉积学重要的热点方向之一。
近年来，中国科学院南京地质古生物研究所李文杰博士、陈吉涛研究员与美国合作者，多次前往我国内蒙古乌海地区开展沉积学和地层学野外工作，通过对该地区多个剖面中奥陶统达瑞威尔阶至桑比阶的克里摩里组和乌拉力克组进行详细的沉积学观察与描述，识别出多套水下块体搬运沉积物，并对其内部结构、构造进行了野外素描和产状测量。相关研究成果近期发表在国际SCI期刊《沉积学》（Sedimentology）上。
基于连续的野外露头现象和数百个测量数据，研究获得以下几个成果：（1）总结出碳酸盐岩滑塌构造的变形序列；（2）提出多种前所未见的碳酸盐岩重力流沉积模式；（3）阐明这些独特的沉积现象记录了该时期华北西缘由被动大陆边缘盆地向前陆盆地转变的重要阶段，构造事件导致的地形变化和频发的地震是这些沉积现象的直接成因。
该研究成果不仅可用于揭示不同时代的深水碳酸盐岩沉积过程和构造转换背景，而且对华北西缘非常规油气资源（如页岩气）勘探具有重要指导意义。
本研究得到中国科学院战略性先导科技专项（B类）和美国自然科学基金的联合资助。
论文信息：Li, W. J., Chen, J. T.*, Hakim, A. J., Myrow, P. M., 2021. Middle Ordovician mass-transport deposits from western Inner Mongolia, China: Mechanisms and implications for basin evolution. Sedimentology. https://doi.org/10.1111/sed.12949.
西来峰剖面克里摩里组滑塌构造中的褶皱和叠瓦状层
一线天剖面乌拉力克组碳酸盐岩角砾充填的深切水下河道
硅质碎屑岩斜坡上粗粒碳酸盐岩碎屑充填的水下河道沉积相模式092021-12 -
泥盆纪古气候重建工作取得新进展
泥盆纪是维管植物开始大规模登陆时期，也是全球气候由温室期向冰室期转换的关键时期。一直以来，植物登陆被认为是地球表层系统转变的关键因素之一，即所谓的“泥盆纪植物假说”（Devonian plant hypothesis）。该假说认为树和森林的出现极大地促进了大陆风化作用和陆源营养物质的输入，促使海洋初级生产力提升和有机碳埋藏量增加，驱动大气二氧化碳浓度下降和气候变冷，最终导致在泥盆-石炭纪之交的中-高纬度地区出现了晚古生代最早的冰碛岩沉积。然而，这一假说尚未得到高精度古气候或古温度数据的严格检验。此外，泥盆纪还经历了多次造山运动和火山喷发事件，它们对泥盆纪气候转变是否产生了重大影响也未经过系统评估。
针对这些科学问题，中国科学院南京地质古生物研究所陈波副研究员等与来自北京大学、南京大学以及英、德两国的同行合作，利用华南的牙形刺磷酸盐氧同位素记录系统重建了泥盆纪古海水温度演化历史。新的研究结果显示，植物登陆是控制泥盆纪气候演化重要但并不唯一的驱动因素，构造和火山活动在塑造泥盆纪气候波动方面也扮演了重要作用。该成果最近正式发表在地球科学综合性期刊《地球科学评论》（Earth-Science Reviews）。
在这项研究中，陈波等人利用牙形刺氧同位素测温方法，系统分析了采自华南板块10余条剖面的180个牙形刺样品，获得一条完整的泥盆纪氧同位素曲线。通过与其它板块氧同位素数据进行系统对比，发现不同板块的氧同位素数值存在较大的区域差异，开放海的氧同位素数据相对于陆表海来说可能更真实地记录了全球温度的变化。来自华南及其它低纬度地区的氧同位素数据显示泥盆纪气候呈现出早泥盆世温暖，中泥盆世变冷，中-晚泥盆世之交短暂变暖，随后又变冷的复杂动态变化过程。这与先前普遍认为的由植物登陆所导致的全球气候单向、逐步变冷模式形成鲜明对比。
在对比植物登陆的关键性演化事件和植物化石多样性曲线后，研究人员认为早-中泥盆世之交的气候变冷可能与维管植物登陆和维管植物根系-土壤相互作用的建立有关。这一重大的陆表革新事件可能极大地加速了大陆风化，从而驱动气候变冷。中-晚泥盆世之交的短暂气候变暖则可能与阿卡迪亚（Acadian）造山运动过程中流体入侵碳酸盐岩地层导致的变质脱碳作用所排放二氧化碳有关；而晚泥盆世法门期的气候变冷则可能与种子植物的出现和具有复杂根系植物的崛起，以及由于晚泥盆世火山活动和岛弧碰撞所造成的玄武岩和蛇绿岩套大规模暴露导致的大陆风化再次增加等因素叠加有关。
为了验证验证这些假设，陈波还利用COPSE生物地球化学模型（COPSE：Carbon（碳）, Oxygen（氧）, Phosphorus（磷）, Sulfur （硫），Evolution（演化））对这些驱动机制进行了检验。结果显示，模型能很好地揭示相关的气候变化趋势，但获得的变化幅度相对较小，可能与COPSE模型为简单的一维模型有关。
该研究得到中科院战略先导专项（B）项目和国家自然基金（NSFC）的资助。
论文信息: Chen, B., Ma, X., Mills, B.J.W., Qie, W., Joachimski, M.M., Shen, S., Wang, C., Xu, H., Wang, X., 2021. Devonian paleoclimate and its drivers: A reassessment based on a new conodont δ18O record from South China. Earth-Science Reviews 222, 103814. https://doi.org/10.1016/j.earscirev.2021.103814
图1 泥盆纪重要的植物革新、化石多样性、构造、火山事件、二氧化碳、古海水温度记录以及相对应的COPSE模型预测结果302021-11 -
地球化学证据揭示海洋氧化为何迟滞了近20亿年
大气氧含量与生命演化之间的因果联系是最备受关注的重要科学问题之一。已有研究显示，早期地球极端缺氧，直至距今大约24亿年前后发生第一次大氧化事件。当时大气中的氧气达到了现代大气氧含量的1%水平以上，导致真核生物在地球上首次出现。但奇怪的是，在随后长达十几亿年的时间内，大气氧含量并没有显著增加，一直到距今5.8-5.2亿年前后发生的第二次大氧化事件，大气中的氧含量才增加到现代大气氧含量的60%以上的水平，从而可能触发了多细胞真核生物的大辐射，以及动物的快速起源和寒武纪爆发。
为什么在第一次大氧化事件之后，地球大气和海洋的氧化程度迟滞了近20亿年，直到5.8-5.2亿年前后才发生急剧增加呢？
针对这一科学问题，中国科学院南京地质古生物研究所朱茂炎研究员领导的中英合作团队开展了多年的探索。他们采用多种地球化学指标并结合数学模型首次系统论证了巨大海洋溶解有机碳库（DOC）的存在是迟滞元古宙海洋彻底氧化的关键原因。该成果在著名地球科学期刊《地球与行星科学通讯》（Earth and Planetary Science Letters）发表；陈波副研究员为该文第一作者，朱茂炎研究员为通讯作者。
溶解有机碳库模型（DOC）最早由美国麻省理工的Rothman在2003年提出，其依据是全球新元古代地层中记录的海水碳同位素的频繁负漂移事件，并表现无机碳（δ13Ccarb）和有机碳（δ13Corg）同位素变化之间的不耦合现象。该模型认为，前寒武纪海洋表层透光带内进行光合作用的微生物主要是原核生物，这些微生物死亡后的有机质颗粒细小、沉降速率慢，在海水中不断积累形成一个巨大海洋溶解有机碳库，超过现代大洋溶解有机碳库1000倍以上。由于这种以细菌为主的细小有机质颗粒易于氧化降解，大量消耗海水中氧气，从而导致了大洋的长期缺氧并阻止了大气氧化的增加。这种现象可以将前寒武纪海洋想象成一个巨大的现代沼泽池，水体中大量腐殖有机质不断消耗着氧气，导致水体浑浊并缺氧。只有当这个浑浊、高度还原的溶解有机碳库被彻底移除，大气和海洋的氧气含量才能够实现实质增加。但这一模型随后遭受到质疑，质疑的焦点集中在新元古代地球不可能提供足够的氧化剂来消耗/移除海洋中这一巨大的还原碳库。
2019年，该中英合作团队在《自然-地球科学》（Nature Geoscience）上发文提出：大规模造山运动可以导致原来海盆中形成巨量蒸发盐矿物的风化，为海洋带来持续性硫酸盐（氧化剂）输入，这些硫酸盐通过硫酸盐还原菌大规模消耗海水中的溶解有机碳，并通过黄铁矿的大规模埋藏（产氧），最终导致海洋中溶解有机碳库的减小和海洋的迅速氧化。这一假说为溶解机碳库模型面临的氧化剂来源这一挑战提供了解决方案，但是，该假说主要依赖于生物地球化学模型的数值模拟，缺乏具体地质记录和地球化学证据的直接论证。
本次研究，该团队在三峡地区南坨村剖面埃迪卡拉纪陡山沱组地层（约6亿年之前）中识别出一个与地质历史上全球最大的Shuram/DOUNCE事件（陡山沱负碳同位素负偏移事件)级别相同、但持续时间更短（~1.5 百万年）的碳同位素负偏移事件，相当于先前识别WANCE事件(瓮安负碳同位素偏移事件）。为了弄清这一负漂移事件发生的原因，团队开展了详细的碳、氧、硫、铀、锶等多同位素体系分析，论证了这次碳同位素负漂移事件记录的是一次由大陆风化增强导致的硫酸盐输入增加所触发的短暂海洋氧化事件。
大陆风化增强（锶同位素比值87Sr/86Sr增加）所带来的海水硫酸盐含量增加（黄铁矿和碳酸盐中硫同位素差值Δδ34SCAS-pyr>～35‰) 使深海溶解有机碳（DOC）被迅速消耗，海洋开始氧化（铀同位素δ238U值增加），大量13C亏损的有机碳被氧化并释放到海水中，导致同期海水碳酸盐的碳同位素δ13C值急剧下降（最低点 ~-10‰）。随着风化作用减弱（87Sr/86Sr下降），氧化剂被耗尽（Δδ34SCAS-pyr值下降），海洋迅速恢复到缺氧状态（δ238U值下降），同时δ13C 恢复到正值（图1）。
这一地球化学数据所揭示的过程与利用生物地球化学模型的数值模拟结果非常吻合。特别有意义的是，WANCE事件发生这一过程与随后发生的Shuram/DOUNCE 异常极其一致（图2），支持了该团队2019年提出的假说，即造山运动导致大量氧化剂输入增加是导致埃迪卡拉纪海洋氧化和极端碳同位素负偏移事件的主要驱动因素，这种海洋氧化还原状态和氧化剂供应之间的动态平衡完全符合Rothman的溶解有机碳库模型；为溶解有机碳库的存在是迟滞前寒武纪海洋彻底氧化的关键原因提供了直接证据。
发生在埃迪卡拉纪早期的WANCE事件，可能标志着这一大型深海溶解有机碳库解体的肇始。随后多次持续时间更长、强度更大的脉冲式氧化剂输入事件，不断消耗大洋中的溶解有机碳库，促使其最终在寒武纪早期消亡，海洋变得更加氧化，为动物在寒武纪早期的大爆发（寒武纪生命大爆发）和复杂海洋生态系统的出现创造了先决条件（图2）。
该研究得到中科院战略先导专项（B）项目和国家自然基金（NSFC）的资助。
论文信息：Chen, B., Hu, C., Mills, B.J.W., He, T., Andersen, M.B., Chen, X., Liu, P., Lu, M., Newton, R.J., Poulton, S.W., Shields, G.A., Zhu, M.*, 2022. A short-lived oxidation event during the early Ediacaran and delayed oxygenation of the Proterozoic ocean. Earth and Planetary Science Letters 577, 117274. https://doi.org/10.1016/j.epsl.2021.117274.
图1 湖北宜昌南沱村埃迪卡拉纪陡山沱组剖面的碳、硫、铀、锶同位素变化
图2 埃迪卡拉纪重要的生物革新事件、海洋氧化还原状态以及铀、锶、碳同位素记录262021-11 -
《塔里木盆地中生代大孢子及孢形体化石》出版
大孢子是异孢植物产生的一种个体较大的孢子，它发育形成植物的雌性配子体。正因它们形体大而更易于原地保存，故在古植被和古气候重建以及地层学等领域有较多的研究应用。但因数量较少，化石大孢子的研究开展尚不充分。与国际相比，我国的相关研究工作起步更晚、程度较低，已有的一些研究成果也多限于简单的材料描述和报道上，缺乏系统性的研究。
塔里木盆地是我国重要的油气盆地，也是我国最大的沉积盆地；其中的中生界是盆地重要的烃源岩层。孢粉学在盆地几十年的油气勘探与开发中发挥着重要的作用，取得了系列成果。但迄今为止，相关的研究仍主要集中于小孢子化石，针对大孢子的研究报道比较零散。尽管如此，塔里木盆地仍然是中国中生代大孢子最主要的产地。
近期，由中国科学院南京地质古生物研究所的黎文本、李建国研究员等，与国际著名孢粉学家D. J. Batten教授合作，历经多年完成了《塔里木盆地中生代大孢子及孢形体化石》（《中国古生物志》第202卷）研究工作。目前该书已由科学出版社正式出版发行。这是中国第一本关于化石大孢子的中英文对照研究专著。
该书以黎文本研究员在塔里木盆地近二十年积累的材料为基础，系统研究了塔里木盆地三叠系至白垩系地表和井下共34条剖面的大孢子和孢形体化石，对这些化石进行了详细的系统分类，记述了各个剖面上的化石产出结果和不同层位的化石组成特征，划分建立了8个大孢子带（组合带），并讨论了一些大孢子属种的时代和古环境意义以及盆地内的一些地层划分对比问题。
本研究借助扫描电镜对化石大孢子的形态展开观察记录，对一些属种还采用了与投射光生物显微镜和反射光实体显微镜相结合的方法，制作了60幅化石图版，并配以细致的形态描述，希望有利于后人在不同观察手段下鉴定、参考。
本书的出版将有力促进中生代化石大孢子研究，同时对塔里木盆地中生代地层的划分与对比以及油气勘探也将产生积极作用。本书还可供国内外地质、古生物、资源勘探等科研、生产和高等院校等相关专业人员参考。
《塔里木盆地中生代大孢子及孢形体化石》封面
专著内页化石图版252021-11 -
岩芯高分辨率元素扫描揭示奥陶纪末冰期存在多期海平面旋回
在距今4.45亿年前的奥陶纪末期，地球上发生了显生宙以来第一次短暂而剧烈的全球性气候变冷事件——赫南特冰期。这次冰期事件在中高纬度地区留下丰富的、多期次的冰川沉积记录，然而，在中低纬度（如华南）的海相地层中始终难以找到这次冰期事件的可靠沉积学和沉积地球化学证据，这种缺失有可能与地层信息提取程度和分析仪器的分辨率有限等条件相关。
华南扬子区奥陶纪末期地层保存完整、化石丰富，但因地层凝缩、厚度较小且岩相单一，此前研究难以取得较高精度的冰期-海平面变化证据，阻碍了对该次冰期在低纬度地区的环境效应研究，并进一步影响到不同纬度区之间的精确地层对比。
近期，中国科学院南京地质古生物研究所早古生代研究团队博士研究生李超和张俊鹏博士等，对扬子区多口科研钻井的奥陶系顶部地层岩芯展开沉积微相、主微量元素、有机碳丰度及碳同位素等分析研究。研究揭示了该次冰期在中低纬度地区的旋回特征及环境效应。其中，元素分析首次借助岩芯元素断层扫描技术（XRF分析），获得了迄今为止最高的测试精度（样品点/1 mm），测试结果得到了密集取样的ICP-OES/MS测试结果的对照检验，从而获得了高分辨率的元素地球化学证据。该研究成果已于近日在线发表于地学SCI学术期刊Global and Planetary Change。
通过详细的沉积微相和海平面变化指示元素研究，表明奥陶纪末冰期在华南扬子区主要表现为三幕冰期-海平面旋回，相对海平面下降分别发生在晚奥陶世凯迪末期、赫南特早期和赫南特晚期。其中，第三幕海平面下降为本次冰期事件中最大一次海平面下降，记录于观音桥层上部。研究提出的三幕式赫南特冰期-海平面旋回与已发表的中高纬度地区冰碛岩记录相一致，且与其他板块的沉积（暴露面等）与地球化学证据（如εNd、δ7Li和187Os/188Os等）可对比，进一步证实了赫南特冰期的多期次性。
同时，古海洋环境研究指出，在赫南特冰期期间，华南扬子区不同相区的海洋古生产力和底水氧化还原状态也表现出与冰期-海平面旋回的同步变化，说明冰期可能通过改变水体循环和营养盐循环模式而影响到当时海洋的生物泵效率。
本研究得到中国科学院战略性先导科技专项（B类）、国家自然科学基金、江苏省自然科学基金、国家科技重大专项和国家留学基金委员会的联合资助。
论文相关信息：
Li Chao, Zhang Junpeng, Li Wenjie, Botting Joseph, Chen Qing, Fan Junxuan, Zhang Yuandong. 2021. Multiple glacio-eustatic cycles and associated environmental changes through the Hirnantian (Late Ordovician) in South China. Global and Planetary Change, 207: 103668. https://doi.org/10.1016/j.gloplacha.2021.103668.
图1. 双河1井海平面变化指示元素岩芯扫描（XRF）与主微量测试（ICP）结果
图2. 黄葛1井、双河1井、宜湾1井赫南特冰期海平面记录与全球对比232021-11 -
华南周缘酸性火山作用导致二叠纪末陆地生态系统崩溃
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%的陆地生物物种在很短的时间内灭绝。由中国科学院南京地质古生物研究所和南京大学等国内外多家单位的学者组成的研究团队发现华南周缘大规模酸性火山喷发也是二叠纪末生物大灭绝的一个重要诱因，而曾经所认为的西伯利亚大规模基性火山喷发也并非二叠纪末生物大灭绝的唯一推手。相关研究成果于11月17日在线发表于国际知名刊物《科学进展》(Science Advances)。
二叠纪末生物大灭绝及其与火山活动之间的时间联系及生物灭绝模式大都来自于华南的地质记录，然而，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很少有化石记录的灭绝模式，也没有可以与全球对比的沉积地球化学证据记录这次生物大灭绝，最新的少量古生物资料表明：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华南地区严重。此外，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的约50万年，但二叠纪末生物大灭绝事件发生在6万年甚至更短的时间内。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。
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沉积记录，完整地记录了这次生物大灭绝事件过程中海洋和陆地生物的快速灭绝，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。通过对康滇古陆的陆相和海陆过渡相二叠系-三叠系剖面的研究表明，上二叠统宣威组中含有非常丰富的煤炭资源和高度分异、具有热带雨林特点的大羽羊齿植物群；从二叠系-三叠系过渡层卡以头组之底开始，大羽羊齿植物群快速减少，“中生代型”的植物类群开始出现；至下三叠统东川组底部植物化石基本消失。与此同时，该时期还表现出成煤作用停止、土壤系统崩溃、气候快速干旱化。因此，华南地区是在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。
研究团队在我国西南部云南和四川等地4个经典的陆相二叠系-三叠系剖面生物大灭绝层位发现铜的异常富集。经检测，铜元素含量在上二叠统宣威组中的背景含量通常低于500ppm，但到二叠系-三叠系过渡层中却有着高达40000ppm的富集，在地层中多以次生孔雀石和辉铜矿形式保存，并多与野火事件形成的炭屑颗粒相伴生。
研究团队还创新性地将铜同位素应用到生物大灭绝事件的研究之中，发现铜同位素在华南陆相剖面二叠纪灭绝之前的沉积物中基本处于零值附近，反映其主要来源与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。
汞元素及其同位素被认为是指示全球火山作用的化学代用指标，在二叠纪末生物大灭绝的研究中已被广泛应用。本研究中，在华南四个陆相剖面二叠纪末大灭绝期铜富集层位同样也发现汞元素高达近百倍的富集，并且不受控于有机碳的富集程度。同时，汞同位素质量分馏和非质量分馏在二叠纪末大灭绝事件发生期间也发生了明显的变化。
富铜沉积层中熔体包裹体具有极高浓度的铜元素和硫元素，并且保持稳定的比例关系，且铁含量较低，指示二叠纪末大灭绝层位高浓度铜元素极有可能来自于火山喷发产生的蒸汽或气溶胶中硫化物液滴的直接沉积。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。诸多已报道的二叠纪-三叠纪过渡期内酸性火山物质和汞异常，主要分布在特提斯洋和冈瓦纳南部古太平洋边缘周围，表明喷发中心在华南地块南部或/和西南方向，而不是西伯利亚。
根据地层中铜元素等的丰度和分布范围，研究人员推测华南周缘的火山活动最少释放超过19亿吨的铜和几十亿吨的二氧化硫，这种爆发通量是现代火山活动二氧化硫年通量的10-200倍。酸性火山喷发释放的大量富硫气溶胶穿透对流层后滞留于平流层导致全球千年尺度的“火山冬天”，这种快速降温与随后的快速升温可能比火山作用导致的长期逐渐升温对生物的影响更致命。故此，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。
以往二叠纪末生物大灭绝的研究多集中在海洋沉积记录上，而陆相二叠纪末生物大灭绝的研究相对较少。这项研究结合高精度同位素地质年代学、微量元素和同位素等地球化学，以及陆地生物灭绝模式和火山物质记录，在陆地上建立了火山活动和二叠纪末生物大灭绝之间的联系。尽管这项研究不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，证明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，可能是2.52亿年前这次最大的生物灭绝事件的主要凶手之一。
南京大学沈树忠院士为论文通讯作者，南京古生物所张华研究员为论文第一作者。此项研究得到中国科学院先导专项、科技部以及国家自然科学基金委的资助。
文章信息：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. https://science.org/doi/10.1126/sciadv.abh1390.
图1 华南陆相剖面二叠纪-三叠纪过渡期富铜沉积物和炭屑
图2 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
图3 华南二叠纪大灭绝期间富铜沉积形成过程示意图232021-11 -
高精度年代学研究解密埃迪卡拉纪地球生命演化的节奏
近日，由中国科学院南京地质古生物研究所朱茂炎研究员领导的中英美俄国际合作团队在埃迪卡拉纪高精度地质年代学研究中获得重要进展，为揭示地球这一关键转折期的演变提供了一个全新的时间框架。该成果于2021年11月3日在线发表于《科学》（Science）杂志子刊《科学进展》(Science Advances)，英国地质调查局杨传博士为第一和通讯作者，朱茂炎研究员和耶鲁大学Alan Rooney博士为共同通讯作者。
距今6.35-5.39亿年前的埃迪卡拉纪是介于以极端冰期为特征的成冰纪和以寒武纪大爆发为特征的寒武纪之间的地质年代。该时期地球的岩石圈、水圈、大气圈和生物圈均发生了剧烈变化，因而是地球宜居性演化的关键转折期。
埃迪卡拉纪时期，地球刚从全球几乎被冰雪覆盖的极端寒冷气候中苏醒过来，表层海洋以氧化的海水为主，表层海洋之下以缺氧的海水为主但伴随着周期性的氧化事件，大气的氧含量逐步升高。特别是海洋中的发生无机碳同位素剧烈波动，可能表明底层大洋发生间歇性氧化。这一系列环境事件可能导致了埃迪卡拉纪的宏体复杂生物的繁盛，特别是动物开始出现并发生分异，海洋生态系统由微生物占主导的席状生态系统向类似现代海洋生态系统转变。因此，揭示埃迪卡拉纪地球表层各系统演变与复杂生命崛起之间相互联系和机制，成为当今地球系统科学和宜居性研究的前沿课题。其中，高精度地质年代学是揭示地球表层各系统演变与复杂生命崛起之间相互联系的关键。
埃迪卡拉纪记录了一次地球历史上最大的海洋碳同位素负异常事件，国际上通常称为“Shuram”事件，在我国华南称为“DOUNCE”事件。“Shuram/DOUNCE”事件的年龄、持续时间和全球性问题是建立埃迪卡拉纪全球年代标准和解决埃迪卡拉纪生命与环境演化问题的关键。因而，有关“Shuram/DOUNCE”事件及其与宏体复杂生物起源演化之间成因联系等问题的研究成为目前地球科学领域中热点，围绕这些科学问题的争议非常激烈。
南埃迪卡拉纪陡山沱组（距今6.35-5.50亿年以前）不仅保存有丰富的化石记录，而且以碳酸盐岩和黑色页岩为主的岩石组合为开展地球化学研究提供了最佳的素材。2005年，麻省理工学院Dan Condon博士、Sam Bowring教授与朱茂炎研究员团队合作发表在《科学》（Science）期刊上的文章奠定了陡山沱组高精度地质年代学研究的基础，并首次将“Shuram/DOUNCE”事件的结束时间确定为5.51亿年前。随着研究的深入，陡山沱组上部碳酸盐岩碳同位素地层的区域复杂性逐渐被揭示出来（图1）。陡山沱组上部地层的区域对比，以及与之相关的陡山沱组上部地层中碳同位素负漂移事件的次数、“Shuram/DOUNCE”事件的层位及年龄，再次成为学界争论的焦点。
针对上述关键科学问题，研究团队对华南陡山沱组中部的黑色页岩和陡山沱组上覆的灯影组和留茶坡组中的火山灰夹层分别开展黑色页岩Re-Os和锆石CA-ID-TIMS U-Pb地质年代学研究。获得的年代学数据不仅为陡山沱组中的具刺疑源类、瓮安生物群、翁会生物群、庙河生物群及灯影组中的典型埃迪卡拉化石组合提供了年龄约束，而且确定了陡山沱组中碳同位素负漂移事件的时代，特别是将华南埃迪卡拉纪斜坡相的“Shuram/DOUNCE”事件结束的时间确定为早于5.56亿年前。
如果“Shuram/DOUNCE”事件具有全球等时性的话，那么华南埃迪卡拉纪台地相陡山沱组上部至少记录了两次碳同位素负漂移事件。年龄偏老的持续时间长的是“Shuram/DOUNCE”事件，年龄偏年轻的事件持续时间比较短，结束于5.50亿年前。上述结论得到了其他地区埃迪卡拉纪碳酸盐岩碳同位素和年代学数据的支持，比如加拿大、阿曼、巴西和纳米比亚（图2）。综合数据表明，“Shuram/DOUNCE”事件发生在5.75~5.65亿年之间，误差在5百万年左右（主要基于黑色页岩Re-Os年代学数据）。
这项工作的另一重要进展是，重新厘定了埃迪卡拉生物群（5.75-5.39亿年前）三个演化组合：阿瓦隆（Avalon）组合、白海（White Sea）组合和纳玛（Nama）组合之间的时间关系。已经发表的数据表明，阿瓦隆组合年龄为5.75-5.60亿年前，纳玛组合的年龄为5.50-5.39亿年前。为解决白海组合的年龄问题，研究团队通过与俄罗斯同行合作，对俄罗斯境内记录有白海组合的地层中的火山灰夹层开展高精度地质年代学研究，结果表明，白海组合开始的时间稍早于5.57亿年前，结束的时间略晚于5.53亿年前。埃迪卡拉生物群三个演化组合时间关系的厘定为认识它们之间的演化关系奠定了基础。
基于已经发表的和新的年代学数据，研究团队将埃迪卡拉纪的碳酸盐岩碳同位素数据和化石记录综合起来，建立了最新的埃迪卡拉纪综合年代学模型（图3）。该模型不仅为埃迪卡拉系的划分与对比奠定了基础，而且为探讨埃迪卡拉纪生物快速演化与同时期海洋碳酸盐岩碳同位素剧烈波动之间的成因联系提供了年代学依据。
该研究得到中科院先导专项B、中国国家自然科学基金委员会（NSFC）、英国环境研究理事会（NERC）、美国国家科学基金委员会（NSF）和俄罗斯科学基金（RSF）的资助。
论文信息：Yang, C.*, Rooney, A.D.*, Condon, D.J., Li, X.-H., Grazhdankin, D. V, Bowyer, F.T., Hu, C., Macdonald, F.A., and Zhu, M.*, 2021, The tempo of Ediacaran evolution. Science Advances, 7, eabi9643.
图1 华南埃迪卡拉纪地层
图2 埃迪卡拉纪中晚期两次碳同位素负漂移事件的年代学约束
图3 埃迪卡拉纪综合年代学模型232021-11 -
塔里木盆地发现奥陶纪中期燧石团块保存的微体藻类化石
奥陶纪时期，全球多个地区广泛沉积硅质岩，其中包括哈萨克斯坦、澳大利亚东部。尽管奥陶纪深海燧石的微观古生物学有相对较好的记录，但奥陶纪浅海燧石的微体化石组合却知之甚少。
近期，中国科学院南京地质古生物研究所孟凡巍、燕夔副研究员，袁雪君硕士等与中国石化石油勘探开发研究院的张智礼、李慧丽高级工程师合作，对中国塔里木盆地北部的YJ -1井奥陶纪中期一间房组的钻孔碳酸盐岩岩芯进行研究，在碳酸盐岩中发现了大量燧石结核。此前，中国奥陶纪微体浮游藻类化石（疑源类）基本来自页岩浸泡，此次研究是国内首次对奥陶纪燧石相化石进行研究，丰富了对奥陶纪生物圈的认识。相关研究成果发表于国际SCI杂志《碳酸盐和蒸发岩》（Carbonates and Evaporites）上。
通过对燧石结核进行切片研究，发现其中包含丰富的化石藻类组合，共计11个属13种的浮游藻类化石（疑源类），以及丝状蓝藻；进而揭示了中奥陶世燧石相的生物组合面貌。该生物组合表明当时是一个浅海环境，这一推断得到了岩石学和其他动物学证据的证实。
燧石中的疑源类化石组不仅可以与全球同时期其他地区组合进行对比；也可用于露头及井下生物地层对比，具有重要的生产实践指导意义。
本次研究得到国家自然科学基金面上项目，中国自然科学基金中以合作项目，以及中科院基础前沿科学研究计划“从0到1”原始创新项目的共同支持。
论文相关信息：Zhang, Zl., Meng, Fw., Zheng, Qf. et al. Microfossils from nodular cherts in the Middle Ordovician Yijianfang Formation carbonates (Well YJ1X), Tarim Basin, China. Carbonates Evaporites 36, 38 (2021). https://doi.org/10.1007/s13146-021-00689-7.
中国塔里木盆地北部的YJ -1井奥陶纪中期一间房组燧石中的化石藻类122021-11 -
数据库分析揭示了昆虫对二叠纪末大灭绝事件的响应
昆虫作为现今地球上多样性最高的生物，自石炭纪开始繁盛，在二叠纪已成为陆地生态系统中的重要角色。二叠纪末发生了地质历史上规模最大的生物灭绝事件，导致了陆地生态系统的崩溃。迄今学界对此时期昆虫的演化过程争议颇大，进而导致我们对于昆虫对大灭绝的响应机制知之甚少。
近日，中国科学院南京地质古生物研究所硕士研究生赵显烨在王博研究员指导下，与中国科学院古脊椎动物与古人类研究所博士生余逸伦以及俄、美等国科研人员合作，依托南京古生物所大数据中心，建立了全球甲虫（昆虫纲：鞘翅目）化石形态数据库。在此基础上，研究人员利用多种数学模型对早二叠世至中三叠世甲虫的分类多样性、形态歧异度、系统发育和生态习性进行了综合分析，重建了甲虫的早期演化历史。研究发现大灭绝事件（特别是去森林化）明显影响了甲虫的早期演化历程，为理解昆虫对大灭绝事件的响应过程和机制提供了新见解。研究成果近期发表于英国综合性学术期刊eLife上。
本研究厘定了甲虫部分关键类群，分别统计了自然类群、形态类群及混合类群的物种数；并参考全延限假设，计算得到了分类多样性变化曲线。在新的系统发育矩阵的基础上，采用最大简约法构建了早期甲虫的系统发育树。研究还建立了甲虫鞘翅形态数据库，并且利用主坐标分析和非度量性多维标度变换方法，基于多种形态歧异度指标，定量分析了早二叠世至中三叠世甲虫形态差异的变化。
结果表明，随着早、中二叠世甲虫干群的辐射，其多样性与形态歧异度同步增加。晚二叠世其多样性与形态歧异度解耦，多样性的增加并未伴随形态歧异度而发生显著变化。在二叠纪末大灭绝事件后，早三叠世的甲虫蛀食性干群近乎完全灭绝，多样性、形态歧异度皆明显降低。早三叠世蛀食性甲虫化石记录的空白与森林生态系统的崩溃时间（即无煤期，“Coal Gap”）大致吻合，表明蛀食性甲虫的灭绝可能源于去森林化作用所造成的栖息环境的消失。中三叠世甲虫类群明显恢复，新的蛀食性甲虫类群再次广泛出现，这也与森林生态系统的恢复时间相一致；此时期甲虫类群也逐渐完成了从古生代类群（基干类群为主）到中生代类群（多食亚目为主）的转换。
现代自然界中，昆虫在陆地碳循环中扮演着重要的角色。森林是陆地生态系统中最大的碳储库，植食性昆虫通过分解木质组织，将光合作用固定的碳以二氧化碳形式返回于大气。现今昆虫对森林枯木分解贡献率平均为29%，年排碳量约为3.2±0.9 Pg。甚至在短时间内，植食性甲虫的爆发足以让森林从碳汇转变为碳源。然而，漫长的地质历史时期，昆虫对全球碳循环及气候的影响被长期忽略。
古生代陆生植物大辐射伴随着巨量碳储存和氧气释放，这被认为是同期大气氧含量上升的主导因素。但大气氧含量在石炭纪达到顶峰后下降的原因尚存争议。近期，新的地球化学模型提出二叠纪陆地植食性动物对碳埋藏的限制可能是大气氧含量下降的主要驱动力。在二叠纪，相对于甲螨、脊椎动物等植食性生物，蛀食性甲虫成为更重要的木材分解者。这些甲虫通过与微生物（例如真菌）的相互作用显著提高了木材的降解速率。因此，二叠纪蛀食性甲虫的辐射可能是二叠纪大气氧含量下降的一个主要驱动力。
本研究还首次利用形态歧异度等指标对昆虫化石进行分析。结果表明，基于大数据以及多指标、多种模型的联合分析有助于我们更好地揭示地质历史时期生物的演化规律和可能的驱动力。
当今，人类造成的全球变暖与毁林事件导致森林昆虫多样性不断下降，与二叠纪末期灭绝事件十分相似。本研究或许有助于我们更好地了解未来昆虫将如何响应全球气候的变化。
本研究由国家自然科学基金、中国科学院等资助。南京古生物所画师杨定华绘制了化石复原图。
论文相关信息：Zhao Xianye, Yu Yilun, Clapham M.E., Yan E., Chen Jun, Jarzembowski E.A., Zhao Xiangdong, Wang Bo* (2021) Early evolution of beetles regulated by the end-Permian deforestation. eLife, doi: 10.7554/eLife.72692.
二叠纪甲虫代表性化石及复原图
早二叠世至中三叠世甲虫多样性变化曲线
早期甲虫系统发育树（A）和蛀食类群占比生态变化曲线（B）
早期甲虫形态歧异度对比分析102021-11 -
滇东北首次发现奥陶纪末大灭绝前微体舌形贝型腕足动物
舌形贝型亚门腕足动物是寒武纪演化动物群的重要组分，也是古生代演化动物群中非常独特的一部分。但由于它们个体通常很小且数量稀少，研究相对薄弱。对于华南凯迪期的微体舌形贝型腕足动物，至今未见正式发表的文献。
近期，中国科学院南京地质古生物研究所的博士研究生陈迪在黄冰研究员指导下首次报道并系统描述了一个华南凯迪期的深水微体舌形贝型腕足动物组合，这也为研究奥陶纪末大灭绝前非铰合类腕足动物的演化提供了新的资料。相关研究成果于近期发表在国际地学学术刊物Papers in Palaeontology。
此次研究的岩石样品采自滇东北永善县万和剖面的宝塔组、临湘组和大渡河组，时代属于凯迪中晚期。永善地区位于华南古板块的西缘，环境较为开阔，广泛沉积灰岩、泥灰岩，这为舌形贝类提供了良好生存条件。样品经酸泡处理获得微体舌形贝型腕足动物，共鉴定出9属13种。
为研究全球深水微体舌形贝类的组成和古生物地理分布模式，本文首次建立了全球凯迪期舌形贝型腕足动物数据集，数据主要来自于波罗的卡、阿瓦隆尼亚、澳大利亚-冈瓦纳、Boshchekul岛弧和华南古板块上的10个采样点或采样地区，涵盖舌形贝型亚门中的5个超科 (舌形贝超科Linguloidea，平圆贝超科Discinoidea，乳孔贝超科Acrotretoidea，管洞贝超科Siphonotretoidea和神父贝超科Paterinoidea)，共计40属。
通过定性分析和NMDS (非度量型多维尺度变换分析) ，结果与铰合类腕足动物类似，凯迪期深水微体舌形贝类的分布同样具有一定的地理分区性。通常古地理位置上离得近的，往往拥有更多相同的属。但也有例外，比如华南与波罗的卡、阿瓦隆尼亚、澳大利亚-冈瓦纳的距离，相较于华南与Boshchekul岛弧的距离更远，但却拥有更高的相似性，这可以用古海洋环流或是环境差异来解释。Boshchekul岛弧当时位于北半球洋流系统中，而华南当时位于南半球低纬度地区，靠近冈瓦纳大陆西缘，位于南半球的环流中。同时，波罗的卡和阿瓦隆尼亚古板块也在这个南半球洋流体系中，所以与华南有较高的相似性。与Boshchekul岛弧相比较而言，华南与澳大利亚-冈瓦纳古板块的相似性更高，可能是因为腕足动物沿着大陆海岸线迁徙，也可能是因为华南与Boshchekul岛弧的古环境差异更大。
论文相关信息: Chen, D., Huang, B., Li, W.J., Li, R.Y. and Rong, J.Y. (2021), Late Ordovician (Katian) linguliform microbrachiopods from north-eastern Yunnan, South China. Papers in Palaeontology, https://doi.org/10.1002/spp2.1407.
凯迪期非铰合类腕足动物古地理分布与华南两种代表性化石052021-11