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二叠纪末大灭绝前后海洋氧化还原条件演化历史及其驱动机制
2022-01-10 | 编辑: | 【

  距今约2.52亿年前的二叠纪末期发生了显生宙最大的生物灭绝事件,造成了约81%的海洋物种和89%的陆地物种在地球上完全消失。强烈而大规模的火山喷发很可能是这次灭绝事件的触发因素,而火山喷发后气候变暖所导致的海洋缺氧则可能是造成海洋生物灭绝的一个直接原因。尽管已有大量证据支持二叠纪末-三叠纪初的海洋存在极端缺氧事件,但也有报道显示,在二叠纪-三叠纪之交出现了氧化底栖海洋条件。这些矛盾很可能是缺氧指标的差异性、缺氧事件空间分布的不均匀性造成的。 

  另外,有观点认为在二叠纪末生物大灭绝之前海洋环境已发生恶化,然而,关于灭绝事件发生之前乐平世(晚二叠世)海洋氧化还原状态的研究还相对较少。因此,对二叠纪末生物大灭绝之前及期间的海洋氧化还原条件开展进一步的研究,对揭示缺氧事件时空分布,以及海洋缺氧在二叠纪末生物大灭绝中的重要性等都具有科学意义。 

  最近,中国科学院南京地质古生物研究所晚古生代研究团队郑全锋副研究员、张华研究员、王玥研究员、曹长群研究员与中国矿业大学、南京大学的合作者,对四川广元上寺二叠系-三叠系界线剖面(剖面主体位于青川县建峰镇)进行了高精度沉积学和遗迹学研究。利用遗迹群落、遗迹组构指数(ii)和最大潜穴直径(MBD)为氧化还原指标,重建了该区晚二叠世至早三叠世早期海洋底层水体氧化还原条件演化历史;通过区域内剖面对比和不同氧化还原指标对比研究,并结合前人的同位素年龄和旋回地层学研究资料,阐明了该时期各氧化还原条件变化阶段的时空分布;并在高精度沉积学研究的基础上,通过事件地层学对比研究,揭示了不同时空尺度氧化还原条件变化的驱动机制。该研究成果已在线发表于《地球科学评论》(Earth-Science Reviews)。 

  研究发现,在晚二叠世至早三叠世早期,上寺地区海底的氧化还原条件存在短期和长期两种时间尺度的变化。短期变化在剖面上主要表现为厘米-分米级的灰岩和泥岩/泥灰岩的旋回性沉积。泥岩/泥灰岩中主要发育贫氧相的遗迹群落,生物扰动较弱ii值较小),潜穴直径较小,因而形成于较还原的海底环境;灰岩中发育富氧相的遗迹群落,生物扰动较强(ii值较大),潜穴直径较大,形成于较氧化的海底环境。长期变化主要表现为米-十米级的岩相组合、遗迹群落和潜穴特征的变化。通过沉积学和区域对比研究表明,灰岩层所代表的短尺度高频氧化事件为地区性信号,主要由风暴或浊流造成的水体混合作用所形成;长尺度的海底氧含量变化则为区域性或全球性信号,主要为区域性或全球性因素所驱动。 

  到了吴家坪中期-长兴早期,上寺地区的海洋底层水持续处于缺氧甚至硫化状态,水体缺氧一直持续了390万年(256.974-253.073 Ma)。中吴家坪期-早长兴期深海缺氧事件在区域范围内普遍存在,并为浅海碳酸盐岩的铀同位素(δ238Ucarb)所反映,因此其属于区域性甚至全球性信号。这一长期的海洋缺氧事件在上寺地区主要由古地理局限、高海平面、高海洋生产力和可能的全球性气候变化所造成。 

  在上寺地区,长兴期海底氧化事件于253.513Ma拉开序幕,在253.073Ma进入主幕,并在252.739Ma进一步增强。这一长期的海洋氧化事件在铀同位素和海相蒸发岩的硫同位素(δ34Sevaporite)记录中均有反映,因此为全球性信号。长兴期全球性海洋氧化事件很可能由早长兴期的全球变冷事件所触发,这一气候变冷事件造成当时海洋的表层温度下降了约6,寒冷气候一直持续到二叠纪末生物大灭绝前。 

  该项研究得到了中国科学院战略性先导科技专项和国家自然科学基金委的共同资助。 

  论文相关信息:Zheng, Q.F.*, Zhang, H., Yuan, D.X., Wang, Y., Wang, W.Q., Cao, C.Q., Shen, S.Z., 2022. High-resolution sedimentology, ichnology, and benthic marine redox conditions from Late Permian to the earliest Triassic at Shangsi, South China: Local, regional, and global signals and driving mechanisms. Earth-Science Reviews, 225:https://doi.org/10.1016/j.earscirev.2021.103898. 

1 本研究中使用的氧化还原条件及其遗迹学和沉积学定义和对应氧含量

Conditions 

MBD (mm) 

ii 

Sedimentary fabric

Oxygen (ml/l)

Euxinic/anoxic 

0 

1 

Well laminated; no sighs of biogenic structures. 

0 (H2S)

suboxic 

0-5

2-4

Well to faintly discontinuously laminated; partly bioturbated.

0-0.15

Lower dysoxic 

0-5

5-6

Completely bioturbated or homogenized.  

0.15-0.5

Upper dysoxic/oxic

5-10

5-6

Completely bioturbated or homogenized. 

≥0.5

Oxic 

≥10

5-6

Completely bioturbated or homogenized. 

≥2.0

1 上寺剖面吴家坪组顶部(A, B)和大隆组底部(C-G)岩相和微相及风暴沉积(A, C-E

2 上寺剖面吴家坪组顶部-飞仙关组底部沉积柱状图及遗迹群落(Ichnoc.)、遗迹组构指数(ii)、最大潜穴直径(MBD)、氧化还原条件(RC)、长尺度遗迹组构指数(s-ii)、长尺度最大潜穴直径(s-MBD)、长尺度氧化还原条件(sRC)、天文年龄(AA)和相对海平面(RSL)变化。U-Pb年龄引自Shen et al., (2011)ARM引自Wu et al. (2013)

3 上寺地区晚二叠世至早三叠世早期海洋底层水体氧化还原条件变化及驱动因素


 
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