二叠纪—三叠纪之交牙形石氧同位素研究进展

2023-01-03崔亚圣余浩宇彭小桂

资源环境与工程 2022年6期

崔亚圣，吴奎，2，3，王伟，余浩宇，辛杰，彭小桂*

(1.湖北省地质科学研究院，湖北武汉 430034; 2.中国地质大学(武汉) 生物地质与环境地质国家重点实验室，湖北武汉 430074；3.资源与生态环境地质湖北省重点实验室，湖北武汉 430034)

二叠纪—三叠纪之交是地球发展演化史上极其重要的一个时期，发生了自显生宙以来规模最大的一次生物大灭绝事件，全球约有90%的海洋物种和75%的陆地物种在此次灭绝事件中消失[1-2]。针对此次事件的原因，众多学者提出多种学说为二叠纪—三叠纪之交生物大灭绝事件提供证据，包括二叠纪—三叠纪之交西伯利亚大火成岩省[3-8]、海洋缺氧[9-11]、海洋酸化[12-16]、气候变化[17-19]、大气缺氧[20-21]、臭氧层破坏[22-23]、甲烷释放事件[24-25]等，截至目前，学术界尚未达成统一意见。多种学说都指向了温度变化对生物大灭绝的重要影响，如火山喷发或星体撞击导致可燃冰(汽水化合物)大量释放，以及升温事件造成生物集群绝灭；火山喷发造成火山冬天，随后温室气体释放导致温度剧烈变化，大量生物无法适应而灭绝；二叠纪末大气二氧化碳(CO2)含量升高，导致海水温度升高，影响大洋环流，造成海洋缺氧、海洋物种灭绝等。最近的研究[26]表明，当温度变化幅度>5.2℃和温度变化速率>10℃/Ma时，就会出现生物大灭绝事件。由此可见，温度是研究生物与地球环境协同演化的重要气候因子。

温度变化是研究气候变化的重要方面之一。生物骨骼(牙形石)的氧同位素组成一般记录了同时期环境(海水温度)的重要变化。牙形石是开展地层对比以及生物与地球环境协同演化研究的重要依据。二叠纪—三叠纪之交牙形石分布广泛，数量和种类丰富。牙形石作为生物壳体化石，其超微结构对成岩具有较强的抵抗作用，因此牙形石磷酸钙能较好地保存原始同位素组成信息，具有比普通碳酸盐岩更为明确的古生物和古环境意义[27]。鉴于此，国内外地质学家开展了二叠纪—三叠纪之交牙形石磷灰石氧同位素研究工作，普遍发现了牙形石氧同位素约以2‰～3‰的速度快速负漂移现象，这表明海水温度在短时间内(<20 ka)出现了可达8～10℃的迅速升温现象，这一事件对于揭示二叠纪末生物大灭绝的原因具有重要意义。

本文参考前人关于二叠纪—三叠纪之交牙形石氧同位素记录的主要剖面及在生物背景下其详细信息，识别这期间可能影响地球海洋系统的地质因素，并希望能够为该时期地质事件的研究提供思考方向。

1 地理位置

本文展示的二叠纪—三叠纪之交牙形石及其磷灰石氧同位素数据，来自于中国华南(包括浙江煤山、四川上寺、重庆戴家沟和凉风垭)、藏南(文布当桑)和伊朗Sanandaj-Sirjan Block地区(Abadeh)(图1)。这些剖面处于不同的古地理位置、不同的水深，代表不同的古地理环境。在早三叠世华南剖面位于赤道附近的古特提斯洋扬子碳酸盐台地及其北部边缘盆地，代表了赤道附近中低纬度地区的碳酸盐台地相沉积，其中浙江煤山剖面位于斜坡上部，四川上寺剖面位于斜坡下部，重庆戴家沟和凉风垭剖面位于碳酸盐台地；在晚二叠世藏南文布当桑剖面位于古纬度40°S附近的新特提斯洋南部陆架沉积区，代表了中纬度地区的斜坡相沉积；伊朗Abadeh剖面位于10°S附近的新特提斯洋北部陆架沉积区，代表了赤道附近的斜坡相沉积。

图1 二叠纪—三叠纪之交全球古地理位置图(a)和华南早三叠世古地理图(b)(据Feng et al.[28]和Wu et al.[29]修改)Fig.1 Permian-Triassic Palaeogeographic map of the world (a) and Triassic Paleogeopraphic map of South China (b)

2 材料和方法

本文所引用的牙形石氧同位素数据是采用传统溶解法和激光剥蚀法测量的。这两种方法具有不同程度的优缺点：传统溶解法是通过硝酸溶解牙形石，将磷酸根离子置换沉淀，再通过传统的气源同位素质谱仪测量氧同位素成分，其优点是操作流程简单;其缺点是需要的样品量相对较大，通常在0.3～1 mg。激光剥蚀法是利用激光原位二次离子质谱仪测量，其优点是可以对非常微小的样品进行快速高效地分析，样品需求量少且具有较高的空间分辨率;其缺点是该方法的优势被需求的参考材料所抵消，这是因为当用一次离子束轰击时，不同基质的物体可能具有不同的二次离子产量，影响其测量的同位素比率，因此，采用激光剥蚀法进行测量时，需要谨慎选择所使用的参考材料[30]。

目前国内外用于开展牙形石氧同位素研究的剖面材料相对较少，这主要受限制于两个因素：一是具备丰富牙形石化石的地层剖面相对较少，而采用传统溶解法测量需要大量的牙形石，因此大多数地层剖面不足以支撑高分辨率同位素剖面的测制；二是牙形石形态微小，目前国内外仅有少数实验室掌握原位微区氧同位素提取分析方法。

本文研究所引用的二叠纪—三叠纪之交牙形石氧同位素方法，如表1所示。

表1 本文引用的二叠纪—三叠纪之交牙形石氧同位素参考资料Table 1 The references of conodont oxygen isotope during the Permian-Triassic discussed in this paper

3 二叠纪—三叠纪之交牙形石氧同位素

二叠纪—三叠纪之交牙形石生物地层的研究起始于20世纪50年代[37]，随之相关研究逐渐增多。牙形石由于具有演化快、分布广、数量多、易于获得的特点，经常被作为标准化石。全球在古、中生代之交以牙形石作为“金钉子”定义化石的有8枚[29]。全球三叠系底界“金钉子”是以Hindeodusparvus带在华南下扬子地区浙江省长兴县煤山D剖面27层中间的首现作为标准，并作为二叠纪—三叠纪之交的界线。前人对二叠纪—三叠纪之交牙形石生物地层学开展了大量的研究工作，建立了具备开展等时对比的地层格架，对于二叠纪末生物大灭绝和三叠纪早期的生物复苏研究提供了充足的实物资料，同时也为开展牙形石氧同位素研究工作打下了坚实基础。

Joachimski et al.[18]和Chen et al.[31-32]先后在华南煤山、上寺、凉风垭和戴家沟剖面开展了牙形石氧同位素研究工作(图2)。煤山剖面不仅局限于二叠纪—三叠纪之交，而且延伸到了吴家坪阶的下部，可以观察到穿越Wuchiapingian-Changhsingian Boundary(以下简称WCB)界线时存在氧同位素的升高，显示为一次降温事件。之后，华南地区的煤山、上寺、戴家沟和凉风垭这四个剖面的氧同位素曲线尽管数据密度不同，但在二叠纪—三叠纪之交具有可对比的相似特征。在灭绝线之前，牙形石氧同位素都相对较高；在灭绝线之上，四个剖面上均迅速出现了大约2.0‰～3.0‰氧同位素的下降。伊朗Abadeh剖面牙形石氧同位素总体呈三个阶段分布：第一阶段，从二叠世吴家坪阶下部的Clarkinadukouensis带到大灭绝线之间，牙形石氧同位素相对稳定，平均为19.44‰；第二阶段，从大灭绝线(19.36‰)开始，牙形石氧同位素迅速下降，在Permian-Triassic Boundary(以下简称PTB)(17.05‰)界线处仍未降到最低值，大约在早三叠世印度阶的Hindeodusparvus带内达到了最低值(16.92‰)；第三阶段，在早三叠世，牙形石氧同位素持续保持相对较低值，平均为17.11‰。藏南文布当桑剖面牙形石氧同位素总体也呈三个阶段分布(图2)：第一阶段是在二叠纪末期—灭绝线之前，氧同位素稳定在20.49‰～20.90‰；第二阶段是在跨越End-Permian Mass Extinction(以下简称EPME)事件层时，出现了1.87‰(19.03‰～20.90‰)的明显快速负漂移，而在接近PTB界线时未出现较明显的变化；第三阶段是在三叠纪早期氧同位素缓慢降低(数据较少)。

牙形石氧同位素在上述剖面具有较强的可对比性，皆存在明显的“快速”负漂移现象，漂移的开始时间略晚于EPME事件层或与EPME事件层保持一致(文布当桑剖面要早于EPME，其主要原因为数据量少、跨度大、结果不具代表性，此处忽略它在整体中的影响)，终止时间要晚于二叠纪—三叠纪界线。在不同剖面开始负漂移的起始时间略有不同，终止时间由于样品点数量不足无法对比。

4 讨论

4.1 二叠纪—三叠纪之交全球性升温事件

通过将不同学者取得的晚二叠世—早三叠世牙形石氧同位素数据投影到统一时间框架下(图3)[32,36]，不难发现，尽管不同地区剖面具有相似的牙形石氧同位素演变形式，但不同剖面之间的精确对比的确存在困难，且氧同位素的绝对值之间也存在较大的差异，如二叠纪—三叠纪之交伊朗Abadeh剖面氧同位素值要普遍低于中国煤山剖面，其原因：一方面是由于牙形石数量的稀少性，导致可开展牙形石氧同位素研究的剖面数量相对较少，不足以进行精细化的对比工作；另一方面也是更为最重要的是由于不同剖面采取不同的处理方法，而不同地区所处的气候条件也不尽相同，所获得的牙形石氧同位素的绝对值之间同样存在差异，导致不同剖面之间绝对对比关系的研究难以开展。

图2 二叠纪—三叠纪之交牙形石带和牙形石氧同位素对比图(据Chen et al.[32,36],周丽芹等[33-34],Joachimski et al.[18],Korte et al.[35]修改)Fig.2 Comparison of conodont zonations and conodont oxygen isotope during the Permian-Triassic

图3 晚二叠世—早三叠世牙形石氧同位素数据记录和西伯利亚火山活动图(据Chen et al.[36]修改)Fig.3 The conodont oxygen isotope record during the Late Permian-Early Triassic and the history of the Siberian volcanic activity

根据华南地区煤山和上寺剖面的牙形石氧同位素数据记录，从吴家坪阶到长兴阶存在一个显著的降温事件，煤山剖面记录较好，穿越WCB界线时在0.2 Ma内下降了约8℃[31-32]。但伊朗Abadeh剖面在穿越WCB界线时，并未出现氧同位素的动荡，未发生降温事件，表明在WCB界线附近发生的降温事件为局部事件[36]。

相反，尽管不同剖面的古地理环境、古纬度以及气候条件不尽相同，牙形石氧同位素也存在差异，但在二叠纪—三叠纪之交，牙形石氧同位素均出现了较大程度的快速下降，开始下降的时间基本与灭绝线等时，而且下降一直持续到了二叠纪—三叠纪界线之后，无论是在变化时间和幅度上都具有相似性，不同剖面也具有高度可对比性，这些表明发生在二叠纪末大灭绝界线之上约2‰～3‰的氧同位素负偏和相对应的气候快速变暖(约10℃)，可视为全球性的气候变暖事件[36]。这一现象在中国的蓬莱滩[38]和西口[39]也得到了验证。

4.2 二叠纪—三叠纪之交海水温度演化模式

国内外学者特别关注发生在二叠纪—三叠纪之交牙形石氧同位素数据和温度变化(图4)，通过对比统一时间尺度下的煤山、上寺、戴家沟、凉风垭和Abadeh剖面[36]在二叠纪末生物大灭绝之前、期间和之后的牙形石氧同位素变化，发现海水温度具有可对比性，在时间尺度、变化幅度上具有相似性，总体呈现从“冷”到“暖”再到“热”的三个阶段(需要注意的是图4中“冷”、“暖”和“热”条件是相对的，不是绝对的，此处是为了方便开展对比研究)。在生物大灭绝之前，海水温度保持在一个相对“冷”的阶段；生物大灭绝开始时，牙形石氧同位素几乎同时出现迅速降低或者说海水温度迅速升高、达到“温”、然后迅速到“热”的阶段，温度变化的起始与生物大灭绝开始的界线保持一致。另外，在PTB界线之上海水温度仍旧保持较高，并存在着持续上升的趋势，持续的高温也对早三叠世的海洋生物复苏造成了影响，延误了生物复苏的开始[18]。

图4 二叠纪—三叠纪之交统一时间框架下的牙形石氧同位素记录图(据Chen et al.[32]修改)Fig.4 Comparative conodont oxygen isotope records during the Permian-Triassic

不同剖面在约20 ka内，牙形石氧同位素约有2‰～3‰的下降，对应气温有约8～10℃的升高，这一“大”的温度变化对生物生存造成极大挑战，开始升温与开始生物大灭绝的界线几乎保持一致或者略晚于生物大灭绝的界线，从这一角度考虑，极端的气温上升加剧了当时陆地和海洋生态系统的崩溃，影响了海洋生物的生存空间，导致无法适应而死亡，使生物多样性加速下降。

4.3 气候变暖与西伯利亚火山活动

火山活动导致生物大灭绝的主要机制是产生大量的挥发性气体和火山灰引发全球性环境气候急剧恶化。西伯利亚大火成岩省被认为是最有可能造成二叠纪末生物大灭绝的主要原因[5]。开展西伯利亚火山活动与二叠纪末升温事件的关联研究对于研究二叠纪末发生的生物大灭绝具有重要意义。西伯利亚火山活动可划分为三个阶段：①(254.24±0.12) Ma之前，火山碎屑流阶段；②始于(251.907±0.067) Ma，结束于(251.483±0.088) Ma，岩浆喷发阶段；③始于(251.483±0.088) Ma之后约0.42 Ma，终止于(250.2±0.3) Ma[5]，岩浆侵入阶段。通过分析Abadeh和煤山剖面二叠纪—三叠纪之交氧同位素、碳同位素、生物大灭绝速度与西伯利亚火山活动的时间演化(图3)，发现其温度升高与西伯利亚岩浆活动从主要的喷发转变为广泛的基岩侵入在时间上具有一致性[36]。这表明温度升高源于岩浆侵入过程中大量的蒸发岩、碳酸盐岩和富有机质页岩释放二氧化碳，导致二氧化碳浓度升高，引起气温升高[6,40]。最近有一项热模拟研究表明，广泛的岩浆侵入和相关的接触变质作用比单独的岩浆脱气影响深远得多，这使得火山活动造成大幅度温度升高变得有可能[40]。

因此，横跨PTB界线的牙形石δ18O的快速下降表明，在二叠纪—三叠纪之交全球气候变暖可能主要是由于西伯利亚火山活动导致的大量温室气体注入到海洋大气系统而造成的，如火山喷发的温室气体CO2、H2S等，及岩浆侵入导致大量的蒸发岩、碳酸盐岩和富有机质页岩释放CO2等。

从已取得的成果来看，二叠纪—三叠纪之交牙形石氧同位素具有急剧震荡的演化模式，对于认识该时期环境与生命协同演化具有重要意义。需要注意的是，各个剖面动荡的程度有所差异，究竟是什么原因造成了氧同位素在这些关键节点上的差异？是古地理位置的不同(其中可能导致后期成岩作用的改造影响，或地层本身缺失了特殊异常事件的记录,或牙形石个体的差异),还是局部事件的改造？这些因素都能在一定程度上影响氧同位素在不同剖面上的表现，这对于未来的研究提出了新的考验和问题。