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中国科大揭示陆相二叠纪末生命大灭绝新机制

时间:2022-06-03 14:58

距今约2.5亿年的二叠纪末期,地球上发生了最大规模的生命灭绝事件,造成海洋中超过90%以及陆地上超过70%的物种消失。中国科学技术大学李梦涵博士以高精度硫(S)同位素分析为主要手段对澳大利亚悉尼盆地的二叠-三叠纪地层进行了系统研究,提出西伯利亚大火成岩省喷发产生的硫酸盐气溶胶在全球范围内的扩散和沉降是陆相二叠纪末生命大灭绝的重要因素这一新观点。相关研究成果近日以“Sulfur isotopes link atmospheric sulfate aerosols from the Siberian Traps outgassing to the end-Permian extinction on land”为题发表于地球科学综合学术期刊《地球与行星科学通讯》(Earth and Planetary Science Letters)。

在关于二叠纪末生命大灭绝的环境和机制研究方面,国内外学者的研究大多集中于海洋生物的灭绝及其机制方面,而对陆地生命灭绝的相关研究较少。传统观点认为,陆地和海洋生物几乎是同时灭绝的,因此它们灭绝的原因和机制是相同的。此外,二叠-三叠纪陆相地层在全球范围内大多保存不完整或者缺少关键层位。因此陆相二叠纪末生命大灭绝的原因和机制一直是地球科学领域具有挑战性的科学问题。针对这一科学问题,沈延安课题组和美国康涅狄格大学教授、国际沉积学会副主席Tracy Frank课题组开展合作共同对澳大利亚悉尼盆地陆相二叠-三叠纪地层进行了多学科系统研究,探究陆相二叠纪末生命大灭绝之谜。

论文的第一和通讯作者李梦涵介绍说:“悉尼盆地在二叠-三叠纪时期位于南半球大约33°这一特殊的古地理位置,其研究结果将帮助我们回答两个重要的科学问题。第一:二叠纪末期位于北纬60°的西伯利亚大火成岩省的喷发是海洋环境恶化和生物灭绝的关键驱动力,但研究者们对这次火山喷发是否影响南半球气候和陆地环境变化一直没有明确的答案。第二:现在越来越多的证据表明,二叠纪末陆地和海洋生命大灭绝不是同时的,陆地生物的灭绝时间早于海洋生物,因此导致它们灭绝的环境因素可能不同”。

研究团队对1000多米长的钻孔和相关地层进行了详细的测量和多种数据分析,首先精确地确定了陆相生物在悉尼盆地灭绝的层位,年龄数据表明悉尼盆地陆地生物的灭绝要早于全球海洋生物灭绝事件大约20-60万年。在此基础上研究团队对钻孔样品中的黄铁矿开展了高精度硫同位素测试。研究发现,硫同位素在陆相生物灭绝层位发生了巨大的波动变化(如图)。具体表现为三个阶段,灭绝前(第I阶段)的硫同位素变化范围较小,但在陆地生命灭绝时期(第II阶段)硫同位素发生非常显著的降低,灭绝发生以后(第III阶段)硫同位素的分布与灭绝前基本一致。

 

图:悉尼盆地二叠-三叠纪生物地层及硫同位素组成

该研究认为,陆地生物灭绝期间硫同位素的显著降低是由于悉尼盆地湖水中的硫酸盐浓度急剧升高导致的。与海水中的硫酸盐浓度相比较,湖水中只含有微量的硫酸盐,因此微生物硫酸盐还原作用及其同位素分馏机制和结果在海洋体系和湖相体系的表现有显著的差别。悉尼盆地的硫同位素记录表明,导致湖水中硫酸盐含量急剧升高的主要原因是大气中硫酸盐气溶胶的沉降,而硫酸盐气溶胶则来源于西伯利亚大火成岩省的喷发。研究结果证明北半球西伯利亚大火成岩省喷发产生的硫酸盐气溶胶通过扩散和传输达到了南半球并沉降至悉尼盆地,因此硫同位素的研究结果将火山喷发以及南、北半球的气候和环境变化有机联系起来。研究结果表明,硫酸盐气溶胶的全球扩散对当时的地表环境造成了严重破坏,这对陆相二叠纪末生命灭绝的研究具有重要启示。研究提出硫酸盐气溶胶全球扩散、沉降及其导致的地球表层气温间歇性地陡然下降、持续的酸雨、以及臭氧层的减薄等环境效应是悉尼盆地陆相二叠纪末生命灭绝的重要因素这一新观点。

该项研究受到国家自然科学基金创新研究群体、青年基金和博士后创新人才计划的支持。


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