二叠-三叠纪界线生物灭绝原因探讨

1、二叠三叠纪界线生物灭绝原因探讨一、选题依据地球历史上发生过多次大规模生物集群灭绝事件，其中二叠纪一三叠纪之交（P/T）的生物大灭绝，摧毁地球上90%以上的海洋生物种，70%的陆生脊椎动物属和大多数的陆生植物，是地史上规模最大的一次生物灭绝，因此P/T界线事件是多年来国内外研究的热点和难点。前人的大量研究成果证明，在二叠一三叠纪之交相当短的时期内，全球的海洋、陆地和大气环境几乎同时发生了一系列突发性事件，使全球的生态系统遭受到前所未有的浩劫。本文主要根据前人研究资料，以我国浙江长兴煤山剖面为例，对P/T之交的生物集群灭绝的诱发机制进行简单探讨。我国煤山剖面为全球二叠系一三叠系层型剖面和点(GSS

2、P)，具有代表性、可比性。选择煤山剖面P/T界线地层作为研究对象，对界线地层各种异常的地质记录进行挖掘和剖析，有助于揭示P/T之交发生的各种重大地质事件以及地球环境的剧烈变化，探索生物大规模灭绝的真正原因。而对这些生物灭绝事件的研究有助于对当代地球环境变化和人类生存状况提供大尺度、长历程的地史借鉴。二、研究方法1、剖面地质背景煤山剖面位于浙江省长兴县，1984年殷鸿福领导的中国地质大学界线工作组在浙江煤山发现了三叠系底部重要化石微小欣德牙形石。1986年殷鸿福等提出了以微小欣德牙形石作为P/T界线标志化石的建议，这项提议在大量的界线地层研究中不断得到证实，为绝大多数国内外学者所接受。1993年

3、，中国浙江煤山剖面被定为全球二叠系一三叠系层型剖面和点(GSSP)。煤山剖面 P/T界线在古生物学、地层学、沉积岩石学、古地磁、事件地层等方面都有深入研究，是我国地质科学研究资料最详尽、最丰富的剖面之一。二十世纪八十年代以来，生物地层学家对中国浙江长兴煤山剖面进行了深入研究，并提出了不同的地层划分标准。表1.1列出了长兴煤山剖面P/T界线地层划分沿革。24层到29层，代表了地史上生物演化的重大转折，对于研究P/T生物大灭绝的原因有着重要的意义。2、P/T界线研究方法（1）矿物学方法在煤山剖面，早期发现了大量的微球粒，并发现了石英、锆石、黄铁矿、磷灰石等矿物。石英、锆石、磷灰石： 石英多呈不规则

4、状，浑圆状，表面见贝壳状断口、圆形溶蚀坑等，为高温石英假象，是酸性火山活动的产物。锆石颗粒细小，通常为四方柱、四方双锥等形状。其中有些锆石颗粒比较特别，为长柱状，有锆石和磷灰石的连晶生长现象。磷灰石在细颗粒矿物中大量出现，呈短柱、厚板状或板状晶形。地层中的石英、锆石和磁性颗粒等均揭示了煤山地区酸性火山活动的特征。微球粒： 上世纪八十年代，在煤山剖面发现大量的石铁质或铁质球粒，根据其形貌特征被认为是陨石撞击成因。殷鸿福等认为可以解释为球外星体撞击或爆炸产物，亦可解释为火山爆发产物。2001年Kaihoetal在煤山剖面找到了一些铁、硅、镍球粒，被认为是陨石撞击时高温熔融溅射物冷凝形成的。草莓状黄

5、铁矿： 浙江煤山剖面P/T界线出现的大量粒径细小的草莓状黄铁矿。与现代和古代典型贫氧环境沉积物中的草墓状黄铁矿相似，根据莓粒特征，煤山剖面从24层到29层沉积环境依次为富氧一贫氧一贫氧一贫氧一富氧一贫氧 一贫氧。贫氧事件发生的层位与生物灭绝线一致，25层底部黄铁矿壳层中多种类型生物化石碎屑和草毒状黄铁矿同时大量出现。贫氧事件可能是导致生物灭绝的直接原因，贫氧事件的发生可能与海平面的变化、大规模火山喷发事件等有关。对煤山剖面草墓状黄铁矿产出特征的详细研究，并将其作为沉积环境的重要指标，有利于进一步确立了煤山剖面P/T界线的贫氧沉积环境。粘土矿物： 浙江煤山剖面25层和26层为P/T界粘土层，25

6、层俗称“白粘土”，此层是公认的地球化学事件层，26层俗称“黑粘土”,这两层粘土前人研究均认为是中酸性火山灰经海底蚀变而成的伊利石、蒙脱石混层粘土。由25层中较高的高岭石含量可以推测25层沉积时本区处于较强的酸性环境。而26层富含有机质，色暗并具有水平纹层，推测当时的水流不畅，同时当时的气温较高，在封闭高温条件下的水介质常为碱性水介质。这就解释了为什么黑白两层粘土同是火山灰蚀变的产物但粘土矿物成分却不同,同时说明在这样短暂的时间内海洋环境酸碱度发生了大幅度的变化。（2）地球化学及同位素方法煤山剖面同位素研究主要有碳同位素、硫同位素，这些工作前人已经做的比较详尽，但是关于有机分子的研究近期引起越来

7、越多的关注。碳同位素： 前人对煤山剖面碳酸盐岩样品进行无机和有机碳同位素13Cearh 和13Corg的研究，结果表明煤山段13Cearh值变化平稳、13Corg值下降，此处13Corg出现负漂移可能是由于海洋二氧化碳浓度增加。 因此推测煤山地区晚二叠世末为比较封闭的局限海沉积环境，早三叠世初期经局限和开阔海环境交替出现渐变为海水循环良好的广海沉积环境。硫同位素： 浙江煤山P/T界线附近黄铁矿的硫同位素组成变化很大。重同位素34S最富集的层位，是二叠系长兴组的第24层，也是黄铁矿含量最高的层位；而轻同位素32S最富集的层位是三叠系殷坑组底部的第29层。显而易见，在第24层石灰岩中，黄铁矿含量剧

8、增，34S值陡然上升，反映当时海水中硫的含量以及硫的轻、重同位素比例，都发生了急剧变化，这与火山气体总硫同位素组成平均值极为相似。这些证据表明海洋中形成大量黄铁矿的硫化氢其来源与火山作用密切相关。多环芳烃(PAHs)： 是目前国际上关注的一类持久性有机污染物，化石燃料和植被等大火的不完全燃烧是这些燃烧源PAHs排放的主要途径。因此，古代沉积物中检测出来高含量的燃烧源PAHs能很好地反映大火事件。Venkatesan and Dahl最早研究了P/T界线PAHs的特征，发现了界线层高含量的燃烧源PAHs，并且单体PAHs(无取代基PAHs)含量占主体，从而以分子化石形式记录了P/T界线的全球大火

9、事件。富勒烯： 富勒烯相继在陨石、撞击构造、P/T界线发现，对富勒烯碳笼中包裹的稀有气体进行研究，发现这些稀有气体与碳质球粒陨石中包裹的稀有气体做进一步研究，从而指出P/T界线事件为陨石撞击。三、现有灭绝成因观点自上个世纪八十年代以来，人们一直热衷于研究关于P/T界线生物灭绝、古环境变化以及它们之间的关系，提出了许多地质事件，并阐述了它们与生物事件之间的因果关系。本文对各种事件学说做一简要介绍，并对这些事件之间的联系进行简单评述。1、火山喷发事件西伯利亚玄武火山活动被认为是与P/T界线生物灭绝同期的重要事件。西伯利亚火山喷发很强烈，具有爆炸性特点。日本西南部深海沉积被认为是泛大洋(Pantha

10、lassa)的残片，当时与西伯利亚相距很远。然而，在日本深海P/T界线附近的黑色粘土岩中发现有细粒的基性火山碎屑，地球化学分析表明它们可能来自大陆溢流玄武岩，与西伯利亚玄武岩浆关系密切。西伯利亚玄武岩浆活动时间得到广泛的研究，普遍认为玄武岩浆主要喷发期与生物灭绝时间一致。华南P/T界线有多层火山灰，与煤山剖面25层相当的粘土岩被证明是硅质火山活动的产物，但无法解释与西伯利亚更近的华北为什么不见火山灰的踪迹。关于华南P/T界线火山灰的来源有待深入研究，不过，P/T之交全球范围内大量火山活动的叠加所产生的灾难效应予以充分重视。2、陨石撞击事件迄今为止，在P/T界线地层发现的所有陨石撞击的证据都不同

11、程度地存在疑问和争议，关于陨石撞击事件仍缺失有力的证据。尽管如此，它仍然是一个让人非常感兴趣的假说，因为它可以带来与火山喷发相似的灾难效应。本节对关于陨石撞击方面的证据做一简单的总结。Ir异常 对P/T界线Ir异常的寻找在上世纪八十年代大量开展，然而除个别研究者外，多数研究者测定的Ir含量很低，在地球背景值范围内。总的来说，P/T界线没有显著的Ir异常，不支持陨石撞击假说，尽管Chai等人根据主、微量和稀土元素地球化学特征建立了火山事件和撞击事件的混合模式，但元素分布模式和比值等参数更多地支持火山活动。富勒烯 富勒烯为除金刚石和石墨外碳元素的第三种同素异形体，具有封闭的笼状结构和很高的稳定性，

12、并且能够包裹其它分子，如稀有气体分子等。其中C60是最常见和最稳定的一种。C60在P/T界线己经被多次重复发现，Becker等做了深入的研究，对提取到的C60进行富集分离，然后进行稀有气体同位素分析，发现了其中捕获的氦、氢等稀有气体，它们的同位素组成与地球样品的不同，与典型陨石中的稀有气体组成相似，由此认为陨石撞击事件是导致P/T生物灭绝的原因。冲击石英 冲击石英是K/T界线陨石撞击的关键证据，对K/T界线陨石撞击说的确立起到至关重要的作用，然而，在P/T界线地层普遍缺乏冲击石英。在煤山剖面发现的六方双锥石英，属于中一酸性火山活动的产物。科学家在南极和澳大利亚等地发现了少许冲击石英，但远远小于

13、K/T界线冲击石英的含量，他们将此解释为冲击石英之所以少，与撞击点沉积物特征和溅射物的稀释作用有关。关于P/T界线是否存在陨石撞击事件争议很大，主流观点更倾向于西伯利亚大规模玄武质火山喷发引起生物的大规模灭绝。3、全球变冷和变暖事件二叠纪末期气候较冷，而到早三叠世初期气候已经相当的温暖，这可能与西伯利亚火山和海底甲烷水合物释放出来的大量温室气体有关。古代大气温度的变化可以通过古土壤类型、氧同位素、动物的生活习性(如体型、迁徙等)等反应出来。方宗杰认为在早三叠世的温室气候效应之前的二叠纪末期，有一个全球气候变凉的事件。主要证据包括二叠纪末期曾出现生物大幅度向赤道方向迁移、水龙兽的体型特征、古土壤

14、类型的变化、氧同位素数据等。气候变凉事件可能由西伯利亚火山喷发事件引起(火山冬天效应)，也可通过撞击事件产生相似的气候变化(核冬天)。气候变凉导致许多喜暖生物的消亡。在二叠纪末发生的各类地质事件中，唯有全球古气候格局的重大变动才有可能驱动各个不同的生态系统同时出现灾难性的变化，这也是导致二叠纪末包括陆地和海洋在内的所有生态系统几乎都同时发生大灭绝的原因所在。4、海平面升降中二叠世的大海退至二叠纪末达到顶点，海平面下降幅度达280米。因此，海退曾经被设想为生物灭绝的主要原因之一。近年来，国内外学者通过对世界不同地区P/T界线剖面的精细生物地层研究，认为原先许多学者主张的二叠纪末海退实际上结束于P

15、/T界线之下，海侵不是开始于三叠纪初，而是开始于二叠纪末期。方宗杰研究认为二叠纪后期的海侵应开始于长兴期的中晚期，其后海平面不断上升，至P/T界线底部(煤山剖面的25层底部)，海侵达到高潮。5、甲烷水合物释放事件在地史上出现过多次碳同位素大幅度负漂移事件，被认为是甲烷水合物爆发的标志，因为传统的碳循环模式不能对该事件做出合理的解释。不少学者注意到二叠纪末期高纬度地区有机碳的13C值的负漂移规模明显高于低纬度地区，他们认为这一纬度梯度现象能通过当今甲烷水合物的实际分布状况得到合理解释。他们推测，由于二叠纪末海底水合物的突然爆发，并发生燃烧，从而导致全球生物的大灭绝。根据碳同位素证据认为P/T之交

16、发生了甲烷水合物释放事件，并导致了动物、植物、珊瑚礁、湿地生物等的贫氧、酸中毒、温室效应等，造成生物的灭绝。6、贫氧事件大量事实证明，P/T之交全球范围的海洋存在严重的贫氧事件，而这一事件被认为是海洋生物灭绝的主要原因。贫氧事件的证据主要包括沉积构造(生物扰动、微层理等)、沉积矿物(草墓状黄铁矿等)、微量元素、有机地球化学及古生态法(贫氧遗迹生物、底栖生物群落等)等。Wignall等认为贫氧事件发生在长兴期末大海退之后的迅速海侵，并与生物灭绝线相一致，因此海平面上升是贫氧的主要原因，并支持一潭死水般的静滞海模式。方宗杰认为不存在长达20Ma停滞不变的超级贫氧事件，在贫氧事件中存在阵发性的通气事

17、件。全球气候变暖导致大洋循环衰退，大洋底部得不到氧气补充而逐渐贫氧。二叠纪末期西伯利亚火山喷发事件导致海洋翻转和甲烷水合物的释放，使海水毒化和进一步的贫氧。四、分析讨论尽管P/T生物大灭绝的原因存在着诸多争议争议，但P/T之交生物大灭绝这一事实得到了科学界的一致认同。生物大灭绝的原因不可能是单一的，而是一系列事件综合作用的结果。而这些地质事件给生物灭绝带来的影响也不是完全相等的，它们在成因上有主次，在时间上也有先后。因此在关于生物灭绝的研究中要抓住主要矛盾，并分析各个事件之间的相互关系，最终有先后、有主次的分析出造成生物灭绝的原因。由前人所做的研究与分析可知，在二叠纪末发生了一系列重大的灾变事

18、件，比如火山喷发、海平面变化、贫氧事件等，这些事件的发生基本与煤山剖面P/T界线的时期相当。可推测这些时间相近、相互联系的事件与生物的大灭绝存在着重大关系。本文认为火山喷发及大火事件与海相生物灭绝、海洋贫氧事件几乎同时发生，强烈的火山活动触发大火和各种灾难事件，大火燃烧的烟尘、有毒气体含量上升，而空气中氧气含量下降，使陆地植被大量死亡。同时陆地贫氧和火山灰、烟尘进入海洋，使得海水毒化和贫氧，导致海洋生物大量死亡。而二氧化碳的温室效应使得海水停滞，长期处于贫氧状态，延缓了生物的复苏。因此它们应该是共同作用导致生物大灭绝，而西伯利亚玄武质火山岩的喷发可能是环境变化和生物灭绝的最根本的原因。 参考文献：1沈文杰,林杨挺,孙永革.二叠一三叠纪界线事件祸合