在中国东部生物多样性与古生代大规模绝缘性事件中的应用

在中国东部生物多样性与古生代大规模绝缘性事件中的应用

人类生活在46亿公里外，最古老的生物遗迹可以追溯到35亿年前。在这漫长的生物进化史上,曾发生过5次大规模的古生物灭绝事件,它们先后发生在寒武纪末期(距今570Ma)、泥盆纪末期(360Ma前)、二叠纪末期(245Ma前)、三叠纪末期(208Ma前)和白垩纪末期(65Ma前)。以距今最近的白垩纪/第三纪(K/T)界线生物灭绝事件为例,据统计白垩纪末有动、植物2868个属,至第三纪初仅剩1502属,属的灭绝率高达48%。是什么原因导致生物在短时间内大量灭绝始终是地质学家与古生物学家关注的热点。对地球上大规模生物灭绝的原因,曾有各种假设,例如:火山爆发、海平面变化、气候反常、盐度变化、造山运动等各种地内成因导致生物灭绝的“渐变论”;以及太阳耀斑和超新星爆发等地外成因的“灾变论”,然而这些都缺乏物理和化学的直接的科学依据,无法科学地解释生物大规模灭绝事件。1重要技术与灾害事件研究1.1作为地外物质铱是难熔亲铁性的贵金属元素,在地球早期演化过程中,由于重力分异、化学分馏作用等原因,致使地球表层中铱含量极低(<1μg/kg)。然而,在地外物质如陨石中,铱的含量可高达n·100μg/kg,比地壳中铱含量高出几个数量级(见表1),因此,铱可以作为地外物质的指示元素。在K/T界线粘土层中发现铱的异常富集,为地外物质参与了该时期的地质演变提供了科学依据。1.2中性活化分析由于地质样品中铱的含量极低(<10-9g/g),用一般的化学和物理方法均无法测得其准确值。中子活化分析法具有灵敏度和准确度高、精密度好、取样量少、可同时分析多种元素等优点。表2列出了铱的中子活化分析参数。利用放射化学中子活化分析(RNAA)对地质样品可以测到10-12g/g,比目前灵敏度最高的非核分析方法-电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)的灵敏度要高1—2个量级。1.3异常富集k/t界线层1980年,Alvarez等将中子活化分析法应用到地球灾变事件的研究中,测定了意大利的Gubbio和丹麦的StevnsKlint的白垩纪/第三纪界线粘土层中的铱,发现铱在界线层中异常富集,高出背景值30—160倍。并由此提出在白垩纪末期,可能是小行星撞击地球,造成地球上环境的突变,改变了生物赖以生存的条件,导致了大规模生物灭绝,并且在K/T界线层中留下了地外指示元素铱的异常富集。Alvarez等在K/T界线层中Ir异常富集的发现为小天体撞击地球造成生物灭绝提供了科学依据。由此提出在白垩纪与第三纪之交时曾发生直径10km的小行星撞击地球的事件,撞击造成的大量尘埃悬浮在大气中遮天蔽日达数月之久,造成核冬天效应,使植物的光合作用停止,生物链中断,致使成批的生物灭绝。这一撞击理论的提出使灾变事件的研究有了突破性的进展。2中等专业技术对灾难发生的深入研究2.1k/t界线层80年代后各国科学家研究了西班牙、加拿大、美国、新西兰等世界各地的K/T界线剖面,目前已报道有Ir异常的K/T界线层150多处,Ir异常浓度高于背景值30—300倍不等。其分布的区域北到阿拉斯加地区,南到南极洋深海钻探剖面。其分布之广证明这一事件是一个全球性的事件。研究的K/T界线剖面大多数是海相沉积地层和深海钻探剖面,少数为陆相地层和陆上剖面。证明K/T界线生物灭绝事件是全球性事件。2.2地质界线的异常应用核分析技术在K/T界线层发现了铱异常并提出了撞击导致古生物灭绝的理论,那么,在其它地质历史时期的大规模生物灭绝事件的发生与地外撞击事件是否有关呢?为此,我们除了研究K/T界线剖面外,还用中子活化分析法系统研究了二叠系/三叠系(P/T)、泥盆系/石炭系(D/C)、奥陶系/志留系(O/S)、前寒武系/寒武系(P∈/∈)等地质界线30多处。表3为用中子活化分析法测得的地质界线的异常铱。由表3可见,在不同地质年代的界线层中,我们都发现了Ir不同程度的异常富集,Ir的含量相差2—3个量级。这些界线层中铱是否都是地外撞击所致,还有待进一步证实。2.3地壳外成因研究K/T界线层中Ir异常富集,已成为判别地质事件地外成因的重要判据。但是Ir的富集具有多解性,因为Ir在地幔物质中的含量也相当高,单凭铱含量的变化不足以证明铱的富集不是来自于地幔物质;此外,地球化学富集作用也有可能造成局部Ir的富集,同属铂族元素的Os、Ru和Rh在地壳中的丰度也极低(<1μg/kg),在地外物质和地幔物质中都具有较高的含量,而铂族元素的比值却相差甚远。因此,研究地质界线层中Os/Ir、Ru/Ir值将更有力地证明铱异常的来源。我们研究了若干界线层中铂族元素之间的比值,结果见图1和图2。图中实线表示太阳线,虚线表示地壳线。从图中可见,K/T界线的值接近地外线,而其它界线的值离地外线甚远,这从另一方面为K/T界线事件地外成因提供了科学依据。此外,K/T界线Ir/Rh的结果与我们的结果一致。3在对灾害事件的研究中，开发了多种铂元素核分析技术3.1其他相中分子中ir的分布为了进一步研究在地质界线层中异常富集的铱的来源及其在地质过程中的分异、转移和蚀变作用,研究Ir的化学赋存状态是必不可少的,我们建立了化学逐级溶解流程,可将被研究的样品分成:水溶相、可交换相、碳酸盐相、氧化物相、硫化物相、铁镍金属相、硅酸盐相和残余相,结合放射化学中子活化或镍锍试金预集和ICP-MS,可测得各相中Ir的分布。我们研究了丹麦StevnsKlint的白垩纪/第三纪界线粘土中铂族元素的赋存状态。结果表明,铂族元素主要在金属相和残余相中,但在硫化物相、氧化物相和碳酸盐相中也有相当数量存在。由种态研究结果推断,K/T界线粘土样品中异常含量的铂族元素既有地外物质的贡献,也有火山喷发的影响。3.2海底地层分析结果我们研究了陕西黄土剖面中Ir的分布曲线后发现,在0.7Ma和2.4Ma的黄土层中铱的分布为44.1×10-12和58.8×10-12,高出背景值3—10倍,与深海钻探的岩芯分析结果一致。为了进一步证明黄土中Ir的来源,我们把黄土分成4种粒径(>105μm,105—30μm,30—2μm,<2μm),分别测定Ir含量,结果发现,Ir主要在<2μm的粒径中,这一结果证明黄土中Ir主要是远距离传输的结果,而不是近距离的地内成因的结果。3.3有机质的吸附与解吸特性运用紫外-可见吸收光谱分析,进行了海水体系中铱的氯络合物和氯水络合物的稳定性研究。结果表明,铱的氯络合物在海水中不可能稳定存在;有机质的加入会明显影响四价铱的稳定性,却不会影响三价铱的稳定性。对铱在海水中的存在形式也进行了初步探讨。利用放射性示踪技术研究了海洋沉积物-海水体系中铱的吸附-解吸行为,发现沉积物对四价铱的吸附能力明显强于三价铱;就沉积物组分而言,铱主要被铁锰氧化物的残留组分所吸附,碳酸盐则不吸附铱;海洋沉积物中铱的吸附-解吸过程不可逆,解吸率很低,这可能是导致铱在海洋沉积环境中富集效率很高的主要原因。4灾难发生研究的进展4.1灾变环境研究以往研究灾变事件都是研究地质样品,对古生物化石研究较少,近年来通过研究古生物化石来探讨灾变环境的工作也有所开展,张景华等研究了四川自贡的恐龙骨骼中微量元素特征,发现As和U的含量较多,推测该时期环境中可能有U和As的污染导致恐龙中毒死亡。4.2龙门山区的一个发育时代我国广东南雄盆地是一个陆相沉积的K/T界线剖面,保存了大量的恐龙蛋壳,赵资奎等对这一地区的恐龙蛋壳进行了系统的研究。我们对该地区的三个剖面的恐龙蛋壳中铱和微量元素的特征分布作了研究,结果发现,在界线层附近及以下的层位,至少有2—3次的铱异常和微量元素异常,与碳、氧同位素和恐龙蛋壳中病变结构的出现及蛋壳厚度变化规律相符。这一研究结果说明,恐龙不是在65Ma前突然灭绝,而是比这更早就有了灭绝的先兆,铱异常出现的地质年代与印度德干高地的大规模火山喷发相符。从而对恐龙绝灭的原因提出了新的观点。4.3鸡蛋中含有的测定我们设计了用含铱饲料喂养母鸡的示踪模拟实验,收集其鸡蛋,用中子活化法测得鸡蛋中含有铱,计算表明,鸡蛋壳中铱的浓度约为饲料中铱浓度的0.08%,为恐龙蛋壳中铱可能来自生存环境提供了科学依据。5灾变事件的成因研究灾变事件要认识灾变的形成原因及其对环境和对生物的影响,预防未来可能的