沈文杰，鐘莉莉，林楊挺，孫永革，張 華，楊志軍，周永章

(1.中山大學地球科學與地質(zhì)工程學院，廣東 廣州 510275；2.廣東省地質(zhì)過程與礦產(chǎn)資源探查重點實驗室，廣東 廣州 510275；3.中國科學院地質(zhì)與地球物理研究所，北京 100029；4.浙江大學地球科學系，浙江 杭州 310027；5.南京地質(zhì)古生物所，江蘇 南京 210008)

二疊紀-三疊紀界線(P-Tr)，亦即古、中生代之交，發(fā)生了地質(zhì)歷史上規(guī)模最大的生物滅絕事件，地球上95%以上的海洋生物種，約75%的陸生脊椎動物和大部分的陸生植物在這次事件中快速滅亡[1-2]。關于生物滅絕的原因，眾說紛紜，有火山噴發(fā)[3-4]、隕石撞擊[5]、海洋缺氧[6-7]、酸雨[8-9]、陸地貧氧[10-11]、海平面升降[12]、泛大陸的聚合等。[13]

近年來，P-Tr界線大火(這里指的是天然大火，或稱之為野火，Wildfire)事件被提出來，并引起越來越多的關注[1, 14-16]。大火是發(fā)生在陸地生態(tài)系統(tǒng)的一種自然現(xiàn)象，是環(huán)境變化(地表植被、空氣氧含量、干濕季節(jié)等)的響應因子，古環(huán)境再造的一個重要途徑[17-19]。大火事件的識別主要通過埋藏在地層中的燃燒產(chǎn)物—黑碳(BC)和燃燒源多環(huán)芳烴(PAHs)來進行[17, 20-22]。目前，已經(jīng)在世界各地眾多P-Tr界線地層中發(fā)現(xiàn)有大火燃燒的證據(jù)，如在我國的浙江[1, 14-16,23]、云南[24]、貴州[1, 25]、廣西[1]、湖北[26]、新疆[1,27]、西澳大利亞[28-29]、加拿大[30]等地，大火極有可能是一個全球性的事件[14,26]。

然而，P-Tr大火事件與生物滅絕的關系并不清楚。強烈的大火可以直接燒死植被和生活在林區(qū)或草地上的動物，但一般不會導致生物的大規(guī)模消失或滅絕，必定有其它更重要的因素導致生物的滅絕[19,31]。這是不是說明大火事件的研究不重要或沒有意義？顯然不是這樣。大火事件至少可以反映當時大氣氧含量依然位于燃燒的窗口(>17%)，有較多的可燃物質(zhì)，適宜大火燃燒事件的發(fā)生[18,32]。而這種大火燃燒之后，陸地風化侵蝕速度加快，會引起明顯的水土流失以及海洋輸入物中營養(yǎng)元素的大量增加，可以引起海洋的富營養(yǎng)化，而導致海洋的缺氧事件產(chǎn)生[19,33-34]。盡管大火事件不是導致生物滅絕的重要原因，但通過高分辨率長周期大火事件的變化，有可能反映或指示生物滅絕事件的發(fā)生[23]。本文通過對穿越浙江煤山P-Tr界線地層中大火燃燒記錄的研究，試圖來明確大火事件與生物滅絕之間的這種聯(lián)系。

1 樣品及實驗

1.1 煤山剖面樣品采集

位于太湖西岸的浙江省長興縣煤山剖面(圖1)，于2001年被國際地質(zhì)科學聯(lián)合會提名為全球海相二疊系-三疊系層型剖面和點(即國際標準剖面GSSP，又稱“金釘子”)[35]。該剖面沉積連續(xù)，研究程度高，是進行與生物滅絕相關研究的絕佳剖面。生物滅絕線位于25層粘土巖底部的薄層黃鐵礦層的中部，25層和26層為生物滅絕事件層[35-37]，大部分生物的消亡發(fā)生在這里[1,36]。P-Tr界線位于27層灰?guī)r中部的Hindedus.parvus(微小欣德牙形石)的首現(xiàn)面[35]。

實驗樣品取自煤山剖面23層到32層(巖性及采樣點位置參考圖2)，每層取1～2個樣品，在25層和26層進行加密取樣。這段地層的頂?shù)?33層和22層)以及28層和25層為火山灰層，其中的鋯石能夠進行精確的放射性同位素定年[1, 38]。根據(jù)Burgess et al.最新的年齡數(shù)據(jù)[38]，這段地層所記錄的時間為521 ka，22層至25層所記錄的時間為163 ka，25層至28層為61 ka，28層至33層為297 ka。生物滅絕線的年齡為(251.941±0.037) Ma(25層鋯石U-Pb年齡，為生物滅絕主幕)，生物滅絕速度快，持續(xù)時間短(約61 ka，即25層至28層間隔時間)，P-Tr界線年齡為(251.902±0.024) Ma。

圖1 浙江省長興縣煤山剖面地理位置簡圖，其中黑方塊為國際標準D剖面

圖2 黑碳和燃燒源多環(huán)芳烴在煤山P-Tr剖面地層分布

1.2 實 驗

利用HCl及HF除去粉末樣品中的碳酸鹽和硅酸鹽，然后通過K2Cr2O7+H2SO4溶液進行氧化處理，可得到黑碳固體粉末。定量分析利用元素分析儀-同位素質(zhì)譜聯(lián)用儀(CE Flash EA 1112-Finnigan Delta plus XL)進行。多環(huán)芳烴采用索氏抽提的方法，利用二氯甲烷和甲醇(體積比97/3)提取，分析儀器為GC(HP6890)-MS(Micromass VG Platform II)。TOC和Tmax等數(shù)據(jù)利用巖石熱解(Rock-Eval)的方法獲取。以上實驗均在有機地球化學國家重點實驗室完成，實驗流程、儀器參數(shù)和誤差參考沈文杰等[15]，以及Shen et al.[14]。

2 結 果

黑碳和多環(huán)芳烴分析結果分別見表1、圖2及圖3。

圖3 煤山剖面P-Tr界線地層中黑碳的反射光顯微照片

2.1 有機質(zhì)成熟度

剖面上Tmax(熱降解峰峰頂溫度)除了兩個樣品達到了485 ℃(MSC30-1和MSC24d)外，其余均在367 ℃和445 ℃之間，有機質(zhì)成熟度屬于未成熟到成熟的范圍，與利用甲基菲指數(shù)計算出來的鏡質(zhì)體反射率基本一致(Rc<1.15%)?？偟膩砜矗荷狡拭嬗袡C質(zhì)演化程度處于典型成熟階段。因此，煤山地區(qū)經(jīng)歷了一個相對溫和變化的熱歷史，生物標志化合物未受到熱裂解作用的明顯影響，分子地球化學信息是可靠的[14]。

2.2 黑碳

BC是陸地植被燃燒之后殘留的固體含碳物質(zhì)，透光鏡下BC顆粒細小，多數(shù)在15 μm左右。呈不規(guī)則塊狀、長條狀，黑色不透明，在反光鏡下呈亮白色(圖3)。多數(shù)植物細胞結構被破壞，極少數(shù)保留有細胞壁結構。BC的反射率Ro在0.5%到3.5%(圖4)，與現(xiàn)代草原、灌木林及松林燃燒之后的黑碳反射率相似，推測的燃燒溫度在250 ℃到600 ℃[39-41]。

圖4 煤山剖面26層樣品中黑碳反射率直方圖

BC含量在剖面曲線上的有多個峰值，分別出現(xiàn)在23層、24c層、24e和26層(w(BC)分別為0.42%、0.55%、0.20%和0.51%)。高BC含量樣品均出現(xiàn)在晚二疊世的沉積地層中，早三疊世地層中BC含量很低，無峰值出現(xiàn)。

2.3 燃燒源多環(huán)芳烴

表1 浙江煤山P-Tr界線地層中BC和PAHs的含量分

3 討 論

3.1 P-Tr大火事件

煤山剖面燃燒源PAHs和BC曲線高度一致，在23層、24c層、24e和26層出現(xiàn)的峰值指示了大火事件，這種大火或火災事件在晚二疊世的163 ka內(nèi)較為普遍，而生物滅絕線上的358 ka時間內(nèi)則沒有這樣的大火事件。大火燃燒必須有充足的可燃物和氧氣，據(jù)Belcher et al[32]的模擬實驗研究，17%的大氣氧含量是天然大火發(fā)生的最低閥值。由此表明，晚二疊世一直到生物滅絕線，陸地植被依然存在和繁盛，周期性的大火可能反映了干濕氣候的變化[17]，大氣氧含量也一直維持在17%以上[32,42]。在生物滅絕線，伴隨著海陸生物的大規(guī)模消亡，陸地發(fā)生了最強烈的大火事件。在經(jīng)歷P-Tr界線生物大滅絕之后，早三疊世生物大蕭條，大氣氧含量低，陸地上再沒有發(fā)生較強的大火事件。

3.2 P-Tr大火間斷

煤山P-Tr剖面地層中BC及燃燒源PAHs在生物滅絕線上極低的含量，反映了大火事件在早三疊世消失了，這種現(xiàn)象稱之為P-Tr大火間斷[43]，本研究揭露的P-Tr大火間斷時間超過了350 ka(25層至32層的時間間隔[38])。

在煤山剖面，Xie et al[23]亦在29層到36層中發(fā)現(xiàn)了較高的BC含量，但他們是通過鏡下鑒定的方法，并且未給出照片和具體的數(shù)據(jù)。Nabbefeld et al[16]亦發(fā)現(xiàn)28層有較高的燃燒源PAHs(未給出具體的數(shù)據(jù)，未進行燃燒殘余固體顆粒，即BC的研究)，并且認為這與火山作用密切相關。上述燃燒記錄的差異可能與采樣位置或研究方法不同所致，但他們的研究亦顯示，更高的早三疊世層位沒有大火燃燒產(chǎn)物的記錄，這也表明P-Tr之交生物滅絕線上大火發(fā)生了長期的間斷。

除了煤山剖面外，其它P-Tr界線剖面地層也有發(fā)生大火燃燒間斷的現(xiàn)象，如Thomas et al[28]對澳大利亞西部帕斯盆地的一個海相剖面進行了研究，發(fā)現(xiàn)二疊系地層中木炭碎屑物占總有機碳的50%至70%，而三疊系地層木炭所占的比例陡降到幾乎為零，出現(xiàn)明顯的大火間斷。Shao et al[24]在云南東部3個煤系地層的研究表明，在晚二疊世地層出現(xiàn)多個煤層，其中的惰質(zhì)組占顯微組分的比例從5.62%到59.04%，并且向P-Tr界線有增加的趨勢，顯示了晚二疊世頻繁的大火，而早三疊世地層沒有煤層的出現(xiàn)，成煤間斷亦伴隨著大火的間斷。加拿大Sverdrup盆地布坎南湖P-Tr剖面亦出現(xiàn)類似大火間斷的現(xiàn)象[30]。

3.3 大火間斷與生物滅絕

盡管大火是陸地草地和森林生態(tài)系統(tǒng)的關鍵驅(qū)動力，但一般不認為大火對生物滅絕有重大的貢獻[19]。如1997-1998年發(fā)生在印度尼西亞的大火向大氣釋放了8～25.7億t的CO2，林區(qū)32%的面積被燒毀，植被覆蓋的消失導致水土流失加快，從而造成沿海地區(qū)的富營養(yǎng)化是近岸珊瑚礁滅絕的重要原因[34,44]。這種災難性大火事件僅僅間接地造成敏感物種的死亡，對整體生態(tài)系統(tǒng)不構成重大影響，仍屬于火驅(qū)動下正常演替的森林生態(tài)系統(tǒng)[19]。

天然大火的出現(xiàn)表明大氣氧含量還維持在一定的水平之上，陸地仍能提供大量的可燃物質(zhì)，陸地生態(tài)系統(tǒng)未發(fā)生轉(zhuǎn)折性的突變，大火的周期性波動可能反映了干濕氣候的交替[17]。在正常背景下的大火的長期間斷則說明這種平衡被打破了，陸地生態(tài)系統(tǒng)可能發(fā)生了災難性事件。P-Tr界線大火間斷與生物大滅絕相一致[1,14,23]，正是這種關系的體現(xiàn)。全球性的生物滅絕，短期內(nèi)可燃物質(zhì)的大量堆積誘發(fā)了陸地上大規(guī)模的野火燃燒，使生物固碳快速向大氣釋放，引起大氣二氧化碳含量升高(P-Tr界線大火釋放以及疊加火山噴發(fā)的大量溫室氣體等)，導致大氣氧含量的降低。生物滅絕及延遲的復蘇還會使可燃物質(zhì)在長時間尺度上的可持續(xù)供給中斷。上述因素共同作用限制了滅絕期后大火燃燒事件的產(chǎn)生和發(fā)展，從而引起大火間斷。反過來，長時間的大火間斷提供了一種識別生物滅絕的機制[23]，可以通過對地層中的大火燃燒產(chǎn)物的記錄來恢復生物滅絕的發(fā)生和發(fā)展，甚至生物的復蘇過程。

4 結 論

通過對浙江煤山P-Tr界線剖面地層中的BC和燃燒源PAHs記錄的研究，得到如下結論：

1)BC和PAHs含量在煤山剖面有一致的分布特征，出現(xiàn)4個峰值，分別在23層、24c層、24ec層和26層，最大峰值對應生物滅絕事件層，即26層；

2)煤山BC和PAHs記錄恢復了P-Tr界線的大火燃燒歷史：晚二疊世出現(xiàn)頻繁的大火事件，最強烈的大火與生物滅絕發(fā)生的時間一致，早三疊世則出現(xiàn)大火間斷事件；

3)P-Tr大火間斷與生物大規(guī)模消亡在時間上有很好的對應關系，提供了一種識別生物滅絕的機制，大火燃燒歷史記錄可以用來恢復地質(zhì)歷史上的生物滅絕事件。

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