崔亞圣， 吳 奎，2，3， 王 偉， 余浩宇， 辛 杰， 彭小桂*

(1.湖北省地質(zhì)科學(xué)研究院，湖北 武漢 430034; 2.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢) 生物地質(zhì)與環(huán)境地質(zhì)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430074；3.資源與生態(tài)環(huán)境地質(zhì)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430034)

二疊紀(jì)—三疊紀(jì)之交是地球發(fā)展演化史上極其重要的一個時期，發(fā)生了自顯生宙以來規(guī)模最大的一次生物大滅絕事件，全球約有90%的海洋物種和75%的陸地物種在此次滅絕事件中消失[1-2]。針對此次事件的原因，眾多學(xué)者提出多種學(xué)說為二疊紀(jì)—三疊紀(jì)之交生物大滅絕事件提供證據(jù)，包括二疊紀(jì)—三疊紀(jì)之交西伯利亞大火成巖省[3-8]、海洋缺氧[9-11]、海洋酸化[12-16]、氣候變化[17-19]、大氣缺氧[20-21]、臭氧層破壞[22-23]、甲烷釋放事件[24-25]等，截至目前，學(xué)術(shù)界尚未達(dá)成統(tǒng)一意見。多種學(xué)說都指向了溫度變化對生物大滅絕的重要影響，如火山噴發(fā)或星體撞擊導(dǎo)致可燃冰(汽水化合物)大量釋放，以及升溫事件造成生物集群絕滅；火山噴發(fā)造成火山冬天，隨后溫室氣體釋放導(dǎo)致溫度劇烈變化，大量生物無法適應(yīng)而滅絕；二疊紀(jì)末大氣二氧化碳(CO2)含量升高，導(dǎo)致海水溫度升高，影響大洋環(huán)流，造成海洋缺氧、海洋物種滅絕等。最近的研究[26]表明，當(dāng)溫度變化幅度>5.2℃和溫度變化速率>10℃/Ma時，就會出現(xiàn)生物大滅絕事件。由此可見，溫度是研究生物與地球環(huán)境協(xié)同演化的重要?dú)夂蛞蜃印?/p>

溫度變化是研究氣候變化的重要方面之一。生物骨骼(牙形石)的氧同位素組成一般記錄了同時期環(huán)境(海水溫度)的重要變化。牙形石是開展地層對比以及生物與地球環(huán)境協(xié)同演化研究的重要依據(jù)。二疊紀(jì)—三疊紀(jì)之交牙形石分布廣泛，數(shù)量和種類豐富。牙形石作為生物殼體化石，其超微結(jié)構(gòu)對成巖具有較強(qiáng)的抵抗作用，因此牙形石磷酸鈣能較好地保存原始同位素組成信息，具有比普通碳酸鹽巖更為明確的古生物和古環(huán)境意義[27]。鑒于此，國內(nèi)外地質(zhì)學(xué)家開展了二疊紀(jì)—三疊紀(jì)之交牙形石磷灰石氧同位素研究工作，普遍發(fā)現(xiàn)了牙形石氧同位素約以2‰～3‰的速度快速負(fù)漂移現(xiàn)象，這表明海水溫度在短時間內(nèi)(<20 ka)出現(xiàn)了可達(dá)8～10℃的迅速升溫現(xiàn)象，這一事件對于揭示二疊紀(jì)末生物大滅絕的原因具有重要意義。

本文參考前人關(guān)于二疊紀(jì)—三疊紀(jì)之交牙形石氧同位素記錄的主要剖面及在生物背景下其詳細(xì)信息，識別這期間可能影響地球海洋系統(tǒng)的地質(zhì)因素，并希望能夠?yàn)樵摃r期地質(zhì)事件的研究提供思考方向。

1 地理位置

本文展示的二疊紀(jì)—三疊紀(jì)之交牙形石及其磷灰石氧同位素數(shù)據(jù)，來自于中國華南(包括浙江煤山、四川上寺、重慶戴家溝和涼風(fēng)埡)、藏南(文布當(dāng)桑)和伊朗Sanandaj-Sirjan Block地區(qū)(Abadeh)(圖1)。這些剖面處于不同的古地理位置、不同的水深，代表不同的古地理環(huán)境。在早三疊世華南剖面位于赤道附近的古特提斯洋揚(yáng)子碳酸鹽臺地及其北部邊緣盆地，代表了赤道附近中低緯度地區(qū)的碳酸鹽臺地相沉積，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，重慶戴家溝和涼風(fēng)埡剖面位于碳酸鹽臺地；在晚二疊世藏南文布當(dāng)桑剖面位于古緯度40°S附近的新特提斯洋南部陸架沉積區(qū)，代表了中緯度地區(qū)的斜坡相沉積；伊朗Abadeh剖面位于10°S附近的新特提斯洋北部陸架沉積區(qū)，代表了赤道附近的斜坡相沉積。

圖1 二疊紀(jì)—三疊紀(jì)之交全球古地理位置圖(a)和華南早三疊世古地理圖(b)(據(jù)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數(shù)據(jù)是采用傳統(tǒng)溶解法和激光剝蝕法測量的。這兩種方法具有不同程度的優(yōu)缺點(diǎn)：傳統(tǒng)溶解法是通過硝酸溶解牙形石，將磷酸根離子置換沉淀，再通過傳統(tǒng)的氣源同位素質(zhì)譜儀測量氧同位素成分，其優(yōu)點(diǎn)是操作流程簡單;其缺點(diǎn)是需要的樣品量相對較大，通常在0.3～1 mg。激光剝蝕法是利用激光原位二次離子質(zhì)譜儀測量，其優(yōu)點(diǎn)是可以對非常微小的樣品進(jìn)行快速高效地分析，樣品需求量少且具有較高的空間分辨率;其缺點(diǎn)是該方法的優(yōu)勢被需求的參考材料所抵消，這是因?yàn)楫?dāng)用一次離子束轟擊時，不同基質(zhì)的物體可能具有不同的二次離子產(chǎn)量，影響其測量的同位素比率，因此，采用激光剝蝕法進(jìn)行測量時，需要謹(jǐn)慎選擇所使用的參考材料[30]。

目前國內(nèi)外用于開展牙形石氧同位素研究的剖面材料相對較少，這主要受限制于兩個因素：一是具備豐富牙形石化石的地層剖面相對較少，而采用傳統(tǒng)溶解法測量需要大量的牙形石，因此大多數(shù)地層剖面不足以支撐高分辨率同位素剖面的測制；二是牙形石形態(tài)微小，目前國內(nèi)外僅有少數(shù)實(shí)驗(yàn)室掌握原位微區(qū)氧同位素提取分析方法。

本文研究所引用的二疊紀(jì)—三疊紀(jì)之交牙形石氧同位素方法，如表1所示。

表1 本文引用的二疊紀(jì)—三疊紀(jì)之交牙形石氧同位素參考資料Table 1 The references of conodont oxygen isotope during the Permian-Triassic discussed in this paper

3 二疊紀(jì)—三疊紀(jì)之交牙形石氧同位素

二疊紀(jì)—三疊紀(jì)之交牙形石生物地層的研究起始于20世紀(jì)50年代[37]，隨之相關(guān)研究逐漸增多。牙形石由于具有演化快、分布廣、數(shù)量多、易于獲得的特點(diǎn)，經(jīng)常被作為標(biāo)準(zhǔn)化石。全球在古、中生代之交以牙形石作為“金釘子”定義化石的有8枚[29]。全球三疊系底界“金釘子”是以Hindeodusparvus帶在華南下?lián)P子地區(qū)浙江省長興縣煤山D剖面27層中間的首現(xiàn)作為標(biāo)準(zhǔn)，并作為二疊紀(jì)—三疊紀(jì)之交的界線。前人對二疊紀(jì)—三疊紀(jì)之交牙形石生物地層學(xué)開展了大量的研究工作，建立了具備開展等時對比的地層格架，對于二疊紀(jì)末生物大滅絕和三疊紀(jì)早期的生物復(fù)蘇研究提供了充足的實(shí)物資料，同時也為開展牙形石氧同位素研究工作打下了堅實(shí)基礎(chǔ)。

Joachimski et al.[18]和Chen et al.[31-32]先后在華南煤山、上寺、涼風(fēng)埡和戴家溝剖面開展了牙形石氧同位素研究工作(圖2)。煤山剖面不僅局限于二疊紀(jì)—三疊紀(jì)之交，而且延伸到了吳家坪階的下部，可以觀察到穿越Wuchiapingian-Changhsingian Boundary(以下簡稱WCB)界線時存在氧同位素的升高，顯示為一次降溫事件。之后，華南地區(qū)的煤山、上寺、戴家溝和涼風(fēng)埡這四個剖面的氧同位素曲線盡管數(shù)據(jù)密度不同，但在二疊紀(jì)—三疊紀(jì)之交具有可對比的相似特征。在滅絕線之前，牙形石氧同位素都相對較高；在滅絕線之上，四個剖面上均迅速出現(xiàn)了大約2.0‰～3.0‰氧同位素的下降。伊朗Abadeh剖面牙形石氧同位素總體呈三個階段分布：第一階段，從二疊世吳家坪階下部的Clarkinadukouensis帶到大滅絕線之間，牙形石氧同位素相對穩(wěn)定，平均為19.44‰；第二階段，從大滅絕線(19.36‰)開始，牙形石氧同位素迅速下降，在Permian-Triassic Boundary(以下簡稱PTB)(17.05‰)界線處仍未降到最低值，大約在早三疊世印度階的Hindeodusparvus帶內(nèi)達(dá)到了最低值(16.92‰)；第三階段，在早三疊世，牙形石氧同位素持續(xù)保持相對較低值，平均為17.11‰。藏南文布當(dāng)桑剖面牙形石氧同位素總體也呈三個階段分布(圖2)：第一階段是在二疊紀(jì)末期—滅絕線之前，氧同位素穩(wěn)定在20.49‰～20.90‰；第二階段是在跨越End-Permian Mass Extinction(以下簡稱EPME)事件層時，出現(xiàn)了1.87‰(19.03‰～20.90‰)的明顯快速負(fù)漂移，而在接近PTB界線時未出現(xiàn)較明顯的變化；第三階段是在三疊紀(jì)早期氧同位素緩慢降低(數(shù)據(jù)較少)。

牙形石氧同位素在上述剖面具有較強(qiáng)的可對比性，皆存在明顯的“快速”負(fù)漂移現(xiàn)象，漂移的開始時間略晚于EPME事件層或與EPME事件層保持一致(文布當(dāng)桑剖面要早于EPME，其主要原因?yàn)閿?shù)據(jù)量少、跨度大、結(jié)果不具代表性，此處忽略它在整體中的影響)，終止時間要晚于二疊紀(jì)—三疊紀(jì)界線。在不同剖面開始負(fù)漂移的起始時間略有不同，終止時間由于樣品點(diǎn)數(shù)量不足無法對比。

4 討論

4.1 二疊紀(jì)—三疊紀(jì)之交全球性升溫事件

通過將不同學(xué)者取得的晚二疊世—早三疊世牙形石氧同位素數(shù)據(jù)投影到統(tǒng)一時間框架下(圖3)[32,36]，不難發(fā)現(xiàn)，盡管不同地區(qū)剖面具有相似的牙形石氧同位素演變形式，但不同剖面之間的精確對比的確存在困難，且氧同位素的絕對值之間也存在較大的差異，如二疊紀(jì)—三疊紀(jì)之交伊朗Abadeh剖面氧同位素值要普遍低于中國煤山剖面，其原因：一方面是由于牙形石數(shù)量的稀少性，導(dǎo)致可開展牙形石氧同位素研究的剖面數(shù)量相對較少，不足以進(jìn)行精細(xì)化的對比工作；另一方面也是更為最重要的是由于不同剖面采取不同的處理方法，而不同地區(qū)所處的氣候條件也不盡相同，所獲得的牙形石氧同位素的絕對值之間同樣存在差異，導(dǎo)致不同剖面之間絕對對比關(guān)系的研究難以開展。

圖2 二疊紀(jì)—三疊紀(jì)之交牙形石帶和牙形石氧同位素對比圖(據(jù)Chen et al.[32,36],周麗芹等[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

圖3 晚二疊世—早三疊世牙形石氧同位素數(shù)據(jù)記錄和西伯利亞火山活動圖(據(jù)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

根據(jù)華南地區(qū)煤山和上寺剖面的牙形石氧同位素數(shù)據(jù)記錄，從吳家坪階到長興階存在一個顯著的降溫事件，煤山剖面記錄較好，穿越WCB界線時在0.2 Ma內(nèi)下降了約8℃[31-32]。但伊朗Abadeh剖面在穿越WCB界線時，并未出現(xiàn)氧同位素的動蕩，未發(fā)生降溫事件，表明在WCB界線附近發(fā)生的降溫事件為局部事件[36]。

相反，盡管不同剖面的古地理環(huán)境、古緯度以及氣候條件不盡相同，牙形石氧同位素也存在差異，但在二疊紀(jì)—三疊紀(jì)之交，牙形石氧同位素均出現(xiàn)了較大程度的快速下降，開始下降的時間基本與滅絕線等時，而且下降一直持續(xù)到了二疊紀(jì)—三疊紀(jì)界線之后，無論是在變化時間和幅度上都具有相似性，不同剖面也具有高度可對比性，這些表明發(fā)生在二疊紀(jì)末大滅絕界線之上約2‰～3‰的氧同位素負(fù)偏和相對應(yīng)的氣候快速變暖(約10℃)，可視為全球性的氣候變暖事件[36]。這一現(xiàn)象在中國的蓬萊灘[38]和西口[39]也得到了驗(yàn)證。

4.2 二疊紀(jì)—三疊紀(jì)之交海水溫度演化模式

國內(nèi)外學(xué)者特別關(guān)注發(fā)生在二疊紀(jì)—三疊紀(jì)之交牙形石氧同位素數(shù)據(jù)和溫度變化(圖4)，通過對比統(tǒng)一時間尺度下的煤山、上寺、戴家溝、涼風(fēng)埡和Abadeh剖面[36]在二疊紀(jì)末生物大滅絕之前、期間和之后的牙形石氧同位素變化，發(fā)現(xiàn)海水溫度具有可對比性，在時間尺度、變化幅度上具有相似性，總體呈現(xiàn)從“冷”到“暖”再到“熱”的三個階段(需要注意的是圖4中“冷”、“暖”和“熱”條件是相對的，不是絕對的，此處是為了方便開展對比研究)。在生物大滅絕之前，海水溫度保持在一個相對“冷”的階段；生物大滅絕開始時，牙形石氧同位素幾乎同時出現(xiàn)迅速降低或者說海水溫度迅速升高、達(dá)到“溫”、然后迅速到“熱”的階段，溫度變化的起始與生物大滅絕開始的界線保持一致。另外，在PTB界線之上海水溫度仍舊保持較高，并存在著持續(xù)上升的趨勢，持續(xù)的高溫也對早三疊世的海洋生物復(fù)蘇造成了影響，延誤了生物復(fù)蘇的開始[18]。

圖4 二疊紀(jì)—三疊紀(jì)之交統(tǒng)一時間框架下的牙形石氧同位素記錄圖(據(jù)Chen et al.[32]修改)Fig.4 Comparative conodont oxygen isotope records during the Permian-Triassic

不同剖面在約20 ka內(nèi)，牙形石氧同位素約有2‰～3‰的下降，對應(yīng)氣溫有約8～10℃的升高，這一“大”的溫度變化對生物生存造成極大挑戰(zhàn)，開始升溫與開始生物大滅絕的界線幾乎保持一致或者略晚于生物大滅絕的界線，從這一角度考慮，極端的氣溫上升加劇了當(dāng)時陸地和海洋生態(tài)系統(tǒng)的崩潰，影響了海洋生物的生存空間，導(dǎo)致無法適應(yīng)而死亡，使生物多樣性加速下降。

4.3 氣候變暖與西伯利亞火山活動

火山活動導(dǎo)致生物大滅絕的主要機(jī)制是產(chǎn)生大量的揮發(fā)性氣體和火山灰引發(fā)全球性環(huán)境氣候急劇惡化。西伯利亞大火成巖省被認(rèn)為是最有可能造成二疊紀(jì)末生物大滅絕的主要原因[5]。開展西伯利亞火山活動與二疊紀(jì)末升溫事件的關(guān)聯(lián)研究對于研究二疊紀(jì)末發(fā)生的生物大滅絕具有重要意義。西伯利亞火山活動可劃分為三個階段：①(254.24±0.12) Ma之前，火山碎屑流階段；②始于(251.907±0.067) Ma，結(jié)束于(251.483±0.088) Ma，巖漿噴發(fā)階段；③始于(251.483±0.088) Ma之后約0.42 Ma，終止于(250.2±0.3) Ma[5]，巖漿侵入階段。通過分析Abadeh和煤山剖面二疊紀(jì)—三疊紀(jì)之交氧同位素、碳同位素、生物大滅絕速度與西伯利亞火山活動的時間演化(圖3)，發(fā)現(xiàn)其溫度升高與西伯利亞巖漿活動從主要的噴發(fā)轉(zhuǎn)變?yōu)閺V泛的基巖侵入在時間上具有一致性[36]。這表明溫度升高源于巖漿侵入過程中大量的蒸發(fā)巖、碳酸鹽巖和富有機(jī)質(zhì)頁巖釋放二氧化碳，導(dǎo)致二氧化碳濃度升高，引起氣溫升高[6,40]。最近有一項(xiàng)熱模擬研究表明，廣泛的巖漿侵入和相關(guān)的接觸變質(zhì)作用比單獨(dú)的巖漿脫氣影響深遠(yuǎn)得多，這使得火山活動造成大幅度溫度升高變得有可能[40]。

因此，橫跨PTB界線的牙形石δ18O的快速下降表明，在二疊紀(jì)—三疊紀(jì)之交全球氣候變暖可能主要是由于西伯利亞火山活動導(dǎo)致的大量溫室氣體注入到海洋大氣系統(tǒng)而造成的，如火山噴發(fā)的溫室氣體CO2、H2S等，及巖漿侵入導(dǎo)致大量的蒸發(fā)巖、碳酸鹽巖和富有機(jī)質(zhì)頁巖釋放CO2等。

從已取得的成果來看，二疊紀(jì)—三疊紀(jì)之交牙形石氧同位素具有急劇震蕩的演化模式，對于認(rèn)識該時期環(huán)境與生命協(xié)同演化具有重要意義。需要注意的是，各個剖面動蕩的程度有所差異，究竟是什么原因造成了氧同位素在這些關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)上的差異？是古地理位置的不同(其中可能導(dǎo)致后期成巖作用的改造影響，或地層本身缺失了特殊異常事件的記錄,或牙形石個體的差異),還是局部事件的改造？這些因素都能在一定程度上影響氧同位素在不同剖面上的表現(xiàn)，這對于未來的研究提出了新的考驗(yàn)和問題。

5 結(jié)論

研究二疊紀(jì)—三疊紀(jì)之交牙形石氧同位素的組成，可追尋古海水溫度的變化，了解二疊紀(jì)末生物大滅絕和早三疊紀(jì)的生物復(fù)蘇。綜合前人研究可以得出如下認(rèn)識：

(1) 來自不同地區(qū)、不同相帶、不同緯度條件下的不同剖面，均在二疊紀(jì)—三疊紀(jì)之交發(fā)生了氧同位素的負(fù)漂移現(xiàn)象，而且氣溫大幅度變暖的時間和幅度高度相似，二疊紀(jì)—三疊紀(jì)之交發(fā)生的氣候變暖可視為全球性事件；

(2) 二疊紀(jì)—三疊紀(jì)之交牙形石氧同位素總體呈現(xiàn)從“冷”到“暖”再到“熱”的三個階段，在不同剖面下均具有大約2‰～3‰的快速負(fù)漂移現(xiàn)象，海水溫度在短時間內(nèi)(<20 ka)出現(xiàn)了可達(dá)8～10℃的迅速升溫；

(3) 氣溫上升基本與生物大滅絕界線保持一致，表明快速升溫對二疊紀(jì)末生物大滅絕具有重要貢獻(xiàn)作用。