王瑩 付修根

1. 西南石油大學(xué)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 四川 成都 610500

2. 西南石油大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開發(fā)國家重點實驗室 四川 成都 610500

3. 西南石油大學(xué)羌塘盆地研究院 四川 成都 610500

大約在2.014Ma之前的三疊紀(jì)末生物集群式滅絕事件是顯生宙以來5次生物大滅絕事件之一。在這次生物大規(guī)模滅絕事件中，海洋生物受到了比較嚴(yán)重的影響，海洋生物損失高達(dá)50%，并且陸地生態(tài)系統(tǒng)也受到了重要影響。這一事件與全球觀察到的大氣中的二氧化碳濃度增加了4倍，在全球三疊紀(jì)-侏羅紀(jì)地層的有機(jī)碳同位素和無機(jī)碳同位素的記錄中發(fā)現(xiàn)，在過渡期間出現(xiàn)了一系列的同位素負(fù)偏的事件，并且在這些地層中還發(fā)現(xiàn)了海洋生物化石。英格蘭南部圣奧德里灣海洋巖體的有機(jī)碳同位素記錄已經(jīng)成為記錄三疊紀(jì)-侏羅紀(jì)過渡時期碳同位素變化的典型例子。它顯示出在三疊紀(jì)-侏羅紀(jì)過渡時期至少出現(xiàn)了2次碳同位素的負(fù)偏，分為初始的碳同位素偏移和主要的碳同位素偏移，原因是大量富含12C的二氧化碳或甲烷等氣體注入到大氣中造成的。之前的學(xué)者將三疊紀(jì)末碳循環(huán)的擾動的原因歸于中大西洋大火成巖省的噴發(fā)導(dǎo)致的大規(guī)模的碳釋放，大火成巖省反復(fù)噴發(fā)二氧化碳，觸發(fā)了三疊紀(jì)末生物滅絕事件。但是根據(jù)三疊紀(jì)末二氧化碳模型顯示，當(dāng)時二氧化碳的量不足以造成那么大的碳同位素負(fù)偏，所以有學(xué)者提出，甲烷注入大氣層是三疊紀(jì)-侏羅紀(jì)交界時期碳循環(huán)擾動的主要機(jī)制。

在溫泉剖面的樣品中測了δ13Corg的數(shù)據(jù)，結(jié)果顯示在初始滅絕期間同位素發(fā)生了4‰的負(fù)偏移，與第一次生物擾動具有一致性。這些數(shù)據(jù)表明，在短短的1～2萬年內(nèi)，大氣中12C的大量增加，這需要幾千萬Mt的富含12C的甲烷進(jìn)入到大氣中才能實現(xiàn)。同時在此時植被的變化也反映了強烈的變暖和水文循環(huán)的增強。因此，三疊紀(jì)末的生物集群滅絕事件與甲烷引起的大量碳釋放和相關(guān)的氣候變化有關(guān)。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

羌塘盆地位于青藏高原北部，是青藏高原地區(qū)最大的海相沉積盆地。羌塘盆地由3個不同的構(gòu)造單元組成，即南部羌塘凹陷、中部隆起和北部羌塘凹陷，它們被班公湖-怒江縫合帶和可可西里-金沙江縫合帶包圍。羌塘盆地南部以班公湖-怒江縫合帶為界，北部則以可可西里-金沙江縫合帶為界線[1]。根據(jù)先前的研究，可可西里-金沙江縫合線是古特提斯洋存在的證據(jù)，該洋在石炭紀(jì)打開，然后在二疊紀(jì)-三疊紀(jì)晚期關(guān)閉。拉薩地形和羌塘地體之間的班公湖-怒江縫合線是中特提斯洋存在的證據(jù)。中特提斯洋的演化始于三疊紀(jì)至侏羅紀(jì)之交，結(jié)束于侏羅紀(jì)至白堊紀(jì)之交。三疊紀(jì)中晚期，古特提斯向南俯沖至羌塘地體，導(dǎo)致西藏北部羌塘盆地發(fā)生嚴(yán)重但短期的海退，使整個區(qū)內(nèi)的地層發(fā)生了變形，但此時南羌塘坳陷仍處于淺海沉積相環(huán)境[2]。羌塘盆地出露有完整的海相三疊系-侏羅系之交的連續(xù)地層。溫泉剖面（北緯32°32′15.95″，東經(jīng)89°55′49.38″）位于南羌塘坳陷，巖性主要為生物碎屑灰?guī)r、含生物碎屑灰?guī)r和微晶灰?guī)r等，剖面中下部具有豐富的海相生物化石，是我國三疊系-侏羅系之交較為典型的淺海海相沉積剖面。

2 結(jié)果與討論

2.1 溫泉剖面有機(jī)碳同位素證據(jù)和總有機(jī)碳數(shù)據(jù)

在溫泉剖面δ13Corg記錄中，絕對值在-26.8‰和-22.3‰之間變化，碳同位素記錄的特點是有一個負(fù)偏移幅度，為-3.5‰左右。三疊紀(jì)-侏羅紀(jì)交界的界線就位于有機(jī)碳同位素負(fù)偏即將結(jié)束的區(qū)域。雙殼動物在有機(jī)碳同位素負(fù)偏開始時發(fā)生了突然滅絕，這個階段被認(rèn)為是三疊紀(jì)末生物大滅絕事件的觸發(fā)因素。根據(jù)與有機(jī)碳同位素同時存在的正構(gòu)烷烴記錄的8.5‰的碳同位素負(fù)偏，提出大量釋放的甲烷引發(fā)了海洋的變化，大量的甲烷釋放到大氣中，對當(dāng)時海洋生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生了十分重要的影響。關(guān)于三疊紀(jì)-侏羅紀(jì)交界時期碳循環(huán)擾動的原因，可能為甲烷的釋放，而甲烷很可能是中大西洋大火成巖省活動的初始階段釋放出來的。

在溫泉剖面不遠(yuǎn)處的索布查剖面也發(fā)現(xiàn)了相應(yīng)的變化[3]，在三疊紀(jì)-侏羅紀(jì)交界處δ13Corg的范圍為-26.3‰到-24.1‰，平均值為-25‰，最大變化幅度為2.2‰。值得注意的是有機(jī)碳同位素負(fù)偏伴隨總有機(jī)碳的增加，變化范圍為0.01%到0.93%。但是其偏移模式與有機(jī)碳同位素變化趨勢并沒有明顯的對應(yīng)關(guān)系。溫泉剖面也展示出了相同的特點，在溫泉剖面的底部有一個總有機(jī)碳埋藏量增加的趨勢，但是隨后就迅速降低，并且一直保持著比較低的水平，溫泉剖面有機(jī)碳同位素負(fù)偏的模式與總有機(jī)碳的變化啟示并沒有很顯著的對應(yīng)關(guān)系，其相關(guān)系數(shù)僅有0.12（見圖1）。

圖1 溫泉剖面有機(jī)碳同位素及總有機(jī)碳關(guān)系圖

2.2 與全球其他地區(qū)有機(jī)碳同位素變化對比

奧地利剖面δ13Corg的分布范圍為-32‰到-24‰，最大負(fù)偏量可以達(dá)到4-8‰，與英國、意大利和奧地利等多個剖面的數(shù)據(jù)對比來看，溫泉剖面有機(jī)碳同位素變化范圍較小。在歐洲地區(qū)的巖石熱解證據(jù)和生物化石方面的證據(jù)都指出，幾乎所有的歐洲區(qū)域的代表性剖面上有機(jī)質(zhì)的類型都發(fā)生了十分明顯的變化，從早期的以浮游植物為主的有機(jī)質(zhì)類型轉(zhuǎn)變?yōu)橐躁懺粗参餅橹鞯挠袡C(jī)質(zhì)類型。之前學(xué)者將歐洲大部分跨越界線的剖面上極高的總有機(jī)碳與主要的碳同位素負(fù)偏量都?xì)w因于海平面升高所造成的有機(jī)質(zhì)類型轉(zhuǎn)變的結(jié)果。但是羌塘盆地溫泉剖面的數(shù)據(jù)卻顯示，無機(jī)碳同位素和有機(jī)碳同位素變化不同步的現(xiàn)象，這樣的情況在意大利和匈牙利的剖面上都有發(fā)現(xiàn)。這說明碳同位素的異常變化不能簡單的由海侵作為解釋，這時的古海洋和大氣的碳庫必定發(fā)生了較大的碳轉(zhuǎn)移。

2.3 造成有機(jī)碳同位素異常的原因

干酪根的母質(zhì)組成對于有機(jī)碳同位素的影響主要體現(xiàn)在原始母質(zhì)中陸源植物和海相植物的相對比例不同。在歐洲地區(qū)代表性界線剖面上，研究者認(rèn)為有機(jī)碳同位素的極高負(fù)偏是由于海平面的升高造成的，海平面升高之后大量的陸源植入進(jìn)入到海水中，造成了更負(fù)的有機(jī)碳同位素值。另外，陸源高等植物能夠貢獻(xiàn)較高的總有機(jī)碳值，這種隨巖性轉(zhuǎn)換發(fā)生的負(fù)異常與較高的總有機(jī)碳在歐洲區(qū)域幾乎成為了一個既定的模式。但是在羌塘剖面溫泉剖面上，海平面確實有波動變化，但是干酪根的母質(zhì)中浮游植物占有絕對的優(yōu)勢，這可能是溫泉剖面整體總有機(jī)碳值并不高的原因之一。由此可以推斷出干酪根母質(zhì)組成并不是造成溫泉剖面碳同位素偏移的原因。

二氧化碳和甲烷等溫室氣體進(jìn)入到海洋和大氣環(huán)境中，也是碳同位素負(fù)偏的重要原因。三疊紀(jì)-侏羅紀(jì)過渡時期的二氧化碳來源異常直接指向中大西洋大火成巖省火山事件釋放的輕碳同位素，或者是同期從洋底甲烷水合物釋放的甲烷氣體。還有學(xué)者認(rèn)為二氧化碳來源不僅僅是火山作用的結(jié)果，還有可能是沉積物中有機(jī)質(zhì)的厭氧降解產(chǎn)生的輕碳。羌塘剖面有機(jī)質(zhì)類型整體以海洋浮游植物為主，這與海洋環(huán)境變化息息相關(guān)。其中溫度的變化對于生物的影響十分重要，溫度的升高能夠明顯促進(jìn)植物的光合作用速率，在三疊紀(jì)-侏羅紀(jì)過渡時期存在一個高溫的現(xiàn)象，這是浮游植物趨于繁盛，光合作用優(yōu)先吸收輕碳，這時碳同位素出現(xiàn)顯著的負(fù)偏。所以，溫泉剖面三疊紀(jì)-侏羅紀(jì)交界時期有機(jī)碳同位素異常時，二氧化碳和甲烷等溫室氣體濃度增加所驅(qū)動的。

有學(xué)者認(rèn)為，在中大西洋大火成巖省的噴發(fā)事件中不僅僅造成了大量的二氧化碳涌入到大氣和海洋中，相應(yīng)的火山活動還會促使洋底天然氣水合物裂解釋放出大量的甲烷和二氧化碳。大量的輕碳從洋底進(jìn)入到海洋環(huán)境中，引起了海洋碳同位素的下降。甲烷具有極負(fù)的碳同位素，完全可以讓碳同位素在短時間內(nèi)發(fā)生大幅度的負(fù)偏。同時，甲烷在水中可以被氧化，形成富輕碳的二氧化碳進(jìn)入到大氣中。這一說法在奧地利和北美地區(qū)得到了眾多研究者的支持。

2.4 甲烷釋放造成的環(huán)境變化

根據(jù)前人的模型計算得出，三疊紀(jì)末碳同位素的負(fù)偏歸因于中大西洋大火成巖省釋放了8000～9000億t的碳，作為火山成因的氣態(tài)二氧化碳，隨后甲烷水合物儲層釋放了約5000億t的碳。另外，從北美東部裂谷盆地的中大西洋大火成巖省玄武巖單元之后的碳酸鹽中估算出的二氧化碳分壓表明，玄武巖的二氧化碳釋放量很大。然而，這種從2個儲層中釋放碳的模型僅導(dǎo)致外源性碳庫約3‰的損耗。觀測到的碳同位素負(fù)偏可能發(fā)生在10-20ky之內(nèi)。因此，觀察到的碳同位素負(fù)偏的持續(xù)時間與中大西洋大火成巖省相關(guān)的二氧化碳釋放作為同位素貧化碳的主要來源不相符。一個使用了三疊紀(jì)末的邊界條件的質(zhì)量平衡計算模型表明大氣中大約8.5‰的13C耗損也可以用大約12000億t的甲烷釋放量來解釋。所以甲烷的釋放可能是造成在三疊紀(jì)末的碳循環(huán)擾動的一個原因。中大西洋大火成巖省的產(chǎn)熱甲烷和氣態(tài)二氧化碳的釋放啟動了全球外源性碳循環(huán)的正反饋，導(dǎo)致甲烷從凍土中釋放出來。

在三疊紀(jì)末生物大滅絕期間注入了12000～38000億t的碳，對全球的氣候產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響，跨越這段事件的孢粉學(xué)統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，在這階段發(fā)生了強烈的變暖事件和增強的水文循環(huán)與碳同位素負(fù)偏的開始直接重合。海洋生物的變化與滅絕與這次變暖事件具有高度相關(guān)性，這表明大量的碳釋放與相關(guān)的氣候變化對海洋生態(tài)系統(tǒng)具有很強的因果關(guān)系。有毒氣體的釋放可能進(jìn)一步加劇海洋生態(tài)系統(tǒng)的變化。大量的碳釋放到海洋中，也會對海洋的酸化產(chǎn)生強烈的影響。并且在三疊紀(jì)末生物大滅絕期間，酸化事件可能導(dǎo)致碳酸鹽沉淀減少或者溶解，這對于海洋生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性具有很大的影響。

3 結(jié)束語

對羌塘盆地溫泉剖面有機(jī)碳同位素的研究結(jié)果表明，在三疊紀(jì)—侏羅紀(jì)交界時期溫泉剖面存在有機(jī)碳同位素的負(fù)偏，與全球其他地區(qū)過渡時期的剖面具有相同的變化特點。根據(jù)同位素的值和變化趨勢，結(jié)合全球當(dāng)時環(huán)境變化特點，得出甲烷的釋放可能是造成晚三疊末生物集群式滅絕的初始生物擾動原因。甲烷的釋放很可能與中大西洋大火成巖初期的活動有關(guān)，相關(guān)的火山事件引發(fā)了洋底甲烷水合物釋放大量甲烷。