刘盛遨:二叠纪末生命大灭绝前大规模火山作用的Zn同位素证据【Geology, 2017】

       距今约2.52亿年的二叠纪末期,发生的生命灭绝事件导致了90%以上的海洋生物物种和70%的陆地生物物种灭亡。二叠纪末全球生命大灭绝的导火索及其之后缓慢的生命复苏一直是地球-生命科学研究的热点问题之一。大量的研究表明,生物灭绝前,全球碳循环受到了显著的影响,全球气候快速变暖,大范围海水缺氧事情发生,海洋发生了快速酸化。因为二叠纪末生物灭绝的间隔已经被缩短至<10万年,导致这些事件的诱因被普遍认为与西伯利亚大火成岩省岩浆的快速喷发或侵入导致的环境巨变有关。对西伯利亚火山岩中全岩及单矿物高精度年代学支持西伯利亚大火成岩省火山作用与二叠纪末生物灭绝之间的时间耦合关系。然而,火山喷发与生物灭绝是两个独立的地质事件,尽管时间上高度吻合,但缺乏两者之间因果联系的直接证据;此外,二叠纪末生物灭绝主要发生在海洋生物,要建立火山喷发与生物灭绝的直接联系需要在当时的海水中找到直接证据。

      科学研究院同位素地球化学实验室刘盛遨教授与海洋学院吴怀春教授及其合作者最近对浙江长兴煤山二叠纪-三叠纪剖面开展了Zn同位素研究。锌是一个重要的营养元素,因为生物活动导致显著的Zn同位素分馏,因此Zn同位素能够指示古海洋的生物生产力;此外,火山岩与海水之间存在显著的Zn同位素差异,因此海水的Zn同位素组成对火山、热液及大陆风化非常敏感。因为碳酸盐岩与海水之间的Zn同位素分馏系数几乎不受温度影响,碳酸盐岩的Zn同位素组成变化能够很好地反映不同时期海水自身的Zn同位素变化。研究发现,在二叠纪末生物灭绝前约3.5万年,海水的Zn同位素发生了快速的、高达0.5‰的负漂,同时Zn含量快速升高(详见文中图2),模拟计算表明:即使比现今的风化强度强几十倍,如此快速的Zn同位素负漂也不可能只由大陆风化造成;要造成海水0.5‰的Zn同位素负漂,需要大量火山灰、火山热液及大陆风化将大量Zn(8.06 × 1012kg)输入海洋。该发现为二叠纪末生物灭绝前极短时间内大规模火山作用对海洋的影响提供了重要证据。

       此外,作者还发现生物灭绝后~36万年时间内,海水的Zn同位素发生了快速的正漂。因为生物优先富集轻的Zn同位素,这一观察表明二叠纪末生物灭绝后海水的初级生产力发生了快速的反弹,很可能与火山-热液-风化作用带入到海洋的大量营业物质(如锌)有关,初级生产力的爆发也可能是该时期海洋缺氧的重要原因。

      上述研究成果发表于国际著名学术刊物《Geology》:Liu, S.-A., Wu, H., Shen, S. Z., Jiang, G., Zhang, S., Lv, Y., Zhang, H., Li, S., 2017. Zinc isotope evidence for intensive magmatism immediately before the end-Permian mass extinction. Geology, DOI: 10.1130/G38644.1, 2017. [IF=4.548]

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