论文摘要
二叠纪-三叠纪之交发生了显生宙以来最大的一次生物绝灭事件,并伴随着环境和气候的灾变。这次事件极大地改变了海洋和陆地生态系统的面貌,使地球生命向现代类型开始转变,因而一直是地球科学界研究的焦点。目前为止,导致这次生物绝灭和环境恶化的机制及最初的诱因还是扑朔迷离的,但越来越多的研究显示加强的火山作用与该次生物绝灭具有时间上的耦合关系,如西伯利亚大火成岩省和华南二叠纪-三叠纪之交地层中广泛存在的火山灰层。另外,绝灭后,生态系统在早三叠世经历了异常延长和曲折的复苏,期间,发生了多次生物和环境的波动及碳同位素的漂移,如早三叠世斯密斯阶-斯帕斯阶界线就见证了一系列气候、环境和生物的变迁。导致早三叠世生物环境曲折复苏的原因一直是神秘的,虽然也被认为可能与西伯利亚大火成岩省的再活化有关,但一直缺少相关的地球化学证据。因此,对晚二叠纪-早三叠纪火山作用进行精细的研究,不仅可以对当时火山作用的强度、时限和频率具有更加清晰的认识,同时还可以进一步分析当时火山作用和生物绝灭及其后期曲折复苏之间的因果关系。首先,华南二叠纪-三叠纪之交地层中存在大量的火山灰层,且绝灭层往往以火山灰层为标志。对其性质、物质来源和构造背景的分析不仅有助于对当时大地构造背景的认识,还可以进一步探讨其对生物绝灭的影响。针对这一科学问题,本文选取了华南煤山、上寺和建始剖面,对共21层火山灰进行了全岩和锆石地球化学的分析,得到了以下主要认识。（1）全岩地球化学特征表明火山灰的原岩具有英安岩或流纹岩的组成特征,且具有与板块俯冲作用环境下相关岩石相似的稀土元素配分曲线和微量元素蛛网图特征。锆石微量元素具有较低的Nb/Hf比值和相对较高的Th/Nb比值,其投点落入了俯冲/造山相关的构造环境。锆石高的U/Yb比值及较西伯利亚火成岩锆石更明显的Eu*的负异常,表明了火山灰主要起源于大陆地壳,与具有地幔属性的西伯利亚岩石具有不同的来源。（2）火山灰锆石εHf（t）值的变化范围是-11.7到1.8,表明古老地壳和新生地壳两端元物质的加入。与Clarkina（C.）yini牙形石带与Isarcicella（I.）isarcica牙形石带内的火山灰层相比,生物绝灭层位附近的火山灰层具有较大变动的εHf（t）值和较正的εHf（t）平均值,表明更多新生地幔或者地壳物质的加入且与古老地壳之间的相互作用较少,可能暗示了岩浆的快速喷发。另外,本文对全球31个二叠纪-三叠纪剖面的火山灰分布进行了统计,结果发现火山灰层主要存在于特提斯区域。结合微量元素特征和Hf同位素组成特征,本文认为华南二叠纪-三叠纪之交广泛存在的火山灰应来自于华南西南部的聚合大陆边缘的构造环境,可能与古特提斯洋的闭合有关。西伯利亚大火成岩省与晚二叠纪末生物大绝灭在时间上的耦合性已经建立,但西伯利亚火山的喷发与生物绝灭过程之间的因果关系还是未知的。同时,火山作用的影响是否是全球性的,是否足以引发全球规模的气候环境剧变,有待更深入研究。近年来,地质历史上沉积物中富集的Hg被认为可能与大火成岩省的活动有关。火山作用释放的气态单质汞（Hg0）可以直接进入海洋和陆地,然后在水域和陆地系统被氧化成Hg2+;或者先在大气中通过氧化作用形成活跃的Hg2+,最后通过降雨或吸附作用进入海洋及陆地。在相对稳定的环境系统中,海洋沉积物Hg含量与有机碳含量（TOC）往往呈现一定的线性变化关系,而Hg过量输入时,这种线性关系就被打破,表现出沉积物Hg含量的异常（Hg/TOC比值的异常）。同时,与Hg含量异常相伴,其地球化学过程也伴随着强烈的Hg同位素分馏,包括质量分馏(MDF,δ202Hg)和非质量分馏(MIF,Δ199Hg)。一系列地球化学过程,如微生物作用、氧化还原反应、甲基化作用、溶解吸附作用等都会导致Hg发生质量分馏,而Hg的非质量分馏被认为只与光化学反应直接相关。因此,Hg同位素组成,特别是非质量分馏组成特征,可以进一步验证沉积物中Hg富集的来源,从而更好的示踪西伯利亚火山在全球二叠纪-三叠纪之交地层中的记录。本文在华南和印度Kashmir地区共选取了6个海相二叠纪-三叠纪之交的剖面,系统的测试了Hg含量和Hg同位素组成,同时借助主微量元素,探讨了其与沉积环境的关系,取得了以下主要认识:（1）6个海相剖面在绝灭层位附近都记录了高的Hg含量和Hg/TOC的正偏。经过详细的分析,发现该Hg富集与局部岩性、沉积速率、海洋的氧化还原等的变化无关,指示了外部加强的Hg输入。华南较深水相大峡口剖面、上寺剖面、巢湖剖面以及印度Guryul Ravine剖面在绝灭层具有基本恒定的Δ199Hg正值,指示了火山大气Hg的信号,证实了西伯利亚火山在全球的记录。相反,近岸相煤山剖面的绝灭层表现出了Δ199Hg和δ202Hg值的负偏,指示了陆源Hg输入的信号,说明了海相沉积物可以接收不同比例的大气Hg和陆源Hg,可能近岸相煤山剖面绝灭层更大比例陆源Hg的输入掩盖了火山大气Hg的信号。（2）几乎每个剖面高的Hg/TOC比值一直从C.meishanensis牙形石带持续到I.isarcica牙形石带底部,与西伯利亚大规模基性岩墙群的侵入过程相一致,说明大规模基性岩墙群的侵入过程中释放了大量的Hg到大气,影响了全球的Hg循环。为了探明西伯利亚大火成岩省在早三叠世是否再次强烈喷发从而导致了早三叠世生态的曲折复苏,本文在华南和印度分别选择了晚二叠世-早三叠世巢湖剖面和Guryul Ravine剖面,建立了高分辨率Hg含量和Hg同位素地层学,这两个剖面在古地理位置上分别位于古赤道和南半球高纬度地区,加上前人在北极地区建立的Hg地球化学地层学,因而可以评估西伯利亚火山在早三叠世对全球的影响。取得的主要认识如下:（1）巢湖和Guryul Ravine这两个剖面的Hg/TOC比值在晚二叠末生物绝灭层快速正偏,高的值一直持续到了I.isarcica牙形石带底部。除此之外,Hg/TOC在整个早三叠世虽然有微弱的波动但总体表现出较低的值,表明为正常的Hg沉积。Hg含量与Al含量的散点图显示,二者在早三叠世有较强的相关性,表明早三叠世很大比例的陆源Hg随黏土矿物进入了海洋,这也被早三叠世样品具有较小的Δ199Hg值所证明。（2）前人在北极地区早三叠世斯密斯阶-斯帕斯阶界线附近发现了Hg/TOC的微小正偏,但在本文的研究剖面中并没有重现。可能西伯利亚火山在斯密斯-斯帕斯界线附近再次活化并在就近的沉积物中有所记录,但喷发的Hg并没有影响到全球的Hg循环。但在晚斯密斯阶时期全球范围内都发生了明显的碳同位素负偏和高温事件,可能的解释是火山作用喷发的速率较低;Hg在大气中的滞留时间较温室气体（如CO2）短的多,在这种情况下,火山作用释放的CO2等温室气体在大气中逐渐累积,进而导致了早三叠世异常的高温事件,但大气Hg浓度并没有显著的增加从而也不能导致全球Hg的异常沉积。由于缺少标准化石,二叠纪-三叠纪界线陆相剖面的绝灭过程及其与海相剖面的对比一直是没有解决的难题,另外西伯利亚火山在陆相剖面的沉积记录如何,Hg在陆相环境的地球化学行为如何还一直没有解决。对此,本文在华南选择了陆相岔河剖面和过渡相金钟剖面,系统的测试了有机碳同位素、Hg含量和TOC含量。得到了以下主要主要认识:（1）两个剖面的有机碳同位素在卡以头组下部和上部分别表现出两次明显的负偏,可能在时间上分别对应海相剖面的C.meishanensis牙形石带和I.staeschei牙形石带,结合生物化石资料,本文认为卡以头组记录了陆相的绝灭过程。与有机碳同位素的负偏的层位相对应,卡以头组的内部记录了两次Hg含量的峰值,可能说明了外部加强的Hg输入和碳输入,影响了当时陆地环境的Hg循环和碳循环。陆相的Hg峰值可以较好的和全球海相的Hg峰值相对比,证实了西伯利亚火山在陆地沉积物中有所记录。（2）在海相沉积物中,Hg与TOC往往存在强的正相关性,但在陆相环境中,Hg含量与TOC含量之间并不存在明显的正相关性,可能说明了在陆地环境中,除了有机质,很大一部分Hg是与土壤中的黏土矿物结合的,因而在陆相剖面利用Hg/TOC比值来反映Hg的富集层位是不可靠的。
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文章来源
类型: 博士论文
作者: 王向东
导师: 赵来时
关键词: 二叠纪,三叠纪,大绝灭,生物复苏,火山灰,同位素组成,含量,同位素,西伯利亚大火成岩省,有机碳同位素,华南,印度
来源: 中国地质大学
年度: 2019
分类: 基础科学
专业: 生物学,地质学,地质学,地球物理学
单位: 中国地质大学
分类号: P317;Q111.7;P534
DOI: 10.27492/d.cnki.gzdzu.2019.000190
总页数: 165
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标签：二叠纪论文; 三叠纪论文; 大绝灭论文; 生物复苏论文; 火山灰论文; 同位素组成论文; 含量论文; 同位素论文; 西伯利亚大火成岩省论文; 有机碳同位素论文; 华南论文; 印度论文;