在古生代和中生代轉(zhuǎn)折期，地球上發(fā)生了顯生宙規(guī)模最大的一次生物大滅絕事件——二疊紀(jì)末生物大滅絕事件。在6萬年的時間里，約81%的海洋生物徹底消失，破壞了存在了2億年的海洋生態(tài)系統(tǒng)。該時期，古海洋環(huán)境發(fā)生了包括海水升溫、酸化、缺氧或硫化、大規(guī)模海退以及洋流循環(huán)受阻等一系列變化，這些變化均是導(dǎo)致二疊紀(jì)末海洋生物大滅絕的可能因素；這些因素彼此之間又具有一定的內(nèi)在關(guān)聯(lián)性。與其他常用來探討古環(huán)境背景的鈾、硫、鐵等元素相比，鎂在海洋中具有更高的含量；海洋中鎂元素循環(huán)常與碳-氧循環(huán)過程相伴，因而，其與一系列重大海陸變遷及生命過程相關(guān)。
近年來，越來越多的研究嘗試?yán)煤Ｏ嗵妓猁}巖鎂同位素手段來研究古氣候和古環(huán)境的演化。白云巖鎂同位素不易被后期成巖作用改造，且礦物與溶液間鎂同位素分餾系數(shù)已被精確標(biāo)定，這使得白云巖鎂同位素在示蹤古海洋演化、大陸風(fēng)化以及生命過程等研究中具有應(yīng)用潛力。因此，白云巖鎂同位素有望為揭示二疊紀(jì)-三疊紀(jì)轉(zhuǎn)折期海洋環(huán)境變化以及生物大滅絕機(jī)制提供新的認(rèn)識。
鑒于此，中國科學(xué)院南京地質(zhì)古生物研究所晚古生代研究團(tuán)隊研究員張華、副研究員鄭全鋒與南京大學(xué)等的科研人員合作，選取全球多條經(jīng)典的含白云巖二疊紀(jì)-三疊紀(jì)界線剖面碳酸鹽巖樣品，進(jìn)行系統(tǒng)的碳-氧-鎂同位素地球化學(xué)分析。研究發(fā)現(xiàn)，在二疊紀(jì)末生物大滅絕層段，不同剖面上的白云巖，其鎂同位素均顯示較一致的快速上升，且與碳同位素負(fù)漂呈鏡像耦合關(guān)系，揭示了全特提斯域內(nèi)海水主量元素的地球化學(xué)組成及海洋鎂循環(huán)過程發(fā)生了顯著變化。研究人員通過分餾系數(shù)推算，海洋δ26Mg值從晚二疊世末-0.3‰上升到早三疊世0.1‰，并伴隨至少兩期幅度更大、時間卻更短的次級波動。在高精度地層框架的約束下，在樂平統(tǒng)到早三疊世第一級的鎂同位素變化過程中，海水δ26Mg值的平均變化速率約為0.53‰ Myr–1；若考慮次級波動，海水的δ26Mg值最大變化速率可達(dá)3-4‰/Myr。
海洋鎂循環(huán)的數(shù)值模擬結(jié)果顯示，二疊-三疊紀(jì)過渡時期，全球海洋δ26Mg值快速上升與白云巖化作用增強(qiáng)有關(guān)。在生物大滅絕期間，海洋白云巖化作用提高了接近8倍，大量白云石的形成優(yōu)先消耗水體中的24Mg，從而使海水中相對富集26Mg，導(dǎo)致δ26Mg值上升。兩次次級鎂同位素快速正漂基本與西特提斯洋一側(cè)觀察的兩次碳同位素負(fù)漂相對應(yīng)，其變化周期更短、變化幅度更大，平均變化速率達(dá)3‰~4‰/Myr。模擬結(jié)果顯示，在局限洋盆內(nèi)，鎂同位素組成對外界環(huán)境變化的敏感性顯著增強(qiáng)。若局限洋盆鎂含量只占全球大洋總量的20%，當(dāng)局限盆地內(nèi)白云巖化強(qiáng)度增加到8倍時，可使海水δ26Mg值變化速率快速達(dá)到4‰/Myr。
與報道的同時期穩(wěn)定鈾同位素數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，研究人員發(fā)現(xiàn)，兩次次級的鎂同位素正向漂移對應(yīng)兩次鈾同位素的負(fù)漂，這表明在兩次次級鎂同位素正漂期間，海洋處于相對缺氧狀態(tài)。洋盆內(nèi)海水頻繁的同位素變化與同時期海侵-海退變化關(guān)系密切。在海退過程中，古特提斯洋與外海之間的水循環(huán)更加不暢，快速的白云巖化作用導(dǎo)致洋盆內(nèi)鎂同位素快速上升；在隨后的海侵過程中，廣海的海水補(bǔ)給進(jìn)入封閉碳酸鹽臺地內(nèi)，從而使碳酸鹽臺地內(nèi)海水δ26Mg值有所下降，形成鋸齒狀波動。就古特提斯洋來說，在相對局限的海洋環(huán)境中，由于海洋緩沖能力有限，全球變暖、陸源風(fēng)化及河流輸入增強(qiáng)、水體富營養(yǎng)化等一系列氣候和水化學(xué)變化易在海洋環(huán)境中引發(fā)一系列災(zāi)變，也更容易導(dǎo)致大范圍的生物滅絕。
相關(guān)研究成果以Mg isotope evidence for restriction events within the Paleotethys ocean around the Permian-Triassic transition為題，發(fā)表在Earth and Planetary Science Letters上。研究工作得到中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項、前沿科學(xué)重點研究計劃項目和國家自然科學(xué)基金委的支持。
圖1.古特提斯二疊紀(jì)末期的全球古地理和研究剖面巖性及C-Mg同位素變化
圖2.古特提斯洋東-西邊緣典型的含白云巖P-T剖面鎂同位素變化特征
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