华南二叠纪—三叠纪之交古海洋氧化还原状态波动及其对海洋C-N循环的影响

发布时间：2024-02-26 08:23

    二叠纪-三叠纪(P-Tr)之交发生了显生宙以来规模最大、影响最深远的生物集群绝灭事件。海洋缺氧、硫化的扩大可能是该事件的重要驱动机制,但对该时期海洋缺氧的时空分布规律及控制因素的认识还有待深入研究。碳氮是生命体的重要组成元素,其同位素组成(δ~(13)C、δ~(15)N)在地质体中的变化是对环境变化和生命活动的直接响应,因而是联系水体环境与生物演化的重要纽带。已有研究表明P-Tr之交的生物绝灭事件伴随着全球碳氮同位素显著负偏。但对不同沉积环境的研究表明碳氮同位素强烈负偏存在显著的空间差异性,这可能与水体氧化还原状态有关,但具体的作用机制尚不清楚。铁组分-微量元素指标是近年来被广泛应用于古海洋局部或全球尺度水体氧化还原状态重建的高效手段。在本研究中,我们对华南P-Tr之交不同沉积相剖面—凉风垭(碳酸盐台地相)、甘溪(斜坡过渡相)、朝天(深水盆地相)剖面开展了Fe-S-C-微量元素综合研究,并与上寺、峡口剖面进行区域对比,以期对该P-Tr关键期海洋的氧化还原状态的空间结构和时间演化进行精确重建,进一步探讨该时期水体化学的形成机制。在此基础上,我们对甘溪、天桥剖面以及联合已发表的朝天、上寺、渡口、太平剖面数据开展了C-N生物地球化学循环的研究,以期探讨这一关键期水体氧化还原状态与海洋C-N循环之间的关系。这些研究将有助于我们对该时期环境与生物的协同演化机制的理解。本文获得的主要结论包括:1、Fe-S-C-微量元素水体化学重建结果表明:(1)华南P-Tr之交海洋化学存在高度空间差异性,即中层水体缺氧硫化与表层和深部水体氧化-次氧化动态共存。(2)长兴期早期硫化水体逐步向深水区扩张,中期深水区硫化环境逐步转变为铁化环境,末期缺氧海水扩张至浅水相,在早三叠世缺氧-氧化水体转向深水扩张。(3)华南不同沉积相剖面黄铁矿硫同位素组成(δ~(34)Spy)与水体氧化还原时空波动相对应:在氧化水体中偏重,低硫酸盐浓度铁化水体中偏轻,相对硫酸盐浓度高的硫化水体中偏重。华南P-Tr时期δ~(34)Spy较大空间差异性表明该时期海洋硫酸盐含量较低。2、P-Tr之交不同时期控制海洋化学波动的因素明显不同:(1)长兴期早期深层缺氧硫化水体主要受控于上升流发育导致的高生产力。(2)长兴期末期-早三叠世深层硫化水体向铁化水体转变则受控于陆源风化作用加强导致的高活性铁通量的增加和海洋中硫酸盐在前期硫化消耗后的降低。(3)长兴期末期-早三叠世深水剖面间歇性的硫化水体主要受控于低海洋硫酸盐背景下,间歇性火山作用加强导致进入海洋的硫酸盐通量脉冲式的增加。3、碳酸盐碳同位素(δ~(13)C_(carb))和有机氮同位素(δ~(15)N)区域对比研究表明:华南二叠世末期δ~(13)C_(carb)和δ~(15)N在空间上呈现高度差异性。在吴家坪-长兴阶界线(WCB)附近,深水相剖面比浅水相剖面更加富集12C和14N,具有明显的同位素空间梯度(碳同位素梯度可达7.1‰,氮同位素梯度可达4.9‰)。长兴期中期碳-氮同位素梯度逐渐降低恢复到现代海洋的梯度,并在长兴期末期消失。WCB时期巨大的碳氮同位素梯度表明该时期扬子地区海洋缺氧分层严重,这与该时期的海洋氧最小带(OMZ)扩张到扬子北缘的深水剖面有关,而随后碳氮同位素梯度逐渐恢复正常水平可能与OMZ向深水区迁移有关;长兴期末期碳氮同位素梯度降低,趋于均一化,与该时期OMZ进一步扩张至透光带导致深水浅水均广泛缺氧相对应;早三叠世生物大绝灭后碳氮同位素梯度有所回升,与OMZ下移相对应。4、甘溪剖面海洋氧化还原状态波动、总有机碳与碳氮同位素记录的对比研究表明水体氧化还原状态、生产力及火山活动均对P-Tr之交华南古海洋碳氮生物地球化学过程具有显著的控制作用:(1)从WCB-PTB在该剖面成功识别出缺氧硫化-次氧化两种氧化还原状态对碳氮循环的直接控制。其中,在阶段G1、G3、G5中,水体缺氧硫化导致海水中反硝化作用加强,硝酸盐相对匮乏(高C/N),从而形成高δ~(15)N、低δ~(13)C_(org)组成特征。在阶段G2、G4、G6中,水体缺氧程度降低,反硝化作用减弱,水体中硝酸盐较充足(低C/N),从而形成低δ~(15)N、高δ~(13)C_(org)组成特征。PTB和WCB界线附近符合缺氧硫化和硝酸盐匮乏模式的特征。(2)甘溪剖面δ~(13)C_(carb)长时间尺度变化趋势主要受控于海洋初级生产力的变化,但在WCB快速负偏则可能与该时期缺氧分层严重导致深层水体有机质厌氧氧化作用加强有关,在PTB的快速负偏则可能与该时期火山喷发释放大量的CO2到大气中有关。(3)地质历史时期C/N和δ~(15)N统计特征表明在硝酸盐匮乏的海洋中,反硝化速率和固氮速率存在高度的全球时空差异性。当反硝化速率大于生物固氮速率时,C/N和δ~(15)N表现为正相关;当生物固氮速率大于反硝化速率时,C/N和δ~(15)N表现为负相关;当生物固氮速率与反硝化速率接近时,C/N和δ~(15)N则无相关性。5、综合本研究中所获得的古海洋化学、碳氮硫同位素数据,结合研究剖面已发表的古生物化石记录,我们发现:长兴期早期深水剖面的硫化水体中化石种类和丰度均稀少,且以缺氧环境形态居多,表明海洋生物对环境变化的直接生态相应。硫化水体与仍存在化石记录的矛盾可能与该时期短暂的氧化-次氧化水体渗透到沉积物或由于OMZ上下波动硫化水体并未全部渗透到沉积物有关。随后长兴期中期OMZ带收缩,盆地相朝天剖面具有丰富的化石记录再次应证了我们所建立的海洋化学时空结构动态共存的真实性。生物大绝灭期间,OMZ进一步扩张到浅层水体,海洋广泛缺氧、硝酸盐匮乏与绝大多数生物彻底消失相对应,表明该时期海洋缺氧环境对生物绝灭起着重要作用。生物主绝灭后,水体氧化还原条件逐步好转,为相应的残存分子提供了生存空间,但整体恢复确是一个相对滞后的过程,表明生物延迟复苏可能与除缺氧外的其他因素有关。以上对比分析表明二叠-三叠纪之交海洋中生物空间分布和演化主要受控于这一时期古海洋化学的时空波动。

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本文编号：1429265