二叠三叠纪分界的远洋海域深海沉积岩中古生物的地球化学研究

二叠-三叠纪分界的远洋海域深海沉积岩中古生物的地球化学研究

编译：王立群

原著：高桥聪

摘要：

在地球历史上最为严重的物种灭绝发生在二叠纪的末期，而该物种灭绝的恢复一直延续到后来的早三叠世。来自于许多浅水地台沉积岩地层的有机地球化学研究表明绿硫菌和蓝菌的单位体积数量在增加以及陆源有机物质出现于晚二叠纪到早三叠世的浅海环境中。此外，在最近的远洋深海的海相沉积岩研究中，尤其是日本的冲积复合体的研究增加了对晚二叠世到早三叠世的低纬度古地层记录的理解。牙形石化石的出现以及连续的深海二叠-三叠纪边界部分的有机物质稳定碳同位素组成都表明物种灭绝的时间位于黑色粘土岩层的开始位置，其下部是富含微体古生物化石的硅质粘土岩。尽管这种黑色的粘土岩层表示缺氧条件，但是根据测得的不含任何同位素质量信息的圆滑有机碳同位素曲线的分析，细菌的繁盛和来自远洋的陆源物质的输入并不是特别有意义。之后的放射虫燧石沉积的恢复发生在早三叠世晚期到中三叠世早期的过渡时间。有机物分子从这些地层中被检测到。分析它们在远洋深海的形成过程，认为早三叠晚期黑色燧石的高浓度硫表明当时为富硫沉积条件。同时高浓度的多环芳香烃则表示在早三叠世的晚期海相有机物质的高度可变性。因为这些事件在细菌类中存在变化，而且放射虫化石的多样性降低，所以该事件可能相对地延缓了在二叠纪末期物种灭绝之后生命和环境的恢复。

1、二叠纪末期的大量灭绝

我们知道在显生宙一度以急剧的速度多数物种减少的大量灭绝事件曾多次发生。在该大量灭绝事件中化石生物种属最大幅度减少的是在古生代二叠纪和中生代三叠纪分界处（约2亿5千万年前）发生的二叠纪末期大量灭绝事件。三叶虫、笔石、有关节腕足类、头足类、腕足类、珊瑚、海葵、介形虫、有孔虫和放射虫等海生生物以科这个级别计算约减少一半，在古生代繁荣的三叶虫和四方珊瑚在该次事件中完全灭绝。要弄清引起这种大量灭绝事件的背景，有必要明确当时的地质记录。在二叠纪-三叠纪时期，大陆汇集为超大陆，存在被超大陆包围的特提斯海和包围超大陆的超大洋（古太平洋）（图1），在这一方面曾经在特提斯海浅海成因的沉积岩层方面做过大量的研究。从到目前为止的研究成果中分析使生物灭绝的

主要环境因素，可以列举出极端温暖化、海洋酸化和海洋缺氧事件。极端温暖化的证据方面处于根据测定牙形石动物器官的组成成分——磷灰石的稳定氧同位素比的结果进行的详细讨论之中。根据Joachimski等（2012）、Sun等（2012）、Romano等（2012）、Chen等（2012）的研究报告，磷灰石的氧同位素比值从二叠纪末期到三叠纪初期约减少4‰，这相当于表层水温上升了近14℃，估计温暖化的低纬度海洋表层水温接近40℃。这种温暖化的主要原因被认为可能是存在同时期活动的西伯利亚洪水玄武岩氧化地壳表层的有机碳等而释放出温室效应的气体（相当于15~20×103GtC）。海洋酸化的证据在于碳酸盐基质和牙形石中磷酸盐的钙同位素比在二叠纪末期减少，在同位素比的研究结果上，轻的生物源碳酸钙一起被溶解。海洋缺氧化的原因从大量的二叠纪末期沉积岩缺少生物扰动的岩相方面推断出来，同时在一部分海洋中存在富含硫化氢的还原环境，从硫酸盐中硫同位素比和硫化物中硫同位素比同时减少和下述的有机分子化石的研究中可以揭示出来。

在以二叠纪末期环境变化为对象的地球化学研究中，其有机地球化学特征表现出在大量灭绝期化石生物的多样性减少而另一方面其生物的总量增加这一现象。在有机分子方面展现出的二叠纪末期增加的化石之一是绿硫菌。绿硫菌存在的证据在于这种细菌生物合成的类胡萝卜素成分的化石化。根据分析二叠纪到三叠纪边界标准层（位于中国）的研究报告，类胡萝卜素化石对全岩有机碳的贡献量在表征二叠纪末期生物大量灭绝期的24e层和三叠纪前期的29层中大量地增加（图2）。在绿硫菌增加之后大量出现的是氰基菌。来自于一部分氰基菌的膜脂质中存在的二甲基霍烷类化合物中的二甲基霍烷用来自其它细菌的霍烷分子量进行规格化处理，把表示相对量的甲基霍烷指数标定在眉山剖面中，显现出三叠纪前期的26层和29层的值显著地增加（图2）。从这两种有机分子化石的一系列峰值来看，该环境是

有利于绿硫菌繁殖的海洋有光层中的含硫化氢环境，埋藏在其后的生态系统中的生物推测为氰基菌。与此相同的分子化石的增加也可以在眉山剖面处的特提斯海东缘的其它位置，特提斯海的中部和南部以及泛大洋海的东缘得到。生物量方面的讨论存在若干不同点，认为在三叠纪前期的浅海中，来自陆地的有机物的贡献量较高。作为陆源有机质，在26层的黑色火山灰层中含有大量的陆地植物燃烧产生的黑色碳和多环芳香烃（PAHs）。在图2中用苯丙芘表示多环芳香烃的垂直分布。这种变化趋势可能表示当时陆地植物荒废，由陆地带入到海洋中的物质起着最先出现者的营养作用，因而氰基菌等海生生物作为最先出现者而增加，这就影响到与此相伴的海洋溶解氧消耗的变化。这些有机物质贡献率的变化记录在沉积岩中有机

碳同位素比值（δ13C org）的变化上。到二叠纪的后期，δ13C org和碳酸盐碳同位素比（δ13C carb）表现出协调的变化，在上述有机物分子较明显增加的三叠纪前期表示出极重的值（图2）。如果比较眉山剖面中δ13C org和δ13C carb的变化曲线与同层有机分子贡献率的变化，可见燃烧成因的多环芳香烃起着使同位素比值变轻的作用，而土壤来源的有机物和氰基菌来源的分子化石较多的地层起着加重同位素比值的作用。

在三叠纪开始时发生细菌活动的活跃海洋环境似乎在三叠纪前期继续或者频繁地发生。

这种情况从被认为是微生物垫层的碳酸盐沉积构造——微生物岩在各地出现这种现象展现出来。在浅海环境中造礁生物的生态系统稳定下来需要三叠纪前期的约500~700万年时间，在这期间，按蓝藻类、牙形石和菊石（浮游生物）、腹足类（底栖生物）、脊椎动物的顺序填补生态系统空白的情况在化石记录中得以明确。三叠纪前期的地球化学特征表现为碳同位素比和氧同位素比的反复变化。浅海地区的δ13C carb和牙形石的δ18O磷灰石的值，其大的负峰值在三叠纪前期的Griesbachian期末、Smithian期末、Spathian期末都可见到，Smithian期末的最大δ18O磷灰石的极小值表示此时期发生了最高温的环境。在这些三叠纪前期的温暖期中一部分开始表现出发育还原环境（北半球中高纬度海域Sverdrup盆地的钼/铝比值增加）。像这样地，温暖期和碳同位素比值较低的时期同时发育的原因，有人认为是间断发育的西伯利