环境磁学研究揭示二叠纪末生物大灭绝前古海洋氧化还原状态变化

环境磁学研究揭示二叠纪末生物大灭绝前古海洋氧化还原状态变化

二叠纪末生物大灭绝是地球历史上最严重的生物灭绝事件之一，约81%的海洋物种在短时间内消失。最近，中国科学家团队通过环境磁学研究，揭示了这次生物灭绝事件前古海洋氧化还原状态的变化，为理解这一重大地质事件提供了新的视角。

二叠纪末生物大灭绝被认为是地球历史上最严重的生物灭绝事件，在极短时间内（6.1±4.8万年），高达81%的海洋物种遭受灭顶之灾。揭示二叠纪末生物灭绝机制对于理解环境变化和生物演化之间的关系至关重要。前人通过地球化学指标（如生物标志化合物、铁组分）和同位素（如铀同位素等）分析，研究二叠纪末古海洋短期氧化还原历史。针对二叠纪末古海洋氧化还原状态及演化的科学问题，中国科学院地质与地球物理研究所地球与行星物理院重点实验室地球与行星磁场及宜居性研究团队章敏博士后和潘永信院士，联合南京大学沈树忠院士，岩石圈演化国家重点实验室邓成龙研究员、秦华峰副研究员和侯祎斐博士后，以及中国海洋大学何况副教授，详细开展了浙江煤山“金钉子”剖面的环境磁学研究，获得了二叠纪末古海洋氧化还原状态演化的新结果。

图1 浙江煤山剖面环境磁学结果。（a）磁化率（χ）；（b）非磁滞剩磁（ARM）；（c）饱和磁化强度（Ms）；（d）剩磁矫顽力（Hcr）；（e）非磁滞剩磁与饱和等温剩磁比值（ARM/SIRM1T）；（f）S-ratio0.3T；（g）铈异常（ΩCe）；（h）河流与地幔锶通量比值（FR/FM）

研究结果表明，煤山剖面长兴组和殷坑组的磁学指标变化自下而上可分为四段（Ⅰ-Ⅳ）（图1）。第Ⅰ阶段，磁性矿物以磁铁矿和赤铁矿为主，在第Ⅱ-Ⅳ阶段，磁性矿物则以磁铁矿为主，指示了古海洋浅海环境由氧化状态转变为贫氧-缺氧状态，这个转变约发生在252.8 Ma。结合前人的研究结果，如铊同位素（图2a）、全球碳同位素（图2d）以及生物多样性变化（图2c）等分析结果，表明二叠纪末古海洋氧化还原状态扰动时间比生物灭绝事件发生更早。此外，在第Ⅱ阶段，非磁滞剩磁与饱和等温剩磁比（ARM/SIRM1T）呈现逐渐减小的趋势（图1e），指示了磁铁矿粒径逐渐变大。在第Ⅲ阶段，磁化率（图1a）、非磁滞剩磁（图1b）、饱和磁化强度（图1c）均表现出先升高后降低的特征，指示了磁铁矿含量先升高后降低。电子显微学分析表明，煤山剖面中磁性矿物主要来自陆源碎屑输入，且陆源风化指标（图1h）与磁性矿物的粒度和含量变化表现出类似的特征，反映了大陆风化强度的变化。

图2 二叠纪末环境、地质、生物事件对比

为了认识二叠纪末古海洋氧化还原状态演化以及大陆风化强度变化的驱动机制，研究团队综合对比二叠纪末环境、地质和生物事件，推断地幔柱和火山活动可能触发了古海洋的去氧。大规模的火山喷发及其产生的环境效应加剧了古海洋缺氧以及大陆风化（图3）。随着火山活动逐渐减弱，古海洋氧化还原状态以及陆地化学风化强度逐渐得以恢复。该研究成果为二叠纪末期的全球性古海洋缺氧可能是导致海洋生物大灭绝直接的主要环境因素之一提供了关键证据。

图3 二叠纪末古海洋缺氧事件产生的模式图

本文原文来自中国科学院地质与地球物理研究所