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三叠纪末生物大灭绝期间初始海洋生物扰动事件与甲烷释放之间的关系

2023-09-10 165 上传者：管理员

摘要：对羌塘盆地温泉剖面进行了有机碳同位素的测定，并且对比了同期全球其他剖面的数据，得出有机碳同位素的变化主要受到二氧化碳和甲烷等温室气体浓度的影响。这些温室气体可能与中大西洋大火成岩省相关的火山活动有关，这些火山运动造成了洋底甲烷水合物释放出大量的甲烷和二氧化碳，从而改变了三叠纪-侏罗纪过渡时期的古气候，并且引起了晚三叠世生物集群式灭绝中的初始生物扰动事件。

关键词：
三叠纪-侏罗纪
初始生物扰动事件
生物大灭绝
甲烷
羌塘盆地
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大约在2.014Ma之前的三叠纪末生物集群式灭绝事件是显生宙以来5次生物大灭绝事件之一。在这次生物大规模灭绝事件中，海洋生物受到了比较严重的影响，海洋生物损失高达50%，并且陆地生态系统也受到了重要影响。这一事件与全球观察到的大气中的二氧化碳浓度增加了4倍，在全球三叠纪-侏罗纪地层的有机碳同位素和无机碳同位素的记录中发现，在过渡期间出现了一系列的同位素负偏的事件，并且在这些地层中还发现了海洋生物化石。英格兰南部圣奥德里湾海洋岩体的有机碳同位素记录已经成为记录三叠纪-侏罗纪过渡时期碳同位素变化的典型例子。它显示出在三叠纪-侏罗纪过渡时期至少出现了2次碳同位素的负偏，分为初始的碳同位素偏移和主要的碳同位素偏移，原因是大量富含12C的二氧化碳或甲烷等气体注入到大气中造成的。之前的学者将三叠纪末碳循环的扰动的原因归于中大西洋大火成岩省的喷发导致的大规模的碳释放，大火成岩省反复喷发二氧化碳，触发了三叠纪末生物灭绝事件。但是根据三叠纪末二氧化碳模型显示，当时二氧化碳的量不足以造成那么大的碳同位素负偏，所以有学者提出，甲烷注入大气层是三叠纪-侏罗纪交界时期碳循环扰动的主要机制。

在温泉剖面的样品中测了δ13Corg的数据，结果显示在初始灭绝期间同位素发生了4‰的负偏移，与第一次生物扰动具有一致性。这些数据表明，在短短的1～2万年内，大气中12C的大量增加，这需要几千万Mt的富含12C的甲烷进入到大气中才能实现。同时在此时植被的变化也反映了强烈的变暖和水文循环的增强。因此，三叠纪末的生物集群灭绝事件与甲烷引起的大量碳释放和相关的气候变化有关。

1、区域地质概况

羌塘盆地位于青藏高原北部，是青藏高原地区最大的海相沉积盆地。羌塘盆地由3个不同的构造单元组成，即南部羌塘凹陷、中部隆起和北部羌塘凹陷，它们被班公湖-怒江缝合带和可可西里-金沙江缝合带包围。羌塘盆地南部以班公湖-怒江缝合带为界，北部则以可可西里-金沙江缝合带为界线[1]。根据先前的研究，可可西里-金沙江缝合线是古特提斯洋存在的证据，该洋在石炭纪打开，然后在二叠纪-三叠纪晚期关闭。拉萨地形和羌塘地体之间的班公湖-怒江缝合线是中特提斯洋存在的证据。中特提斯洋的演化始于三叠纪至侏罗纪之交，结束于侏罗纪至白垩纪之交。三叠纪中晚期，古特提斯向南俯冲至羌塘地体，导致西藏北部羌塘盆地发生严重但短期的海退，使整个区内的地层发生了变形，但此时南羌塘坳陷仍处于浅海沉积相环境[2]。羌塘盆地出露有完整的海相三叠系-侏罗系之交的连续地层。温泉剖面（北纬32°32′15.95″，东经89°55′49.38″）位于南羌塘坳陷，岩性主要为生物碎屑灰岩、含生物碎屑灰岩和微晶灰岩等，剖面中下部具有丰富的海相生物化石，是我国三叠系-侏罗系之交较为典型的浅海海相沉积剖面。

2、结果与讨论

2.1温泉剖面有机碳同位素证据和总有机碳数据

在温泉剖面δ13Corg记录中，绝对值在-26.8‰和-22.3‰之间变化，碳同位素记录的特点是有一个负偏移幅度，为-3.5‰左右。三叠纪-侏罗纪交界的界线就位于有机碳同位素负偏即将结束的区域。双壳动物在有机碳同位素负偏开始时发生了突然灭绝，这个阶段被认为是三叠纪末生物大灭绝事件的触发因素。根据与有机碳同位素同时存在的正构烷烃记录的8.5‰的碳同位素负偏，提出大量释放的甲烷引发了海洋的变化，大量的甲烷释放到大气中，对当时海洋生态系统产生了十分重要的影响。关于三叠纪-侏罗纪交界时期碳循环扰动的原因，可能为甲烷的释放，而甲烷很可能是中大西洋大火成岩省活动的初始阶段释放出来的。

在温泉剖面不远处的索布查剖面也发现了相应的变化[3]，在三叠纪-侏罗纪交界处δ13Corg的范围为-26.3‰到-24.1‰，平均值为-25‰，最大变化幅度为2.2‰。值得注意的是有机碳同位素负偏伴随总有机碳的增加，变化范围为0.01%到0.93%。但是其偏移模式与有机碳同位素变化趋势并没有明显的对应关系。温泉剖面也展示出了相同的特点，在温泉剖面的底部有一个总有机碳埋藏量增加的趋势，但是随后就迅速降低，并且一直保持着比较低的水平，温泉剖面有机碳同位素负偏的模式与总有机碳的变化启示并没有很显著的对应关系，其相关系数仅有0.12（见图1）。

图1温泉剖面有机碳同位素及总有机碳关系图

2.2与全球其他地区有机碳同位素变化对比

奥地利剖面δ13Corg的分布范围为-32‰到-24‰，最大负偏量可以达到4-8‰，与英国、意大利和奥地利等多个剖面的数据对比来看，温泉剖面有机碳同位素变化范围较小。在欧洲地区的岩石热解证据和生物化石方面的证据都指出，几乎所有的欧洲区域的代表性剖面上有机质的类型都发生了十分明显的变化，从早期的以浮游植物为主的有机质类型转变为以陆源植物为主的有机质类型。之前学者将欧洲大部分跨越界线的剖面上极高的总有机碳与主要的碳同位素负偏量都归因于海平面升高所造成的有机质类型转变的结果。但是羌塘盆地温泉剖面的数据却显示，无机碳同位素和有机碳同位素变化不同步的现象，这样的情况在意大利和匈牙利的剖面上都有发现。这说明碳同位素的异常变化不能简单的由海侵作为解释，这时的古海洋和大气的碳库必定发生了较大的碳转移。

2.3造成有机碳同位素异常的原因

干酪根的母质组成对于有机碳同位素的影响主要体现在原始母质中陆源植物和海相植物的相对比例不同。在欧洲地区代表性界线剖面上，研究者认为有机碳同位素的极高负偏是由于海平面的升高造成的，海平面升高之后大量的陆源植入进入到海水中，造成了更负的有机碳同位素值。另外，陆源高等植物能够贡献较高的总有机碳值，这种随岩性转换发生的负异常与较高的总有机碳在欧洲区域几乎成为了一个既定的模式。但是在羌塘剖面温泉剖面上，海平面确实有波动变化，但是干酪根的母质中浮游植物占有绝对的优势，这可能是温泉剖面整体总有机碳值并不高的原因之一。由此可以推断出干酪根母质组成并不是造成温泉剖面碳同位素偏移的原因。

二氧化碳和甲烷等温室气体进入到海洋和大气环境中，也是碳同位素负偏的重要原因。三叠纪-侏罗纪过渡时期的二氧化碳来源异常直接指向中大西洋大火成岩省火山事件释放的轻碳同位素，或者是同期从洋底甲烷水合物释放的甲烷气体。还有学者认为二氧化碳来源不仅仅是火山作用的结果，还有可能是沉积物中有机质的厌氧降解产生的轻碳。羌塘剖面有机质类型整体以海洋浮游植物为主，这与海洋环境变化息息相关。其中温度的变化对于生物的影响十分重要，温度的升高能够明显促进植物的光合作用速率，在三叠纪-侏罗纪过渡时期存在一个高温的现象，这是浮游植物趋于繁盛，光合作用优先吸收轻碳，这时碳同位素出现显著的负偏。所以，温泉剖面三叠纪-侏罗纪交界时期有机碳同位素异常时，二氧化碳和甲烷等温室气体浓度增加所驱动的。

有学者认为，在中大西洋大火成岩省的喷发事件中不仅仅造成了大量的二氧化碳涌入到大气和海洋中，相应的火山活动还会促使洋底天然气水合物裂解释放出大量的甲烷和二氧化碳。大量的轻碳从洋底进入到海洋环境中，引起了海洋碳同位素的下降。甲烷具有极负的碳同位素，完全可以让碳同位素在短时间内发生大幅度的负偏。同时，甲烷在水中可以被氧化，形成富轻碳的二氧化碳进入到大气中。这一说法在奥地利和北美地区得到了众多研究者的支持。

2.4甲烷释放造成的环境变化

根据前人的模型计算得出，三叠纪末碳同位素的负偏归因于中大西洋大火成岩省释放了8000～9000亿t的碳，作为火山成因的气态二氧化碳，随后甲烷水合物储层释放了约5000亿t的碳。另外，从北美东部裂谷盆地的中大西洋大火成岩省玄武岩单元之后的碳酸盐中估算出的二氧化碳分压表明，玄武岩的二氧化碳释放量很大。然而，这种从2个储层中释放碳的模型仅导致外源性碳库约3‰的损耗。观测到的碳同位素负偏可能发生在10-20ky之内。因此，观察到的碳同位素负偏的持续时间与中大西洋大火成岩省相关的二氧化碳释放作为同位素贫化碳的主要来源不相符。一个使用了三叠纪末的边界条件的质量平衡计算模型表明大气中大约8.5‰的13C耗损也可以用大约12000亿t的甲烷释放量来解释。所以甲烷的释放可能是造成在三叠纪末的碳循环扰动的一个原因。中大西洋大火成岩省的产热甲烷和气态二氧化碳的释放启动了全球外源性碳循环的正反馈，导致甲烷从冻土中释放出来。

在三叠纪末生物大灭绝期间注入了12000～38000亿t的碳，对全球的气候产生了深远的影响，跨越这段事件的孢粉学统计数据表明，在这阶段发生了强烈的变暖事件和增强的水文循环与碳同位素负偏的开始直接重合。海洋生物的变化与灭绝与这次变暖事件具有高度相关性，这表明大量的碳释放与相关的气候变化对海洋生态系统具有很强的因果关系。有毒气体的释放可能进一步加剧海洋生态系统的变化。大量的碳释放到海洋中，也会对海洋的酸化产生强烈的影响。并且在三叠纪末生物大灭绝期间，酸化事件可能导致碳酸盐沉淀减少或者溶解，这对于海洋生态系统的稳定性具有很大的影响。

3、结束语

对羌塘盆地温泉剖面有机碳同位素的研究结果表明，在三叠纪—侏罗纪交界时期温泉剖面存在有机碳同位素的负偏，与全球其他地区过渡时期的剖面具有相同的变化特点。根据同位素的值和变化趋势，结合全球当时环境变化特点，得出甲烷的释放可能是造成晚三叠末生物集群式灭绝的初始生物扰动原因。甲烷的释放很可能与中大西洋大火成岩初期的活动有关，相关的火山事件引发了洋底甲烷水合物释放大量甲烷。

参考文献:

[1]陈文西,王剑晚三叠世中侏罗世羌塘盆地的形成与演化[J]中国地质, 2009,36(3):682-693.

[2]王剑,付修根,陈文西,等北羌塘沃若山地区火山岩年代学及区域地球化学对比-对晚三叠世火山-沉积事件的启示[J].中国科学( D辑:地球科学) , 2008(1):33-43.

[3]伊帆西藏羌塘地区三叠_侏罗过渡时期的碳同位素记录及其古环境意义[D].成都:成都理工大学, 2018.

文章来源:王莹,付修根.三叠纪末生物大灭绝期间初始海洋生物扰动事件与甲烷释放之间的关系[J].石化技术,2023,30(09):129-131.