二疊紀(jì)-三疊紀(jì)(P-Tr)之交發(fā)生了顯生宙以來規(guī)模最大、影響最深遠(yuǎn)的生物集群絕滅事件。海洋缺氧、硫化的擴(kuò)大可能是該事件的重要驅(qū)動機(jī)制,但對該時期海洋缺氧的時空分布規(guī)律及控制因素的認(rèn)識還有待深入研究。碳氮是生命體的重要組成元素,其同位素組成(δ~(13)C、δ~(15)N)在地質(zhì)體中的變化是對環(huán)境變化和生命活動的直接響應(yīng),因而是聯(lián)系水體環(huán)境與生物演化的重要紐帶。已有研究表明P-Tr之交的生物絕滅事件伴隨著全球碳氮同位素顯著負(fù)偏。但對不同沉積環(huán)境的研究表明碳氮同位素強(qiáng)烈負(fù)偏存在顯著的空間差異性,這可能與水體氧化還原狀態(tài)有關(guān),但具體的作用機(jī)制尚不清楚。鐵組分-微量元素指標(biāo)是近年來被廣泛應(yīng)用于古海洋局部或全球尺度水體氧化還原狀態(tài)重建的高效手段。在本研究中,我們對華南P-Tr之交不同沉積相剖面—涼風(fēng)埡(碳酸鹽臺地相)、甘溪(斜坡過渡相)、朝天(深水盆地相)剖面開展了Fe-S-C-微量元素綜合研究,并與上寺、峽口剖面進(jìn)行區(qū)域?qū)Ρ?以期對該P-Tr關(guān)鍵期海洋的氧化還原狀態(tài)的空間結(jié)構(gòu)和時間演化進(jìn)行精確重建,進(jìn)一步探討該時期水體化學(xué)的形成機(jī)制。在此基礎(chǔ)上,我們對甘溪、天橋剖面以及聯(lián)合已發(fā)表的朝天、上寺、渡口、太平剖面數(shù)據(jù)開展了C-N生物地球化學(xué)循環(huán)的研究,以期探討這一關(guān)鍵期水體氧化還原狀態(tài)與海洋C-N循環(huán)之間的關(guān)系。這些研究將有助于我們對該時期環(huán)境與生物的協(xié)同演化機(jī)制的理解。本文獲得的主要結(jié)論包括:1、Fe-S-C-微量元素水體化學(xué)重建結(jié)果表明:(1)華南P-Tr之交海洋化學(xué)存在高度空間差異性,即中層水體缺氧硫化與表層和深部水體氧化-次氧化動態(tài)共存。(2)長興期早期硫化水體逐步向深水區(qū)擴(kuò)張,中期深水區(qū)硫化環(huán)境逐步轉(zhuǎn)變?yōu)殍F化環(huán)境,末期缺氧海水?dāng)U張至淺水相,在早三疊世缺氧-氧化水體轉(zhuǎn)向深水?dāng)U張。(3)華南不同沉積相剖面黃鐵礦硫同位素組成(δ~(34)Spy)與水體氧化還原時空波動相對應(yīng):在氧化水體中偏重,低硫酸鹽濃度鐵化水體中偏輕,相對硫酸鹽濃度高的硫化水體中偏重。華南P-Tr時期δ~(34)Spy較大空間差異性表明該時期海洋硫酸鹽含量較低。2、P-Tr之交不同時期控制海洋化學(xué)波動的因素明顯不同:(1)長興期早期深層缺氧硫化水體主要受控于上升流發(fā)育導(dǎo)致的高生產(chǎn)力。(2)長興期末期-早三疊世深層硫化水體向鐵化水體轉(zhuǎn)變則受控于陸源風(fēng)化作用加強(qiáng)導(dǎo)致的高活性鐵通量的增加和海洋中硫酸鹽在前期硫化消耗后的降低。(3)長興期末期-早三疊世深水剖面間歇性的硫化水體主要受控于低海洋硫酸鹽背景下,間歇性火山作用加強(qiáng)導(dǎo)致進(jìn)入海洋的硫酸鹽通量脈沖式的增加。3、碳酸鹽碳同位素(δ~(13)C_(carb))和有機(jī)氮同位素(δ~(15)N)區(qū)域?qū)Ρ妊芯勘砻?華南二疊世末期δ~(13)C_(carb)和δ~(15)N在空間上呈現(xiàn)高度差異性。在吳家坪-長興階界線(WCB)附近,深水相剖面比淺水相剖面更加富集12C和14N,具有明顯的同位素空間梯度(碳同位素梯度可達(dá)7.1‰,氮同位素梯度可達(dá)4.9‰)。長興期中期碳-氮同位素梯度逐漸降低恢復(fù)到現(xiàn)代海洋的梯度,并在長興期末期消失。WCB時期巨大的碳氮同位素梯度表明該時期揚子地區(qū)海洋缺氧分層嚴(yán)重,這與該時期的海洋氧最小帶(OMZ)擴(kuò)張到揚子北緣的深水剖面有關(guān),而隨后碳氮同位素梯度逐漸恢復(fù)正常水平可能與OMZ向深水區(qū)遷移有關(guān);長興期末期碳氮同位素梯度降低,趨于均一化,與該時期OMZ進(jìn)一步擴(kuò)張至透光帶導(dǎo)致深水淺水均廣泛缺氧相對應(yīng);早三疊世生物大絕滅后碳氮同位素梯度有所回升,與OMZ下移相對應(yīng)。4、甘溪剖面海洋氧化還原狀態(tài)波動、總有機(jī)碳與碳氮同位素記錄的對比研究表明水體氧化還原狀態(tài)、生產(chǎn)力及火山活動均對P-Tr之交華南古海洋碳氮生物地球化學(xué)過程具有顯著的控制作用:(1)從WCB-PTB在該剖面成功識別出缺氧硫化-次氧化兩種氧化還原狀態(tài)對碳氮循環(huán)的直接控制。其中,在階段G1、G3、G5中,水體缺氧硫化導(dǎo)致海水中反硝化作用加強(qiáng),硝酸鹽相對匱乏(高C/N),從而形成高δ~(15)N、低δ~(13)C_(org)組成特征。在階段G2、G4、G6中,水體缺氧程度降低,反硝化作用減弱,水體中硝酸鹽較充足(低C/N),從而形成低δ~(15)N、高δ~(13)C_(org)組成特征。PTB和WCB界線附近符合缺氧硫化和硝酸鹽匱乏模式的特征。(2)甘溪剖面δ~(13)C_(carb)長時間尺度變化趨勢主要受控于海洋初級生產(chǎn)力的變化,但在WCB快速負(fù)偏則可能與該時期缺氧分層嚴(yán)重導(dǎo)致深層水體有機(jī)質(zhì)厭氧氧化作用加強(qiáng)有關(guān),在PTB的快速負(fù)偏則可能與該時期火山噴發(fā)釋放大量的CO2到大氣中有關(guān)。(3)地質(zhì)歷史時期C/N和δ~(15)N統(tǒng)計特征表明在硝酸鹽匱乏的海洋中,反硝化速率和固氮速率存在高度的全球時空差異性。當(dāng)反硝化速率大于生物固氮速率時,C/N和δ~(15)N表現(xiàn)為正相關(guān);當(dāng)生物固氮速率大于反硝化速率時,C/N和δ~(15)N表現(xiàn)為負(fù)相關(guān);當(dāng)生物固氮速率與反硝化速率接近時,C/N和δ~(15)N則無相關(guān)性。5、綜合本研究中所獲得的古海洋化學(xué)、碳氮硫同位素數(shù)據(jù),結(jié)合研究剖面已發(fā)表的古生物化石記錄,我們發(fā)現(xiàn):長興期早期深水剖面的硫化水體中化石種類和豐度均稀少,且以缺氧環(huán)境形態(tài)居多,表明海洋生物對環(huán)境變化的直接生態(tài)相應(yīng)。硫化水體與仍存在化石記錄的矛盾可能與該時期短暫的氧化-次氧化水體滲透到沉積物或由于OMZ上下波動硫化水體并未全部滲透到沉積物有關(guān)。隨后長興期中期OMZ帶收縮,盆地相朝天剖面具有豐富的化石記錄再次應(yīng)證了我們所建立的海洋化學(xué)時空結(jié)構(gòu)動態(tài)共存的真實性。生物大絕滅期間,OMZ進(jìn)一步擴(kuò)張到淺層水體,海洋廣泛缺氧、硝酸鹽匱乏與絕大多數(shù)生物徹底消失相對應(yīng),表明該時期海洋缺氧環(huán)境對生物絕滅起著重要作用。生物主絕滅后,水體氧化還原條件逐步好轉(zhuǎn),為相應(yīng)的殘存分子提供了生存空間,但整體恢復(fù)確是一個相對滯后的過程,表明生物延遲復(fù)蘇可能與除缺氧外的其他因素有關(guān)。以上對比分析表明二疊-三疊紀(jì)之交海洋中生物空間分布和演化主要受控于這一時期古海洋化學(xué)的時空波動。

   【文章頁數(shù)】：153 頁

本文編號：1429265