刘牧等-EPSL:奥陶纪末海洋缺氧与生物大绝灭

导读刘牧等-EPSL:奥陶纪末海洋缺氧与生物大绝灭地球生命的演化兴衰往复,跌宕起伏,生物所赖以生存的苛刻环境和条件显得地球的宜居环境(气温、氧气等)弥足珍贵。但地球漫长的历史长河里,似乎有一只手常常弹起环:https://www.cqtvs.com/c/tansuo-10.html

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地球生命的演变跌宕起伏,跌宕起伏,生物赖以生存的恶劣环境和条件造就了宜居环境(温度、氧气等。)的地球珍贵。然而,在地球的历史长河中,似乎一只手常常弹奏着环境波动的琴弦,却奏出了生命的挽歌和绝唱。显生宙发生了五次生物集群的全球大灭绝。奥陶纪末的第一次洛美晚奥陶世大灭绝是显生宙的第二次大规模灭绝事件。在不到2Myr的时间里,全球约85%的海洋生物物种彻底告别地球生命舞台。那么,到底是什么导致了这场灾难?

近年来研究发现,奥陶纪末期的生命灭绝可分为两幕,分别受不同的灭绝机制控制:第一幕灭绝(LOME-1)发生在卡提期和赫南提期之交,当时气候正迅速变冷,冈瓦纳的冰川迅速向低纬度扩张,海平面迅速下降,最终导致大灭绝;第二幕灭绝(LOME-2)发生在埃尔南德斯中晚期。此时,随着气候的快速变暖,大陆冰川迅速融化,冰川融水携带大量大陆风化营养物质进入海洋,促进了初级生产力的飙升,进一步导致浅海区域耗氧量增加和缺氧加剧,再次打击了刚刚适应冷水环境的海洋“机会主义者”(以赫尔南德斯动物群为代表)。然而,过去对洛美协定的研究主要集中在陆架-斜坡区有机质沉积丰富的古海洋环境的变化,缺乏对全球海洋氧化还原环境变化的制约。因此,洛美时期全球海洋氧化还原特征的特征、重要时间节点及其与生命兴衰的关系尚不清楚。

为解决上述问题,中国科学院地质与地球物理研究所新生代地质与环境重点实验室博士后刘牧、陈代昭、姜磊与耶鲁大学Noah Planavsky教授、斯坦福大学Richard Stockey博士、中国地质大学(武汉)严德田教授等合作。,在中国南方川滇交界的大凉山腹地发现了一条连续的浅水碳酸盐剖面——“乌科”剖面,完整地记录了晚奥陶世末期生物的幕式演化。然而,由于奥陶系-志留系界线地层序列是基于浮游笔石生物群确定的,因此很难与缺乏笔石的浅部碳酸盐岩地层进行对比。因此,他们通过古生物演化序列与典型界线剖面的旋回地层和碳同位素地层对比,建立了该剖面的奥陶系-志留系界线地层格架,并通过铀同位素地球化学变化和数值模拟,明确了洛美时期全球海洋缺氧面积变化与生物演化衰退的关系。

晚奥陶世末期,受沉积相控制,华南主要发育富含有机质的黑色页岩,河南期仅短暂发育少量碳酸盐沉积。另一方面,在乌科剖面中,不仅出露连续的上奥陶统碳酸盐岩地层,还出露典型的晚奥陶世浅水底栖生物化石、已灭绝的微生物岩石(凝块、晶核等。)和冰后期暖水生物得以保存(图1)。在此基础上,将乌科剖面奥陶系顶部识别出7个典型沉积旋回与万和剖面进行了对比,万和剖面是一个深浅过渡剖面,笔石生物群约束良好。同时结合碳同位素地层学(图2),准确建立了乌科剖面奥陶纪时代地层格架,为后续研究华南洛美期生物与环境的相互作用奠定了基础。

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图1乌科剖面洛美相关层位的生物演化记录。(a)上奥陶统铁祖菲克组的顶部记录了来自富Hirnantia的记录?物种或Triplesia sp。腕足动物碎片逐渐向上过渡为微生物凝块;(b)和(c)典型的微生物岩石(凝结物和有核岩石)出现在埃尔南德斯阶段;(d) Lambeophyllum(略高于微生物岩或侧向过渡),一种暖水型四珊瑚,出现在铁祖菲克组顶部

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图2河南阶顶部和底部乌科剖面与GSSP剖面王家湾和杜氏林碳同位素地层对比图

海洋碳酸盐矿物保存的238 u/235 u(δ238 u)铀同位素比值常被用来追踪地球历史上关键生物事件期间全球海洋氧化还原环境的变化。一般来说,在低温缺氧水体系中,U(VI)会被还原成不溶性U(IV),其中较重的同位素238U倾向于沉淀到沉积物中富集,从而降低海水的δ238U。碳酸盐矿物可以记录当时δ238U的海水信号,作为推断全球海洋缺氧面积变化的依据。基于此,研究团队选取碳酸盐晶格中的δ238U信号作为重要参考指标(图3),结合多源U同位素系统的质量平衡模型,识别出晚奥陶世末的两次全球大洋缺氧事件和一次(早期Hernandez)充氧事件(图4)。

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图3乌科剖面奥陶系-志留系界线剖面岩柱、重要地球化学指标及生物特征示意图,其中红色曲线为黄土平滑校正后的U同位素值

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图4基于三元U同位素模型的晚奥陶世末全球大洋缺氧硫化物区(feux)演化结果。

第一次缺氧事件发生在凯蒂晚期,早于LOME-1事件和明显的气候变冷;第二阶段发生在埃尔南德斯中晚期,与洛美-2同步。这是一个短暂的海洋氧化事件,与埃尔南德斯冰期的快速发展相吻合,直到其顶峰。这项研究将其命名为氧化“闪光事件”。这一发现不仅挑战了显生宙海洋长期被氧化的传统观点,也表明海洋缺氧作为奥陶纪末大灭绝的驱动机制比以前的认识更加复杂,即在凯蒂晚期的第一次缺氧事件中,生物的灭绝率并不高;相比之下,与洛美-2同时发生的第二次缺氧事件导致了生物的大范围灭绝。得出的结论是,这是因为两次事件中海底缺氧的主要区域不同:第一次集中在深海,由于栖息生物种类和体积较小,对生态系统影响不大;而第二缺氧水体扩展到生物定居丰富的陆架区,最终导致浅海底栖生物大量死亡。

该研究成果发表在(,陈代昭*,姜磊,Stockey R G,Aseal D,张B,,杨X,严D,Planavsky N J. 2022。奥陶纪晚期的海洋缺氧与灭绝[J].地球和行星科学快报,2022,588: 117553。DOI:10.1016/2022.117553)

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美国编辑:陈菲菲

校对:张腾飞蒋雪娇

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