上扬子地区P-T之交地质事件与生物大灭绝原因探索

**章　绪论 **节　研究意义 近几十年来，人类生活的地球其表面生态环境开始发生剧烈变化，如气候变暖，环境污染和恶化，生物的生存繁衍活动范围缩小及大量的物种急剧消失和灭绝等，从而使众多生物、地质和环境科学家如Barnosky等(2011)都惊呼“地球上正在发生生物演化历史上的第六次大灭绝事件”。当今这一生物物种高速、大规模灭绝事件是人类在社会活动中不爱惜地球和环境而导致地球大气圈和水圈CO2浓度升高、有害物质污染生态环境等人为因素造成的？还是地球演化历史中生物进化过程的“正常”更替现象？其结果会给人类生活带来什么样的影响？人类和其他生物物种之间如何共处和协调发展？这些问题目前已成为地球科学研究和环境科学研究所面临的重大科学问题。 在地质历史演化进程中，自显生宙以来已知共发生过五次生物物种大规模灭绝事件(图1-1)，其时间点分别为寒武纪末期、奥陶纪末期、泥盆纪晚期(为晚泥盆世中期的F—F)、二叠纪末期和白垩纪末期。是什么原因引起这五次生物大灭绝事件(沈树忠和张华，2017)？尤其是在二叠纪末期即二叠纪—三叠纪之交(以下简称P—T之交)的生物物种大规模灭绝事件中，在大约0.5Ma(megaannus，百万年)的时间内有超过90%的海洋生物灭绝和绝大多数陆生植物集群灭亡，这一事件也被称为PTB界线生物大灭绝事件(Raup，1979；Sepkoski，1989；Visscher et al.，1996；Ward et al.，2000；Bowring et al.，1998)。寻找什么原因造成P—T之交短时间内全球生态环境急剧变化和生物大规模灭绝，已成为地质学家、古生物学家，乃至生命学家和环境学家长期以来持续研究的热门重大科学问题(杨遵仪等，1991)。不同的学者从不同的角度提出了不同的P—T之交生物大灭绝事件的原因假说(Renne et al.，1995；Wignall et al.，1998；Hallam and Wignall，1999；Becher et al.，2001；Retallack，2001；Kump et al.，2005a，2005b；Sheldon，2006)，以期合理解释这一重大地质事件的原因。因此，科学家准确地认识地球上现今正在发生的生物灭绝事件的原因，对地球演化历史中曾经发生过的生物大灭绝事件进行深入研究，是解决这一科学问题的金钥匙，其中对P—T之交所发生的生物大灭绝事件的原因进行探索，可为解决这一问题提供*有力的帮助。 第二节　国内外P—T之交生物灭绝事件研究现状 自20世纪80年代以来，科学家们即热衷于研究P—T之交生物灭绝事件与地球演化历史中曾发生过的重大地质事件和古环境变化之间的关系，在众多已公布的研究成果中，有许多有关生物灭绝与重大地质事件和古环境相关的科学假说，每一种假说都力图阐明这些重大地质事件与生物大灭绝事件之间的因果关系。其中有影响力的假说可分为地外事件和地内事件两大类，地外事件仅表现为星球撞击事件，而地内事件又可细分为地球内动力事件和地球外动力事件两个主要类别，地球内动力事件包括板块构造运动、火山喷发和CO2放气作用等事件，地球外动力事件包括海平面下降事件、海洋贫氧事件、海洋酸化事件、甲烷水合物(可燃冰)释放事件和大陆风化事件等。有意思的是，地内事件中各种内动力与外动力地质事件在成因上往往有着不可分割的关系，其中有些地质事件已得到证实且已被确认，但也有一些事件属于推测和假说，其由于证据不够充分而存在争议。以下重点介绍对地学界影响较大并被部分研究者所接受的几个主要观点和假说。 一、星球撞击事件 星球撞击事件又称为陨石撞击事件(图1-2)，在以晚白垩世恐龙大灭绝事件为代表的生物大灭绝事件中，陨石撞击地球已被确定为引起恐龙大灭绝事件的主要因素(Alvarez et al.，1980；Sepkoski，1982，1989)，因而在研究和解释P—T之交生物大灭绝事件原因时，该事件自然而然地被部分研究者所借鉴，如Bohor等(1984，1987)在借鉴恐龙灭绝事件的原因后认为，P—T之交地球表面的海洋和陆地生物同时大规模快速消亡和灭绝是由来自地外的陨石撞击地球即地外地质事件所致，并提出一系列陨石撞击说的地外事件证据，这些证据主要包括如下几个方面。 (1)发育在P—T之交生物灭绝界线上的黏土层中，存在陨石撞击地球时所形成的相关元素、矿物和气体，如异常富集的铱(Ir)元素、冲击石英及铁质微球粒等，这些都是地外陨石撞击地球事件的地质证据。其中基于铱是宇宙元素且其在地球上的含量和背景值都非常低，因而在晚白垩世末期的黏土层中于全球范围内广泛出现的铱元素富集异常，被认为是陨石撞击地球时由地外陨石造成的，其由此也成为陨石撞击地球是造成包括恐龙灭绝事件在内的晚白垩世生物大灭绝事件的*有力证据。但是，P—T界线附近黏土层中的铱含量很低，均在地球正常背景值的范围内，虽然个别样品的铱含量分析数据很高，但是这些样品异常高的铱含量分析数据在其他研究者的相关实验中均无体现，就连依据铱元素含量异常提出陨石撞击说观点的研究者，也没能重复出曾经得出的实验结果。因此，在P—T之交黏土层中测出的所谓异常高的铱含量被认为是由与测试方法或测试仪器精度有关的实验误差所致。又如Xu等(2007)利用同位素稀释电感耦合等离子体质谱法和火试金法等高精度测试方法，对浙江长兴煤山剖面生物灭绝界线上的黏土层进行了测试，也未发现任何铱异常。这些证据表明P—T之交并不存在由陨石撞击地球造成的铱异常，从而引起人们对这一假说的怀疑。 (2)有些学者根据主量元素、微量元素和稀土元素地球化学特征，建立了火山事件与陨石撞击地球事件的混合模式(何锦文，1985；周瑶琪等，1990；Chai et al.，1992)，然而更多的研究者将同样的微量元素和稀土元素分布模式及相关的一些地球化学参数用于支持火山喷发事件的成因模式(Clark et al.，1986；Zhou and Kyte，1988)。 (3)冲击石英也是陨石撞击说的关键证据之一(Bohor et al.，1984，1987)，但在P—T之交界线地层的黏土层中偶尔发现的“冲击石英”之成因仍存有争议，如在研究二叠系—三叠系界线地层不同剖面时所发现的石英，主要分布在蚀变的凝灰岩中，类型为火山成因的六方双锥石英，是中酸性火山喷发活动的产物(殷鸿福等，1989)，并非陨石撞击地球时形成的冲击石英。虽然有研究者在南极Graphite Peak和澳大利亚Wybung Head地区等几个地方，曾发现二叠系—三叠系界线地层中存在冲击石英，但其颗粒小(176μm)，含量很低，仅0.2%(体积分数)，远小于K—E界线黏土层中的冲击石英含量(约50%)。之所以含量较少，被认为与“撞击点溅射物被正常的沉积物稀释”有关(Retallack et al.，1998；Becher et al.，2004)。然而Langenhorst 等(2005)对上述在澳大利亚和南极洲发现并被报道的“冲击石英”进行更深入的研究后发现，这些“冲击石英”其表面的面状变性纹理并非由“冲击”造成，而是地内构造运动的产物。因此，P—T界线附近所谓的“冲击石英”并不能支持陨石撞击说。 (4)微球粒是陨石撞击说的又一关键证据(何锦文，1985；高振刚等，1987)，Basu等(2003)在对南极洲Graphite Peak剖面二叠系—三叠系界线地层的研究中发现了大量球粒状碎片，根据其元素含量比值及Fe、P和S等氧化相元素的化学组成，认为这是陨石撞击地球时产生的熔融溅射物即CM型球粒陨石。在浙江长兴煤山剖面二叠系—三叠系界线地层的黏土层中也发现有大量的微球粒，在*初的研究中研究者根据其形貌特征也将其确定为陨石撞击熔融溅射物，但随着研究的深入，其已被重新确定为火山喷发物，即地内成因(Yin and Tong，1998；Yin et al.，2007)，因而界线附近黏土层中的微球粒也不能有效地证明陨石撞击说。 虽然以上所描述的各种陨石撞击说的证据在不同程度上都存在争议，而且各种假说的每个依据仍不够充分且存在争议，特别是有些重要的证据因受到部分研究者的质疑而被否定，陨石撞击说的研究结果并未得到更多研究者的支持，但其所代表的重大地外事件的灾难性效应，仍然是科学家们*重要的假说依据和*感兴趣的科学问题。 二、火山喷发事件 全球性大规模火山喷发事件可引起生物大灭绝事件的观点，早在1989年就被提出(殷鸿福等，1989)，目前已逐渐成为各国相关研究领域内学者的主流观点和前缘研究热点(Wignall，2001)。大规模火山喷发活动可将地球深部大量的物质喷发到地球表面(图1-3)，使地球表面环境产生巨大变化，从而引起地球表层水圈和大气圈中的生态系统在短时间内发生剧烈变化，造成生物的生存环境急剧恶化，引起生态系统崩溃，以及生物大规模集群死亡和灭绝。分析地质历史中生物大灭绝事件与地层中记录的火山喷发事件的关系后发现，二者在发生时间上的确存在良好的一致性，特别是发生在P—T之交的生物大灭绝事件，其与西伯利亚大火成岩省通古斯玄武岩的喷发在时间上具有完全对应的关系。因此，火山喷发事件与生物大灭绝事件被众多研究者所瞩目。西伯利亚通古斯玄武岩是显生宙以来规模*大的大陆溢流玄武岩喷发活动的产物，其分布面积大，东西延伸长度可达4000km，南北分布宽约3000km，体积可达7×107km3(Courtillot et al.，1999)。西伯利亚通古斯玄武岩其分布范围和喷发体积如此庞大，很可能是超级地幔柱的产物(Nikishin et al.，2002；Saunders et al.，2005)。西伯利亚通古斯玄武岩喷发强烈，具有分布范围极大和爆炸式喷发的特点，甚至在P—T之交距离西伯利亚很远的日本西南部，在深海相的二叠系—三叠系界线附近的黑色黏土层中也发现了细粒基性火山碎屑，地球化学分析结果显示，其来源和成因与通古斯玄武岩的喷发活动密切相关，应该是来自西伯利亚大陆溢流玄武岩，并代表了P—T之交泛大洋残片的深海沉积物(Ishiga et al.，1996；方宗杰，2004a，2004b)。Kamo等(1996，2003)对Maymecha-Kotuy火山岩系列的系统研究结果将西伯利亚通古斯玄武岩喷发活动的时间约束在(251.1±0.3)～(251.7±0.4)Ma，持续时间约0.6Ma，主喷发期与浙江长兴煤山剖面中25层由火山灰蚀变而成的黏土层的年龄［(251.4±0.3)Ma］完全一致(Bowring et al，1998)，与生物大灭绝事件在时间上也完全吻合(Jin et al.，2000)。受这些研究成果的启示，我国西南地区与P—T界线在时间上较为接近的峨眉山玄武岩喷发事件也引起众多研究者的关注，不过，仅就目前已公布的资料而言，无论是生物地层资料还是放射性同位素地层测年资料(特别是峨眉山玄武岩喷发期始于茅口期末，约258Ma，由放射性同位素测年法得到的绝对年龄资料分布于251～259Ma，跨度较大)(Lo et al.，2002；Ali et al.，2005；Zhou et al.，2002；范蔚茗等，2004；彭冰霞，2006)，在时间上都相距P—T界线较远，因缺少直接的证据而都不支持峨眉山玄武岩火山喷发事件与P—T之交生物灭绝事件之间有必然关系。因此，需要更精确地圈定峨眉山玄武岩喷发时间的分布范围，确定峨眉山玄武岩喷发与P—T界线在时间上是否具有一致性，这样才能进一步讨论上扬子地区峨眉山玄武岩喷发事件与P—T之交生物大灭绝事件之间的关系。 图1-3　地球表面大规模的火山喷发活动 在我国华南地区P—T之交的地层中也发现了多层火山碎屑岩，连同浙江长兴煤山剖面25小层附近的黏土岩在内，基本上都已被证实为中酸性火山喷发活动的产物(Zhou and Kyte，1988；殷鸿福等，1989；Yin et al.，2007)，分布