二叠纪一三叠纪之交(PTB)发生了显生宙以来地球历史上最大的一次生物危机。过去几十年中,对于此次事件的研究一直是地学界的热点问题。但是对大绝灭的原因还存在很大争议。近几年随着研究深入,大量证据表明大规模火山喷发与这次生物大绝灭事件密切相关,但是火山作用具体对海洋环境和生物如何产生影响?在这一点上还研究不够,其地球生物学机理和过程也不清楚。在该过渡时期,全球范围内,特别是华南板块广泛发育多层火山灰粘土岩沉积(由火山灰成岩转变而成)。之前的研究工作主要集中于对这些粘土岩的区域分布、年龄测试以及特殊矿物研究,缺乏晚二叠世生物大灭绝(LPME)和早三叠世生物复苏期间,火山作用对海洋环境和生物直接联系等方面的报道。本文选取华南四条有良好火山灰粘土岩记录的深水相剖面,在已有的高精度年龄框架下,采用地层学、沉积学、古生物学、地球化学等多学科手段,通过高精度(厘米级采样密度)分析,探讨火山作用对古海洋环境(海洋生产力、海洋氧化还原环境、海洋碳循环等)和生物的影响。在其基础上,综述了全球十四个剖面古海洋生产力的长尺度(跨度从晚二叠世到中三叠世,约二十个百万年)变化,并探讨了早三叠世生物缓慢复苏的可能影响因素。本文通过对华南三个相对深水剖面(东攀、新民、峡口)的矿物学、地球化学以及古生物学资料综合研究发现：二叠纪一三叠纪之交,华南广泛发育的火山灰成因粘土岩在野外具有明显特征：常呈灰白色或者绿色、粒度细小、硬度小。火山灰粘土岩中的矿物主要以粘土矿物特别是伊利石为主,含非常少量的方解石和石英,并富含亚铁和顺磁性矿物(粘土岩中磁化率MS值高)。高温石英和锆石等火山成因特征矿物在粘土岩中广泛发育。在地球化学组成上,富含铝(A1)、铁(Fe)、钍(Th)、锆(Zr)等元素,具有明显铕负异常(Eu/Eu*)、轻稀土(LREE)和中稀土(MREE)亏损等特征。火山灰粘土岩中有化学风化指标(CIA)的峰值,高黄铁矿含量以及明显铈正异常(Ce/Ce*)。这些特征表明在火山作用过程中,陆地表面化学风化作用很强,同时水体环境更加还原。这可能是由于火山作用带来大量HC1、SO2等酸性气体进入大气,形成酸雨,导致陆地表面化学风化作用加强,使得进入海洋的营养物质增多。在短时间尺度内,大量营养盐的注入,可以促使初级生产者繁盛。高的初级生产力会形成大量有机质沉降到水体中,有机质的分解需要消耗大量的氧气,使得海水中氧气浓度降低,这在长时间尺度上导致海洋水体更大规模的恶化(更加还原),引起生物量减少。虽然现代火山活动对地球表层系统影响的研究很详细。但在地质历史上,火山作用对海洋环境特别是海洋生物影响的研究报道不多。很多学者认为晚二叠世生物大绝灭是火山作用引起一系列环境因素变化而造成,但是火山事件具体作用于海洋生物的地球生物学过程还不清楚。本研究在大量古生物和地球化学资料基础上,首次探讨了火山作用对海洋生物和环境的直接影响。基于上文“长尺度”(大于一个百万年)火山作用对海洋环境的影响,本文进一步开展了高精度、短尺度研究。研究主要集中在二叠纪—三叠纪界线附近的层位(Clarkina yini带上部到Hindeodus parvus带),时间间隔约为五十万年。通过对古生物化石(疑源类和放射虫)的定量统计发现,在正常硅质或钙质沉积—火山灰粘土岩—黑色泥岩的“三明治”结构中,不同类型的岩层中具有不同的化石记录：火山灰粘土岩中几乎没有生物；火山灰粘土岩上面的黑色页岩中,含有更多初级生产者(疑源类和藻类),缺乏消费者(放射虫)；正常沉积的硅质或钙质沉积中生产者(疑源类)和消费者(放射虫)都有发现。这可能是由于火山作用对不同海洋生物的差异性影响所致：火山灰带来大量营养物质,可以促使初级生产者(疑源类)繁盛；但是其带来的大量其他物质会导致海水毒化、酸化以及水体浑浊,这些改变可能对浮游动物(放射虫)产生抑制作用。因而,在火山灰粘土岩上面保存的黑色泥岩中富含生产者(疑源类)而消费者(放射虫)很少。火山活动结束之后的一段时间,海洋环境变得正常(对应的沉积物为正常的硅质或者钙质沉积),生产者和消费者的丰度都维持在正常生态水平。随着火山喷发强度和频率加大(火山灰出现的频率和单层厚度加大),在晚二叠世末期生物大绝灭界线处,海洋环境变得极端恶化,大量的海洋生物发生了大规模消亡。下三叠统大量短刺疑源类呈高丰度低分异度分布,这可能是由于环境恶化,海洋表层生产者类型发生了改变所致。在二叠纪—三叠纪之交,全球范围内发生了显著的碳同位素负漂。很多研究认为碳同位素的负漂与火山作用有关,但是火山作用和碳同位素变化之间的直接联系缺乏报道。本研究发现在华南板块北缘剖面(峡口剖面)和南缘剖面(新民剖面)记录中,火山灰粘土岩和碳同位素(无机碳δ13 Ccarb和有机碳同位素δ13 Corg)负漂有很好的对应关系。火山灰粘土岩层都对应着碳同位素负漂,并且火山灰的厚度和同位素负漂幅度(△δ13C)有很好的正相关性。通过对比发现,新民剖面中有机碳同位素负漂幅度(△δ13 Corg)比峡口剖面中无机碳同位素负漂幅度(△δ13 Ccarb)要大(A513Corg约为6‰,△δ13 Ccarb约为2‰)。这可能是由于火山作用释放出大量的轻CO2,以及岩浆上升过程中加热周围沉积物中的有机质,使有机质分解释放出大量轻C02和甲烷气(CH4)所导致的。这些富含12C的物质(CO2、CH4)首先进入大气碳库并影响海洋表层生产者(固碳来源是表层海水和大气中的碳),使得有机碳同位素负漂。而后轻碳物质进入海洋,导致整个海洋无机碳库变化(无机碳同位素负漂)。无机碳和有机碳同位素与火山作用的耦合关系说明,华南发育的多层火山灰粘土岩对整个大气和海洋碳库(无机碳同位素的变化)都有很大的影响。但这种影响仅仅是局限于特提斯地区还是全球范围,以及火山灰是来自华南的区域性火山喷发还是西伯利亚的大火山岩省活动还值得进一步的研究。关于二叠纪—三叠纪过渡时期的古海洋环境(海洋生产力和氧化还原)变化一直存在很大争议。对本文选取的四个半深水—深水相剖面的对比研究发现了不同海洋深度的环境变化：1)四个研究剖面的数据都表明,从绝灭前到绝灭后,海洋初级生产力都是降低的,这说明至少在华南地区,二叠纪—三叠纪的生物大绝灭是从生物链底层(生产者)就出现了“崩溃”。生产者的衰退可能是生物链上层生物丰度和分异度降低以及小型化的—个原因。2)通过详细对比不同深度的三个剖面(剖面由浅到深依次为：峡口剖面、新民剖面、东攀剖面)水体氧化还原变化发现：LPME附近,东攀剖面整体是氧化的环境,新民剖面主要是次氧化的沉积环境,而峡口剖面整体是还原的环境。这种氧气含量的差异性说明海洋环境的缺氧不是从深水逐渐往浅水进行的。而是位于“半深水”的地区(相当于二叠纪—三叠纪之交古特提斯洋的“氧气最小带”,OMZ)最缺氧,由OMZ中心区域(峡口剖面)往下到新民剖面和东攀剖面,水体逐渐变氧化。这种不同沉积相区氧化还原环境变化说明,二叠纪—三叠纪之交海洋水体的氧化还原变化更可能是由于处于半深水的OMZ范围变化,而非一般认为的整个深部海洋缺氧所导致。这种海水氧化还原环境的变化还反映在东攀剖面记录中具有水深分布的四个放射虫目的绝灭模式上：深水放射虫目(例如生活在300至500 m水深的阿尔拜虫目)早于浅水放射虫目(生活在透光带中的泡沫虫目)绝灭,这也指示海洋环境是从半深水区域的OMZ开始扩张,向上下逐渐影响海洋环境和生物。二叠纪—三叠纪过渡时期的生物事件一直是地学界的研究热点：晚二叠世生物大灭绝是地球历史上生物绝灭事件中规模最大的一次；危机之后早三叠世生物复苏事件也是地球历史上显生宙以来最为漫长的一次,其复苏时间持续了整个早三叠世,约五个百万年。很多假说被用来解释早三叠世生物缓慢复苏的起因和海洋环境的波动,但对具体的复苏过程和机制还存在很大争议。在上述研究的基础上,笔者综合大量的地球化学数据,对从中二叠世到早三叠世晚期为期约二十个百万年长尺度古海洋环境进行反演。通过分析全球范围内的十四条剖面数据得出：1)沉积速率从晚二叠世到早三叠世整体是升高的,这可能是由于火山作用引起环境变化而导致陆地化学和物理风化作用加剧；2)从长兴阶到格里斯巴赫阶(Griesbachian),沉积物中各项指标显示,全球大部分地区海洋生产力都是升高的,但是华南地区却是降低的。控制华南和全球其他地区海洋生产力变化差异性的机制还不是很清楚：a)可能是由于华南地区海洋表层初级生产力演变和其他地区不一样,其值从晚二叠世末期到早三叠世初期确实是降低的；b)或者是华南地区在晚二叠世生物大绝灭后,海洋表层初级生产力没有明显变化或者反而升高,但是由于表层进行光合作用的生产者种类发生了变化(由晚二叠世个体大的藻类和疑源类转变为早三叠世个体小的疑源类和蓝细菌),导致输出生产力占海洋表层初级生产力的比例更低。其具体机制还有待于进一步研究。3)早三叠世火山活动对海洋环境的影响与二叠纪一三叠纪过渡时期相似：火山强度、碳同位素负漂幅度、沉积速率、海洋生产力、海水表面温度等峰值以及更还原的海洋水体有很好的对应(例如,在Griesbachian和Smithian出现大的变化)。这些记录之间的耦合性说明早三叠世火山活动也对海洋系统产生一系列影响：火山活动带来大量轻碳物质导致海洋碳同位素波动；火山活动引起大气CO2浓度升高,会引起全球范围的温室效应,导致海洋表面海水温度升高；火山活动带来的大量营养物质可以促使海洋表层生产力的升高；大量有机质的形成和沉降可以使海洋水体还原条件加强。多期次火山活动可能是早三叠世海洋环境波动和生物复苏缓慢的一个因素。