二叠纪-三叠纪之交华南浅水碳酸盐岩台地环境变化过程及其成因研究

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二叠纪-三叠纪之交是地球生命演化历史上一个重要的变革时期,发生了显生宙最大的生物大灭绝事件。由于热带浅海区域生物最为繁盛,在这次生物大灭绝事件中遭受的打击最为严重。因此,热带浅海区域生物大灭绝事件与环境变化之间的关系一直是当前国内外学者关注的热点研究内容之一。前人对热带浅海区域生物大灭绝事件进行了大量的研究工作,但是在环境变化方面开展的研究工作还相对薄弱和存在争议。本文选择在华南浅海区域广泛分布的微生物岩剖面,开展高分辨率的元素地球化学、草莓状黄铁矿,黄铁矿化化石和硫同位素等研究工作,探讨二叠纪-三叠纪之交华南浅海区域环境变化过程及其可能的原因。二叠纪-三叠纪之交陆地生态系统崩溃以两幕式的陆地植被破坏为特征。为了探讨两幕式陆地植被破坏导致的陆源输入加强对浅海区域的影响,本论文对离康滇古陆较近的,容易受到陆源碎屑物质输入影响的重庆老龙洞剖面进行高精度采样,开展主量元素、微量元素和稀土元素等的研究工作。老龙洞剖面的主量、微量和稀土元素清晰地记录了二叠纪-三叠纪之交生物大灭绝前后浅水碳酸盐岩台地环境陆源输入的变化过程。大灭绝界线之上的微生物岩与大灭绝界线之下的生物碎屑灰岩相比,陆源输入通量分别提高3.9倍(Al2O3),3.9倍(Th),2.4倍(Sc),和2.0倍(∑REE),而微生物岩之上的泥岩与大灭绝界线之下的生物碎屑灰岩相比,陆源输入通量分别提高88倍(Al2O3),86倍(Th),92倍(Sc),和51倍(∑REE)。因此,老龙洞剖面记录的陆源输入加强表现出两幕式的变化,第一幕从大灭绝界线之下的生物碎屑灰岩到大灭绝界线之上的微生物岩,陆源输入通量提高了~2到4倍,第二幕从微生物岩到微生物岩之上的泥岩,陆源输入通量提高了~20到40倍。老龙洞剖面记录的两幕式的陆源输入加强过程与陆地植被的两幕式破坏过程相对应。老龙洞剖面元素地球化学证据为二叠纪-三叠纪之交陆地系统破坏导致的陆源输入通量加强对浅海区域的影响提供了直接证据。海水缺氧常被认为是二叠纪-三叠纪之交生物大灭绝的重要原因之一,但是对于浅海区域水体氧含量变化及其与生物大灭绝之间的关系,还存在很大的争议。为了进一步探讨二叠纪-三叠纪之交浅水区域水体氧含量变化,本论文详细地分析了贵州边阳打讲剖面草莓状黄铁矿的粒径分布。打讲剖面草莓状黄铁矿的证据表明大灭绝之后贫氧的水体扩张到了浅水碳酸盐岩台地环境中。结合浅海区域其它剖面草莓状黄铁矿的粒径分布,大灭绝之后的水体氧含量降低广泛地出现在位于赤道附近的华南板块的浅水碳酸盐岩台地环境中。综合华南板块由南向北的打讲剖面、慈利剖面和老龙洞剖面草莓状黄铁矿和碳同位素变化的证据,表明缺氧海水上翻对浅海区域产生的影响存在差异性。本论文首次报道了重庆老龙洞剖面的一个特殊的黄铁矿化化石群,并且发现这个黄铁矿化化石群的出现和消失与微生物岩的出现和消失密切相关,可能指示了生物大绝灭后浅海区域特殊的古环境条件。老龙洞剖面的黄铁矿化化石群只出现在微生物岩中,主要化石种类包括蠕虫虫管,腹足类,小有孔虫(Rectocornuspira sp.和Earlandia sp.),介形虫和小型双壳类等。在微生物岩之上的钙质泥岩中,黄铁矿化化石突然消失了,只含有少量未黄铁矿化的介形虫化石。老龙洞剖面Uauth,Vauth,Moauth,δ34SCAS和δ34Spyrite的证据表明,黄铁矿化化石群是生物大灭绝后特殊古海洋化学条件的产物。这些特殊的古海洋化学条件包括,海水低的硫酸盐浓度,水体贫氧,孔隙水中富含溶解Fe。西伯利亚大火成岩省喷发被认为是二叠纪-三叠纪之交生物大灭绝的最终诱因,华南强烈的中酸性火山喷发在这次生物大灭绝中的作用常常被忽视。为了探讨华南火山作用对浅海区域环境的影响及其在生物大灭绝中的作用,本论文对湖南慈利剖面和广西作登剖面进行高精度采样,开展主量元素、微量元素和稀土元素等的研究工作。受陆源输入影响较小的作登剖面的Eu正异常在时间上的变化清晰地表明Eu正异常的普遍发育伴随着二叠纪末生物大灭绝事件,也就是一过了大灭绝界线,南盘江盆地中浅水碳酸盐岩台地普遍记录了强烈的热液活动。由于弧后盆地中热液活动与火山作用之间的紧密关系,南盘江盆地的浅水碳酸盐岩台地记录的Eu异常的变化与二叠纪末生物大灭绝之间好的耦合关系表明,古特提斯洋板块俯冲导致的剧烈火山喷发可能在二叠纪末生物灭绝中起到了重要作用。同时,作登剖面Ce异常指示微生物岩沉积时,相对于大灭绝界线之下的生物碎屑灰岩来说,上覆水体氧含量降低。这与华南其它微生物岩剖面草莓状黄铁矿的证据和其它地球化学证据指示的微生物岩沉积时水体贫氧的结果相一致。浅水碳酸盐岩台地环境的微生物岩剖面,作为纽带将华南二叠纪-三叠纪之交的火山活动与生物和环境变化联系在一起。华南二叠纪-三叠纪之交强烈的中酸性火山喷发可能导致了两幕式陆地植被破坏,两幕式陆源输入加强,和两幕式生物大灭绝事件。
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