李明松与合作者研究发现西伯利亚火山岩省大量快速碳排放导致二叠纪末生物大灭绝

来源: 生物通 / 作者: 2021-09-13
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二叠纪末大灭绝想象图。2.5 亿年前致命的西伯利亚熔岩流入大海,史前生命的最后一瞥。绘图:H. Duan

北京大学地球与空间科学学院助理教授李明松联合美国新泽西州 Montclair State University 助理教授崔莹(毕业于北大地空学院 2008 级硕士班)及挪威奥斯陆大学 Wolfram M. Kürschner 教授等人,对晚二叠世生物灭绝事件进行了系统的有机地球化学、天文年代学以及地球系统模型的研究,认为西伯利亚大火山岩省快速释放大量的 CO2 导致了二叠纪末生物大灭绝。研究成果以 “Massive and rapid predominantly volcanic CO2emission during the end-Permian mass extinction” 为题于近日发表于美国国家科学院院刊(PNAS)。

2.5 亿年前的二叠纪末生物大灭绝是显生宙最惨烈的大灭绝事件,超过 90% 的海洋物种和 70% 的陆地物种灭绝。查明这次大灭绝发生的进程和原因一直是地球科学领域的热点问题。很多研究认为西伯利亚大火山岩省的活动是导致这次大灭绝的原因,然而,引起地球环境和生态系统剧变的机制还存在着很大的争议。

研究团队对来自挪威 Finnmark 台地的两个保存完好的沉积岩钻孔进行了大量有机地球化学分析,其中包括短链及长链正构烷烃的分子丰度、分子有机碳同位素、全岩碳同位素、植烷 / 姥鲛烷比值以及植物孢粉丰度的测量。在有机地球化学分析中,短链及长链正构烷烃的丰度变化分别代表了海洋藻类或细菌及利用 C3 光合作用的陆生高等植物的丰度变化。

研究利用了高分辨率的自然伽玛测井数据进行天文年代学分析,发现所研究钻孔的平均沉积速率高达 22 厘米每千年,这远高于绝大多数的海相剖面,为高精度的天文年代学研究提供了材料,也为解决二叠纪末大灭绝的持续时间这一热点问题提供了机会。计算结果显示,二叠纪末大灭绝伴随的碳同位素漂移事件持续了 11 万年,其启动持续了 1.5 万年。

本次研究的亮点是利用分子碳同位素数据和天文旋回约束的年代模型来进行地球系统模型的反演,计算出了晚二叠世至早三叠世大气 CO2 释放的速率及古气候和古环境的响应。首先,分子碳同位素的优势在于其反映了特定的生物类型,相较之下,全岩的碳同位素则成分复杂,难以确定有机物的来源。其次,天文年代学模型为分子碳同位素的变化提供了高精度的年代控制标尺,使得碳释放的速率计算更加精准可靠。最后,地球系统模型包括了海陆相互作用及大洋环流,对古气候重建和生物地球化学变化的模拟有更高的准确度。

通过与古海水温度和 pH 代用指标数据的对比,研究团队得出西伯利亚大火成岩省喷发时释放的大量 CO2 导致了高达 15 摄氏度的全球变暖以及 1 个单位的 pH 值降低,从而导致了 90% 的海洋物种及 70% 的陆地物种灭绝。

这项研究认为,一旦环境变化超过临界阈值,可能导致不可逆转的大灭绝事件。这也为当今的气候变化提供了警示。

本研究的通讯作者为 Wolfram M. Kürschner、崔莹、李明松,其他合作者还有挪威奥斯陆大学 Elsbeth E. van Soelen 博士及荷兰乌得勒支大学助理教授 Francien Peterse。这一研究受到了挪威研究委员会、美国自然科学基金以及中国国家自然科学基金项目的资助。

二叠纪末古地理图

有机地球化学数据

天文年代学分析

地球系统模型模拟结果

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