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《中国地质大学》 2012年
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二叠纪—三叠纪之交的微生物地质过程和C-N-S生物地球化学循环

罗根明  
【摘要】:二叠纪-三叠纪之交(大约252百万年前)发生了显生宙以来最大的生物集群灭绝事件。对这次危机中生物与环境相互作用的认识将为探讨当代人类-其他生物-环境之间的协同演化提供借鉴意义。后生动物由于可以以实体形式保存为化石,而且形态和结构特征明显,研究较为方便,已取得了很大进展,为理解二叠纪-三叠纪之交生物大灭绝的过程和原因提供了很大的帮助。微生物是生物与环境相互作用的关键环节,是联系环境与其它生物的桥梁。然而,微生物存在保存和结构特征等方面的问题,一直以来人们对于占据海洋生态系统很大部分、同时也是海洋初级生产力重要组成部分的微生物关注得很少。 微生物与环境的相互作用主要表现在微生物功能群方面。微生物功能群是探讨地质历史时期微生物地质过程的重要手段。本文主要基于我国华南地区6条二叠纪-三叠纪之交的剖面,利用类脂物分子技术和稳定同位素技术分析了后生动物危机期间微生物功能群的组成和演化特征以及与微生物代谢活动密切相关的C-N-S生物地球化学循环特征。在这些资料的基础上,探讨了当时古海洋化学的组成特征及其对微生物功能群和海洋后生动物大灭绝的影响。最后,分析了陆地和海洋两大生态系统危机的时间关系及其对生物大灭绝原因的启示。 基于碳同位素资料,提出了在二叠纪末期海洋后生动物大灭绝期间,海洋初级生产力出现升高,即自养微生物功能群繁盛。同时生物标志化合物资料也表明蓝细菌、厌氧微生物和其他的自养微生物功能群丰度明显增高。氮、硫同位素资料进一步表明固氮蓝细菌等好氧细菌以及氨的厌氧氧化细菌和H2S的厌氧氧化细菌等厌氧细菌是当时海洋的主要自养微生物功能群。而反硝化细菌、硫酸盐还原细菌和产甲烷古菌是其他厌氧微生物功能群的主要类型。碳同位素资料同时表明,这时期自养微生物功能群内部组合变化比较频繁,这与硫同位素组成的频繁变化相类似,说明当时的海洋环境非常不稳定。 伴随着后生动物的大灭绝和许多微生物功能群的繁盛,与生物代谢密切相关的C-N-S生物地球化学循环也出现了特征性的变化。在碳循环方面,二叠纪-三叠纪之交δ13Ccarb的负偏主要发生在生物主灭绝前(3‰)。由于初级生产力的提高,主灭绝之后的δ13Ccard负偏幅度并不是很大(2%o)。而且紧接着生物大灭绝之后,δ13Ccarb并没有明显变化,在部分剖面还表现出一个小幅度的正偏。由此,本文明确提出了二叠纪-三叠纪之交δ13Ccarb的负异常主要不是由二叠纪末期海洋生物大灭绝所引起的。碳同位素的特征表明,碳循环的异常明显早于(约0.5Ma)二叠纪末期海洋后生动物的主灭绝,且可能表现出阶梯状的幕式变化。这种幕式的δ13Ccarb负偏可能主要是由二叠纪末期幕式的火山活动及其所引起陆地生态系统的危机所导致的。 与碳循环异常不太一致,氮循环异常与后生生物的大灭绝有很好的一致性,表现为有机氮同位素δ15Norg在主灭绝界线处出现一个很大的负偏。这说明海洋生态系统在这一时期发生了重大的变化。后生动物灭绝之后,δ15Norg在0‰左右波动。根据这一现象,提出了当时海洋生物可利用氮主要来自生物固氮作用,而其他的生物可利用氮非常缺乏。后者主要是由于海洋缺氧事件加强,导致大量的生物可利用氮通过反硝化微生物功能群和氨的厌氧氧化微生物功能群转换成生物不可利用的N2。基于氮循环异常,创新性地提出了N20可能是二叠纪-三叠纪之交一种重要的温室气体,可能对当时全球变暖事件起了重要作用。该成果已经以第一作者身份发表在《Geology》上。 硫循环在二叠纪-三叠纪重大转折期经历了数次大幅度的波动。在主灭绝界线处,δ34SCAS经历了一个逐渐正偏的过程,从下伏生物碎屑灰岩一直持续到微生物岩下部,说明当时海洋缺氧程度逐渐加强,可能对二叠纪末期海洋后生动物灭绝有很大的贡献。δ34SCAS资料表明最严重的缺氧事件可能发生在海洋动物主灭绝之后,发生过数次H2S释放到海水表层的事件,进一步加剧了海洋生物的灭绝程度。快速大幅度的δ34SCAS波动表明二叠纪-三叠纪之交海水硫酸盐浓度非常低,这与微生物功能群资料以及有机地球化学资料的结果相一致。根据碳-硫循环模型的定量分析结果,创新性地提出了当时海水硫酸盐浓度不会超过现在海水的15%,甚至可能低至现代海水的3%左右。这与前人所认为的海水高硫酸盐浓度观点不一样。并进一步提出海水硫酸盐浓度的降低可能导致了产甲烷代谢和甲烷好氧氧化代谢微生物功能群的繁盛,也可能导致了CH4释放进入大气通量的显著增加,加剧全球变暖程度。该成果已经以第一作者身份发表在《Earth and Planetary Science Letters》上。 碳-硫同位素资料和有机地球化学资料都表明,二叠纪末期陆地生态系统的危机可能要早于海洋生态系统的危机。这表明,二叠纪末期环境的恶化可能首先发生在陆地上,其次才是海洋。酸雨、紫外线辐射增强以及大气升温事件可能是导致这种差异的主要原因,进而说明火山作用是二叠纪末期生物大灭绝的促发机制。火山活动早于海洋后生动物大灭绝也进一步得到了有机地球化学资料的支持。晕苯/菲的比值表明,二叠纪-三叠纪之交出现了两幕高温热事件,可能与这时期的火山活动有关。第一幕起始于生物碎屑灰岩,明显早于二叠纪末期海洋生物的灭绝,却与陆地生态系统危机相一致。
【学位授予单位】:中国地质大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2012
【分类号】:Q913;P593

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【参考文献】
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