西藏文布当桑剖面二叠—三叠系界线附近牙形石SHRIMP微区原位氧同位素研究

【摘要】：近年来许多地质学家都致力于第四纪以来全球气候变化模型的研究，借以了解第四纪以来全球气候变化的演化阶段，并预测未来的气候发展趋势以及其对生物圈的影响。但目前全球气候变化是否足以导致生物大规模绝灭，尚缺乏有力的证据。要科学地回答这一问题，需要深入研究曾经发生过重大生物集群绝灭事件的地质历史时期的古气候变化，并考察两者之间的响应关系。 众所周知，显生宙以来发生过五次规模较大的生物绝灭事件，其中古生代-中生代之交，即二叠纪和三叠纪之交发生的生物集群绝灭事件是规模最大的。据统计，在这次事件中，90%以上的海洋物种和75%的陆地物种彻底绝灭。国际地学界对这次绝灭事件开展了广泛而深入的研究，并对生物绝灭的原因给出了多种解释。虽然地质学家们对生物大绝灭的原因众说纷纭，公认的事实是，无论是地内事件也，还是地外事件，都是通过对生物生存介质（海水、空气）条件的改变，最终导致生物的集群绝灭。生物生存介质条件改变的结果被保存在二叠-三叠纪之交的地层中，因此，二叠-三叠纪之交是研究导致生物发生大规模绝灭时期的全球变化的最佳切入点。通过这一研究，可以更好地探讨生物集群绝灭期间的古气候的变化规律，以及两者之间的响应关系。 温度变化是气候变化研究的重要方面之一，氧同位素温度计早已被应用于古海水温度变化研究中，而生物化石磷酸钙中的氧同位素组成对古气候的温度变化响应灵敏。牙形石是广泛存在于古生代到三叠纪地层中的一种重要的化石，具有较为重要的地层划分和对比意义，并且牙形石的主要成分是磷酸钙。因此，国际地质学界开始利用牙形石氧同位素温度计来研究古海洋表面海水温度。 本论文以西藏文布当桑二叠-三叠系剖面界线附近的牙形石化石为测试样本，在澳大利亚国立大学SHRIMP IIe-MC仪器上建立了牙形石微区原位氧同位素分析方法。在方法建立过程中，采用了直径35mm的氧同位素大靶，避免了由于传统样品靶（25mm）边缘效应带来的质量分馏，并且牙形石样品粘贴在样品靶中心5mm范围内，选择这种布局可以有效减少由几何效应导致同位素分馏带来偏差的可能性。实际分析结果表明，连续7昼夜分析标准样品Durango磷灰石δ~(18)O_(apatite)253个分析结果，波动很小，δ~(18)O_(apatite)=9.78±0.29‰，与该标准参考值δ~(18)O_(apatite)=9.81±0.25‰（Ian Williams,未刊资料）一致。这表明本文建立的这套SHRIMP IIe-MC微区原位氧同位素分析方法可靠，精度完全可以满足地质温度变化研究的需要，可以作为利用SHRIMP IIe-MC分析牙形石氧同位素的标准方法。 本文运用SHRIMP IIe-MC微区原位氧同位素分析方法，对西藏文布当桑二叠-三叠系剖面界线上下49个层位237枚牙形石进行了氧同位素研究，获得了914个分析点的数据，利用（Kolodny et al.,1983）的温度计算公式，获得了49个温度数据。研究结果表明，晚二叠世末期古海水温度在17.4-19.2℃之间，跨越事件地层界线处古温度由17.4℃（080826-25层δ18O值为20.90‰）突然升高到25.6℃（080826-32层δ~(18)O值为19.03‰），升温幅度高达8.2℃。而跨越二叠-三叠纪生物地层学界线（33,34层之间）古海洋温度无明显变化，温度变化幅度1.3℃，33层位26.0℃，34层位24.7℃。早三叠世早期温度变化缓慢升高，由24.7℃（34层）到31.3℃（112层）。本研究也印证了Joachimski（2012）对华南煤山剖面牙形石氧同位素研究得出的二叠纪末期温度上升了约8℃的结论是可信的，进一步说明这一升温事件不只是区域性的，而是全球性的。 本论文除了对该剖面开展了牙形石的氧同位素研究外,还开展了碳同位素地球化学研究。该剖面的碳同位素曲线变化有一个明显的负向漂移，清楚地揭示了二叠纪末期在事件地层学界线附近发生了生物大绝灭事件，而这一层位恰好对应古海水温度表面温度的突然升高层位，这说明两者具有明显的相关性。 通过文布当桑剖面与浙江煤山剖面的生物地层学、事件地层学、碳氧同位素学的对比分析，在温度迅速升高的阶段，对应着碳同位素的数值迅速降低阶段，对应生物灭绝率最大的阶段，说明二叠纪末期的全球升温事件和当时的生物集群绝灭事件具有明显的正相关性。