泥盆纪—石炭纪之交生物大灭绝期生物地球化学循环及其环境背景

论文摘要

泥盆纪-石炭纪（D-C）之交的生物大灭绝事件是显生宙以来所发生的重大生物灭绝事件之一,导致了约21%属一级和16%科一级海洋生物的灭绝。因全球范围内,在灭绝层位附近广泛发育一套黑色页岩的沉积（Hangenberg Black Shale,HBS）,D-C之交的生物大灭绝事件被称为“Hangenberg事件”。大量的海相生物群受到Hangenberg事件的影响,特别是菊石、三叶虫、牙形石、层孔虫、珊瑚和介形虫等。然而,关于Hangenberg生物灭绝事件机制的认识还处于争论阶段。目前对这一时期海洋生物地球化学循环的具体过程及其环境背景变化还不是非常明确,进而阻碍了对该生物灭绝事件机制的理解。在D-C之交,华南板块位于古特提斯洋的东边,形成了陆海相间的古地理格局,主要发育了上扬子被动大陆边缘浅水陆棚相、台地边缘斜坡相、黔桂盆地相、孤立碳酸盐台地相和桂东南的钦防海槽等沉积相。华南黔桂地区隆安剖面（23°10′34.8″N,107°27′48.0″E）发育一套晚泥盆世-早石炭世碳酸盐岩,沉积环境为孤立碳酸盐台地,受陆源影响较小。其林寨剖面（25°49′04″N,107°29′26″E）沉积环境为黔桂浅水台地相,一直作为法门阶-杜内阶珊瑚和腕足类生物地层的经典研究地区。马栏边剖面（27°22′48.8″N,111°34′2.4″E）出露一套从中泥盆世到早石炭世连续的地层,沉积环境为湘桂浅水台地相,已经受到长期的关注。这三条剖面出露的样品新鲜且地层连续,适合开展D-C之交Hangenberg事件的研究。本文通过以这三个剖面为重点研究对象,在详细的岩相学分析的基础上,利用高分辨率碳-氮-硫同位素和新兴的碳酸盐岩I/Ca等地球化学手段,研究该重大地质突变期碳-氮-硫生物地球化学循环模式及环境背景,进而探讨Hangenberg生物灭绝事件的原因。高分辨率的碳酸盐岩碳同位素组成(δ13Ccarb)和有机碳同位素组成(δ13Corg)显示海洋碳循环在泥盆纪-石炭纪之交出现了异常。在隆安剖面,δ13Ccarb值从-1.6‰缓慢正偏到+2.5‰。在其林寨剖面,δ13Ccarb值从+3.0‰正偏至+4.4‰。在马栏边剖面,δ13Ccarb值从-1.6‰缓慢正偏到+3.3‰。这些记录显示δ13Ccarb值在Middle-Upper Si.praesulcata带经历了一个约+45‰的正偏。与无机碳同位素正偏记录相似,在隆安剖面,δ13Corg值从-25.8‰开始正偏至-22.6‰。在其林寨剖面,δ13Corg值从-26.1‰轻微正偏至-25.0‰。在马栏边剖面,δ13Corg值从-28.0‰持续正偏至-25.6‰。这些记录显示δ13Corg值也经历了一次约为3-4‰的正偏。华南地区记录δ13Ccarb值和δ13Corg值的正偏说明有机质大量埋藏。有机碳埋藏分数的增加是由于海洋生产力的提高或/和有机物质保存的增加。生产力提高和有机物质保存增加的原因与全球海洋环流的变化有关。全球气候变冷会扩大赤道到极地的温度梯度,导致海洋环流加剧。晚泥盆世记录的气候变冷,为海洋环流加强奠定了基础。这个过程增强深海营养盐向海洋表层的回流,从而刺激海洋生产力。海洋生产力的提高会加剧海洋水体缺氧,为有机物质保存的增加创造了条件。高分辨率的氮同位素组成(δ15Nbulk)显示海洋氮循环在泥盆纪-石炭纪之交出现了异常。在隆安剖面,δ15Nbulk值从+4.6‰急剧下降到0‰左右。在其林寨剖面,δ15Nbulk值从+6.1‰持续负偏至+3.5‰。在马栏边剖面,δ15Nbulk值从+4.5‰负偏至+1.9‰。这些记录显示δ15Nbulk值在Middle-Upper Si.praesulcata带经历了一次明显的负偏,幅度约为3-4‰。δ15Nbulk值的急剧负偏说明海洋中来自微生物固氮作用的生物可利用氮（N2）的比例显著升高,且在局部环境中是最主要的生物可利用氮来源,如隆安地区。微生物固氮作用的增强则说明当时海洋中生物可利用氮（NO3-和NH4+）的缺乏,后者主要是由于反硝化作用和/或氨的厌氧氧化作用的增强所导致的,进而说明这一关键期海洋缺氧程度的加强。高分辨率的碳酸盐岩晶格硫酸盐硫同位素组成(δ34SCAS)在D-C之交发生显著负偏,说明海洋硫循环在这一关键时期也出现了异常波动。在隆安剖面,δ34SCAS值从Middle Si.praesulcata带的+19.0‰下降至Upper Si.praesulcata中部的+13.0‰。随后,在Upper Si.praesulcata上部恢复到+20.3‰。在其林寨剖面,δ34SCAS值记录了Upper Si.praesulcata带从+12.1‰正偏到+19.0‰的过程。隆安和其林寨剖面的δ34SCAS呈现同步变化,至少代表着区域性海水硫酸盐硫同位素组成的变化。δ34SCAS的负偏主要归因于富H2S水体的形成及成岩氧化。水体缺氧的加剧使得硫酸盐还原作用增强,进而形成富集32S的硫化水体。光合硫代谢微生物功能群产生的硫酸盐或者单质硫进一步氧化形成的硫酸盐进入碳酸盐进而引起δ34SCAS的负偏。因此,硫同位素的证据也说明这一关键期海水缺氧程度的加剧,并形成硫化水体。相对其他传统的氧化还原地球化学指标,碳酸盐岩I/Ca能够很好地指示表层水体的氧化还原状态,近年来得到广泛应用。因上层水体是大部分生物生活的主要场所,该环境的氧化还原状态对探讨地质历史时期生物大灭绝的原因具有重要意义。在隆安剖面,I/Ca比值从Middle Si.praesulcata带的1.8μmol/mol急剧下降至Upper Si.praesulcata带的0μmol/mol左右。在马栏边剖面,I/Ca比值从Lower Si.praesulcata带的2.0μmol/mol急剧下降至Upper Si.praesulcata带的0μmol/mol左右。隆安和马栏边的记录显示I/Ca比值在Middle-Upper Si.praesulcata带经历了一次明显的负偏,指示着当时氧最小带（OMZ）扩张或者上移,上层水体处于缺氧状态。综上,本文对华南地区处于不同沉积环境的三条泥盆纪-石炭纪剖面的研究发现泥盆纪-石炭纪之交生物大灭绝期C-N-S同位素组成有显著变化,说明该时期的C-N-S的生物地球化学循环发生了显著的异常。这些同位素组成的变化都反映D-C之交海水缺氧程度明显加剧,并出现了硫化的水体。同时,碳酸盐岩I/Ca的记录表明缺氧水体处在非常浅水的位置。这些证据都表明海水缺氧,或者说氧最小带（OMZ）向上部水体的扩张是引起D-C之交Hangenberg生物灭绝事件的重要原因。

论文目录

• 作者简介
• 摘要
• abstract
• 第一章 绪论
•   1.1 选题背景
•   1.2 研究进展
•     1.2.1 泥盆纪-石炭纪之交生物变化
•     1.2.2 泥盆纪-石炭纪之交气候变化
•     1.2.3 泥盆纪-石炭纪生物大灭绝机制概述
•   1.3 研究思路和目标
•   1.4 工作量小结
•   1.5 创新点
• 第二章 研究区域及研究方法
•   2.1 研究区域地质背景概况
•     2.1.1 广西隆安剖面
•     2.1.2 贵州其林寨剖面
•     2.1.3 湖南马栏边剖面
•   2.2 实验样品和实验方法
•     2.2.1 无机碳-氧同位素分析方法
•     2.2.2 有机碳-氮同位素分析方法
•     2.2.3 碳酸盐岩晶格硫酸盐硫同位素分析方法
•     2.2.4 I/Ca比实验方法
• 第三章 泥盆纪-石炭纪之交碳循环
•   3.1 碳循环模型
•     3.1.1 一箱模型
•     3.1.2 碳同位素组成变化的影响因素
•   3.2 碳同位素地层变化特征
•     3.2.1 隆安剖面
•     3.2.2 其林寨剖面
•     3.2.3 马栏边剖面
•   3.3 碳循环异常机制探讨
•     3.3.1 成岩作用的影响
• 13Ccarb变化的特征及原因'>    3.3.2 D-C之交δ¹³Ccarb变化的特征及原因
• 13Corg变化的特征及原因'>    3.3.3 D-C之交δ¹³Corg变化的特征及原因
•     3.3.4 D-C之交Δ13C变化的特征及原因
•     3.3.5 碳循环异常对生物大灭绝的启示意义
•   3.4 小结
• 第四章 泥盆纪-石炭纪之交氮循环
•   4.1 氮循环过程
•     4.1.1 生物氮代谢方式
•     4.1.2 海洋氮同位素组成的影响因素
•   4.2 氮同位素地层变化特征
•     4.2.1 隆安剖面
•     4.2.2 其林寨剖面
•     4.2.3 马栏边剖面
•   4.3 氮循环异常机制探讨
•     4.3.1 成岩作用的影响
• 15N空间变化特征'>    4.3.2 δ¹⁵N空间变化特征
• 15N负偏移的主要原因'>    4.3.3 δ¹⁵N负偏移的主要原因
•     4.3.4 氮循环异常对生物大灭绝的启示意义
•   4.4 小结
• 第五章 泥盆纪-石炭纪之交硫循环
•   5.1 硫循环过程及模型
•     5.1.1 地质视角
•     5.1.2 生物视角
•     5.1.3 硫循环模型
•   5.2 硫同位素地层变化特征
•     5.2.1 隆安剖面
•     5.2.2 其林寨剖面
•   5.3 硫循环异常机制探讨
•     5.3.1 成岩作用的影响
• 34SCAS变化特征'>    5.3.2 δ³⁴SCAS变化特征
• 34SCAS负偏移的主要原因'>    5.3.3 δ³⁴SCAS负偏移的主要原因
•     5.3.4 硫循环异常对生物大灭绝的启示意义
•   5.4 小结
• 第六章 泥盆纪-石炭纪之交上层水体氧化还原条件
•   6.1 I/Ca比作为氧化还原指标
•   6.2 I/Ca比地层变化特征
•   6.3 I/Ca比值异常机制探讨
•     6.3.1 成岩作用对I/Ca比的影响
•     6.3.2 I/Ca比负偏移的主要原因
•     6.3.3 OMZ扩张机制
•   6.4 小结
• 第七章 泥盆纪-石炭纪之交生物大灭绝的促发机制
• 第八章 结论及展望
•   8.1 主要结论
•   8.2 下一步工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录

文章来源

类型: 博士论文

作者: 刘犟嗣

导师: 谢树成,罗根明

关键词: 事件,碳氮硫循环,华南,海洋缺氧,冰期

来源: 中国地质大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 地质学,地质学

单位: 中国地质大学

基金: 国家自然科学基金重大项目子课题“泥盆纪重大生物事件及其环境背景”(项目批准号:41290262),国家973计划项目“若干重大地质环境突变的地球生物学过程”(项目批准号:2011CB808800),111项目(项目批准号:B08030)

分类号: P593;P532

DOI: 10.27492/d.cnki.gzdzu.2019.000202

总页数: 132

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