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生物灭绝的伤痛,地球要用1000万年来抚平

2020-04-14 00:57     作者:广西地质矿产宣传信息中心
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  文章来自“科学大院”公众号

 作者:王博 赵向东 盛捷

 作者单位:中国科学院南京地质古生物研究所

提问:在显生宙最大的生物灭绝事件之后,湖泊和森林生态系统需要多久才能明显恢复?

回答:1000万年!

提问:科研团队通过多久得到答案?

回答:10年!

近日,中国科学院南京地质古生物研究所科研团队最新的研究发现,在显生宙最大的生物灭绝事件——二叠纪末生物大灭绝事件之后,湖泊和森林生态系统可能都需要长达1000万年的时间,才能得到明显恢复,相关研究论文发表在《地质学》(Geology)上。

  论文截图(图片来源:作者提供)

  二叠纪末生物大灭绝 原因是啥?

国产科幻大片《流浪地球》,这部电影讲述了未来太阳急速衰老膨胀,地球上到处都是冰封。其实,在我们人类出现之前,类似的极端气候事件(如极冷或极热的气候事件)在地球历史上曾经出现过多次,最著名的便是五次生物大灭绝事件(包括:6600万年前恐龙的灭绝)。

显生宙以来,地球上发生过的这五次生物大灭绝事件中,发生在2.52亿年前的二叠纪末生物大灭绝事件,被誉为是显生宙最大的生物灭绝事件。

 显生宙五次大灭绝,改自Sepkoski, 1996

那时,地球上是极度炎热。学界普遍认为这次大灭绝事件是由西伯利亚大火成岩省的爆发,造成连锁反应导致的。

随着大量的二氧化碳被注入到空气中,导致全球变暖和酸雨的产生,酸雨杀死了陆地上的植物,使得陆地上发生了大规模的侵蚀作用。这次大灭绝造成约80%的海洋生物,和约75%的陆地生物在数万年内迅速灭亡。此后,地球上演化发展出了一直持续至今的现代生物群。

Tips

西伯利亚大火成岩省是西伯利亚的哪个省?

说到省,我们会想到行政区划单位,当然这里不!是!的!

早在 20 世纪 90 年代,研究人员在西伯利亚的冻土层下面发现了绵延数千千米的火山岩,这一套岩石被称为“西伯利亚大火成岩省”。

其位于西伯利亚克拉通的西北缘,玄武岩、凝灰岩、以及同时代的侵入体所覆盖面积约 2.5 × 10^6平方千米,约占整个西伯利亚克拉通面积的 60%,熔岩体积约4 × 10^6立方千米。

在大灭绝后,全球气候逐渐回归正常,地球上的生态系统也逐渐复苏到繁盛的状态。那么生态系统复苏用了多久呢?

目前关于二叠纪末生物大灭绝后生态系统复苏的研究,主要集中于海相地层(当时海洋中沉积的地层),综合所有门类,海洋生态系统在二叠纪末生物大灭绝之后的800万年至1000万年,才取得了明显的恢复,并且在三叠纪晚期仍在继续进行恢复。

由于三叠纪早期全球性的高温和高蒸发率,陆相沉积物主要以河流相的砂砾岩为主。造成了当时淡水化石记录和泥页岩记录十分缺少,因此关于湖泊生态系统的恢复时间和模式的研究较少。

直到近日,由中国科学院南京地质古生物研究所“现代陆地生态系统起源与早期演化研究团队”的研究生赵向东和郑大燃博士在王博研究员和张海春研究员的指导下,与长庆油田解古巍工程师等合作,基于科研团队十年来的野外积累和室内分析工作,提出二叠纪末大灭绝之后湖泊以及森林生态系统最多用时1000万年就完成了恢复。

团队所研究的对象是鄂尔多斯盆地南缘三条富含油页岩和凝灰岩的剖面(霸王庄、马庄和衣食村),位于陕西铜川,这十年以来,该科研团队每年都会在此进行野外工作,挖掘化石,本次研究也是根据十年以来科研人员的野外积累所得出的结论。

铜川地区野外照片(图片来源:作者提供)

锆石铀-铅(U-Pb)定年锁定1000万年

此次科研人员通过高精度的地层学、沉积学和古生物学研究,对剖面中采集的火山源的样品(凝灰岩、火山灰、凝灰质砂岩)进行了锆石铀-铅(U-Pb)定年。最终,科研人员将湖相油页岩底部年龄卡定在2.42亿年左右,归于中三叠统铜川组。

研究区域代表岩性和定年层位照片(图片来源:作者提供)

    这样的一个结论也确定了这套油页岩是二叠纪末生物大灭绝之后已知最早的深湖相沉积,比之前的记录向前推进了500万年。

复杂食物网出现

科研人员还发现,在三叠纪中期,海洋生态系统中存在健全的、正金字塔形(从低营养级到高营养级逐步恢复)的生物营养级。

正金字塔形生物营养级(开源图片) 

研究团队在铜川组油页岩中发现了较丰富的植物、介形虫、叶肢介、鲎虫、昆虫、鱼和鱼粪等化石。其中,最大的螺旋状鱼粪化石长达77毫米,表明当时湖泊中已存在体型较大的捕食性鱼类。科研人员通过对部分鱼粪化石进行切片(你没看错,就是对便便化石进行切片),就在这个“便便化石”中,科研人员发现了双翅目昆虫的大颚。大颚的发现,是鄂尔多斯古湖泊中,鱼类取食昆虫幼虫的直接证据。

剖面产出的各类代表性化石。A-C, 鱼粪;D-E,鱼粪切片;F和G,甲虫;H,鱼;I,介形虫;J,鲎虫。(图片来源:作者提供) 

这些化石研究表明,当时的湖泊中已经出现了复杂的食物网,其中,初级生产者为各种藻类;初级消费者主要是以藻类为食的介形虫和昆虫等动物;二级消费者包括各类水生肉食性昆虫以及鱼类等;顶级消费者则为大型的捕食性鱼类。

这种生态类型与古生代湖泊中双翅目幼虫普遍缺失和水生甲虫稀少的情况明显不同,代表了一个典型的中生代湖泊生态系统。

怎样推测出森林生态系统的恢复时长?

在三叠纪最初的1000万年内,由于世界各地的陆相地层中普遍缺失煤层,因此这段时期也被称为“煤层缺失期”(Coal Gap)。通常认为,中三叠世煤层的再次出现代表了大灭绝后森林生态系统的明显恢复。

依据油页岩的出现时间建立了与海相生态系统复苏相对应的“油页岩缺失带”,与陆地上“煤层缺失带”的时间相吻合(图片来源:作者提供)

在鄂尔多斯盆地,已知最古老的三叠系煤层产出自二马营组的最上部,其年龄略老于铜川组油页岩的年龄。

这样的研究结果表明,复杂湖泊生态系统的复苏与“煤层缺失期”的结束时间相吻合,表明湖泊和森林生态系统可能通过生物、物理和化学等作用紧密联系在一起。

因此,科研人员推测,湖泊和森林生态系统可能都需要长达1000万年的时间才能明显恢复。

湖泊和森林生态系统的复苏原因是什么呢?

研究者推测,早三叠世炎热的气候会限制湖泊中的溶解氧含量,从而阻碍了生态系统的复苏。然而,在安尼期海洋中,碳埋藏的大量增加则可能会导致大气CO2含量下降和全球降温,从而改善了湖泊的生态条件。

此外,火山灰给湖泊带入丰富的营养物质,可能显著提高了鄂尔多斯盆地古湖泊的初级生产力。因此,全球温度降低和火山灰养分输入可能共同促进了鄂尔多斯盆地古湖泊生态系统的繁盛。

结语

最后,我们再次总结一下,本次科研成果的科学意义:

1.这套位于鄂尔多斯盆地铜川组油页岩,是三叠纪最早的湖相油页岩沉积,距今2.42 亿年,比之前的记录早了500万年。

2.此次发现的多门类生物化石展现出了三叠纪最早的复杂湖泊生态系统,且该生态系统是典型的中生代生态类型。

3.同位素年代学和地层学的研究结果,为精时地层对比和油气资源勘探提供了新的定年和化石证据。

4.由于湖泊、森林生态系统的复苏可能具有耦合联系,因而,湖泊生态系统的恢复最多用时1000万年。

5.科研人员推测,全球温度降低和火山灰养分输入,可能共同促进了鄂尔多斯盆地古湖泊生态系统的繁盛。

相关成果于2020年3月31日在线发表于国际知名期刊《地质学》(Geology),相关研究工作由中国科学院和国家自然科学基金委共同资助。

本文由中国科学院战略性先导科技专项(B类)“关键地史时期生物与环境演变过程及其机制”项目支持。(文章来自“科学大院”公众号)

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