GRL:微生物爆发与海洋缺氧,到底谁成就了谁?


近日,中国地质大学(武汉)生物地质与环境地质国家重点实验室陈中强教授团队以距今约2.52亿年前大灭绝之后的微生物爆发为例回答了这个问题,至少在这次大灭绝后,微生物的爆发改变了海洋环境,导致广袤浅水富氧的碳酸盐台地局部贫氧,成就了微生物岩的大量发育。这项研究结果是地史时期生物改造地球环境的又一例证。

二叠纪末生物大灭绝是地球生命遭受最大的一次浩劫,海洋沉积物对该事件的响应是,全球低纬热带浅水碳酸盐沉积体系普遍发育微生物岩。许多证据表明,海洋缺氧是这次大灭绝的最直接杀手,那么本次生态大危机之后大面积微生物岩的形成到底是先有缺氧环境,还是先有微生物爆发?就像当今海洋中的赤潮与海水缺氧的关系,这种鸡生蛋还是蛋生鸡的因果关系引起学界长期争论。就本次微生物爆发而言,大量的证据表明在生物大灭绝同期,缺氧的水团遍布深海至浅水的全部海洋环境,因此,学界普遍认为大灭绝后深海缺氧水团被海水上涌作用带入浅水环境,为微生物的爆发提供条件,形成大片微生物岩。

陈中强教授团队对我国华南地区26条代表深水至浅水环境的二叠系-三叠系界线剖面中记录的17,306颗草莓状黄铁矿的大小和形态进行了系统分析,重建了大灭绝前、期间和之后海洋古氧相的时空变化历程,揭示了其背后的驱动机制,并阐明了海洋缺氧与微生物爆发之间的因果关系。该研究成果已在线发表于《地球物理研究快报》(Geophysical Research Letters, GRL)图片

二叠纪-三叠纪之交华南地区海洋缺氧分布图。展示了灭绝前(A),第一幕灭绝期(B)和第一幕灭绝后(C)缺氧海水在华南地区的分布。第一幕灭绝之后华南大部分地区海水氧含量正常,贫氧水体仅出现在微生物岩发育的局部浅水台地。
草莓状黄铁矿的粒径大小主要受海水含氧量等因素控制,因此地层中的草莓状黄铁矿是研究古氧相重要的载体。本次研究获得如下新认识:1)大灭绝前后和期间华南地区海洋中基本不存在中等水深的氧气稀薄带(Oxygen minimum zone, OMZ),也不存在海洋分层和上涌现象;2)大灭绝期海洋中从深海至浅水环境普遍缺氧,证实了海洋缺氧确实是大灭绝后生生物的杀手,不过,本次海洋缺氧事件非常短暂(大约2-3万年),而没有长时间滞留于海洋之中;3)紧接大灭绝之后的海洋中,缺氧水团很快消失,以至在深海、台地缓坡和浅水台地非微生物岩的生境都缺失草莓状黄铁矿,仅仅在微生物岩发育的浅水台地中产出大量指示亚缺氧环境的草莓状黄铁矿;4)丰富的草莓状黄铁矿和亚缺氧环境只出现微生物岩体系中而不出现在同为浅水的非微生物岩碳酸盐台地中,这一事实说明大灭绝后浅水环境中先发生微生物爆发,然后出现局部的亚贫氧水体,在微生物岩形成过程中产生大量的草莓状黄铁矿。同时,解惑了尽管大量微生物爆发,为什么三叠纪早期的微生物岩却不能成为优良烃源岩以及海洋古生产力非常低的问题;5)大量草莓状黄铁矿的出现与硫还原菌的参与密不可分,说明大灭绝后大量硫还原菌可能借助蓝细菌的固氮作用而在浅水中共同爆发,产生局部的氨化环境;6)更大面积的海洋缺氧出现在本次大灭绝第二幕之后,也就是大片微生物岩消失之后,也与海洋钙危机和海洋酸化事件同步。
该项研究得到了国家自然科学基金委的资助。


论文信息:

TitleMicrobial Blooms Triggered Pyrite Framboid Enrichment and Oxygen Depletion in Carbonate Platforms Immediately After the Latest Permian Extinction.

AuthorsZhong-Qiang Chen*, Yuheng Fang, Paul B. Wignall, Zhen Guo, Siqi Wu, Ziliang Liu, Rongqin Wang, Yuangeng Huang, and Xueqian Feng

JournalGeophysical Research Letters

DOI:https://doi.org/10.1029/2021GL096998


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