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距今約2.5億年的二疊紀(jì)末期，地球上曾發(fā)生過(guò)一次最大規(guī)模的生命滅絕事件，造成海洋中超過(guò)90%以及陸地上超過(guò)70%的生物消失。中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)沈延安課題組以高精度鎳(Ni)同位素分析為主要手段對(duì)加拿大北極地區(qū)的晚二疊-早三疊地層進(jìn)行了系統(tǒng)研究，提出西伯利亞大火成巖省噴發(fā)產(chǎn)生的含鎳氣溶膠是二疊紀(jì)末生命大滅絕的重要因素這一新觀點(diǎn)。相關(guān)研究成果近日以“Nickel isotopes link Siberian Traps aerosol particlesto the end-Permian mass extinction”為題發(fā)表于綜合學(xué)術(shù)期刊《自然-通訊》(Nature Communications)。

在關(guān)于二疊紀(jì)末生命大滅絕的環(huán)境和機(jī)制研究方面，國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了多種觀點(diǎn)和認(rèn)識(shí)，其中主要驅(qū)動(dòng)因素包括二氧化碳、甲烷等溫室氣體含量的急劇升高和全球變暖、海洋缺氧和酸化、富含硫化氫海水的上涌、海洋中有毒金屬元素的大量富集等。在過(guò)去30多年，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在全球范圍內(nèi)對(duì)二疊紀(jì)末生命大滅絕事件進(jìn)行了廣泛的研究，一般認(rèn)為造成生命大滅絕和環(huán)境巨變的根源在于西伯利亞大火成巖省的噴發(fā)。西伯利亞大火成巖省是地質(zhì)歷史上最大規(guī)模的大火成巖省，主要由大約三千萬(wàn)億立方米的玄武巖組成，因此它的噴發(fā)能夠造成全球大氣和環(huán)境的劇烈變化。但最近的精確年齡測(cè)試表明，西伯利亞大火成巖省在二疊紀(jì)末生命大滅絕事件的30萬(wàn)年之前就已經(jīng)開(kāi)始噴發(fā)，因此大火成巖省的噴發(fā)和生命滅絕的成因聯(lián)系成為地球生物學(xué)領(lǐng)域未解的重要科學(xué)問(wèn)題。

論文的第一作者博士后李夢(mèng)涵介紹說(shuō)：“我們的研究對(duì)象是分布在加拿大北極地區(qū)Sverdrup盆地的Buchanan Lake剖面。從古地理位置來(lái)看，Sverdrup盆地距離西伯利亞大火成巖省大約2萬(wàn)公里，且處于其下風(fēng)口，火山噴發(fā)的產(chǎn)物大約只需要4-8天就可以到達(dá)該盆地，因此它是研究二疊紀(jì)末火山噴發(fā)如何驅(qū)動(dòng)環(huán)境變化的理想地區(qū)”。研究人員對(duì)Buchanan Lake剖面進(jìn)行高精度Ni同位素測(cè)試后發(fā)現(xiàn)，Ni同位素的組成與當(dāng)時(shí)海水中的氧氣含量以及化學(xué)組成具有良好的相關(guān)關(guān)系(如圖)。在二疊紀(jì)末生命大滅絕層位，Ni的含量由142.8 ppm突然降至36.4 ppm(如圖)。另外，Buchanan Lake剖面的Ni同位素組成非常輕，是35億年以來(lái)沉積巖中最輕的Ni同位素組成。

該研究認(rèn)為，西伯利亞大火成巖省的噴發(fā)形成了大量含Ni的氣溶膠，它們經(jīng)過(guò)全球大氣環(huán)流的傳輸沉降至海洋和陸地。Sverdrup盆地的Ni同位素組成清晰地記錄了從火山噴發(fā)、大氣傳輸?shù)胶Ｑ蠡瘜W(xué)組成變化這一系統(tǒng)過(guò)程(下圖)。Ni是海洋生物的重要營(yíng)養(yǎng)元素之一，因此含Ni氣溶膠的大量沉降提高了海洋的初級(jí)生產(chǎn)力，同時(shí)大量消耗了海水中的氧氣，其造成的環(huán)境惡果是海洋的缺氧和酸化。大量含Ni氣溶膠的沉降也造成了陸地生物生長(zhǎng)環(huán)境的惡化，因?yàn)檫^(guò)量的Ni不利于植物的光合和呼吸作用、限制植物的生長(zhǎng)及其多樣性，最后導(dǎo)致植物的死亡。該研究不僅證明了Ni在改變海洋和陸地環(huán)境方面的重要作用，而且為西伯利亞大火成巖省噴發(fā)和全球環(huán)境變化之間的成因聯(lián)系搭建了橋梁。

沈延安介紹說(shuō)，在過(guò)去5.4億年以來(lái)地球上共發(fā)生了五次生命大滅絕事件，該項(xiàng)研究是首次應(yīng)用Ni同位素解析生命滅絕過(guò)程中的劇烈環(huán)境變化，為理解生命和環(huán)境的相互作用提供了新的視角，也必將會(huì)啟發(fā)國(guó)內(nèi)外學(xué)者采取相同手段對(duì)其它重要地質(zhì)歷史轉(zhuǎn)折時(shí)期生命和環(huán)境的相互作用開(kāi)展廣泛深入的研究。

該項(xiàng)研究受到國(guó)家自然科學(xué)基金創(chuàng)新研究群體和重大項(xiàng)目、高等學(xué)校學(xué)科創(chuàng)新引智計(jì)劃、中國(guó)科學(xué)院前沿科學(xué)重點(diǎn)研究項(xiàng)目等資助。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-021-22066-7

(地空學(xué)院、科研部)