elip火山活動與p-界線生物大移除事件的聯(lián)系

elip火山活動與p-界線生物大移除事件的聯(lián)系

1elip的火山作用在地質(zhì)歷史上不同時期，許多重大生物滅絕事件與大火成巖省的時間一致。因此，許多科學(xué)家認(rèn)為，大火成巖省的大火山作用導(dǎo)致了生物的巨大滅絕（wigneton，2001，2005；saw，2005）。其中發(fā)生于P-T邊界的生物滅絕事件是地質(zhì)歷史上規(guī)模最大的一次生物滅絕事件,由于其在時間上剛好和西伯利亞大火成巖省吻合,所以很多學(xué)者將此次生物滅絕事件歸因于西伯利亞大火成巖省大規(guī)模的火山作用釋放大量氣體和火山灰所造成的氣候環(huán)境變化(Bowringetal.,1998;Courtillot,1999;Wignall,2001;Kamoetal.,2003;Mundiletal.,2004;Svensenetal.,2009;SaundersandReichow,2009)。同西伯利亞大火成巖省相比,峨眉山大火成巖省與二疊紀(jì)生物滅絕事件之間的關(guān)系更為復(fù)雜。早在20世紀(jì)90年代,就有學(xué)者認(rèn)為峨眉山大火成巖省與二疊-三疊系之交生物大滅絕存在著密切的因果關(guān)系(如Yinetal.,1992;ChungandJahn,1995;Chungetal.,1998)。隨后的40Ar/39Ar同位素測年結(jié)果也表明了峨眉山大火成巖省形成于晚二疊世(如Loetal.,2002;范蔚茗等,2004),其時代與西伯利亞大火成巖省接近,因此也認(rèn)為其與P-T邊界的生物大規(guī)模滅絕在時間上存在耦合關(guān)系(如Loetal.,2002)。然而,近年來大量SHRIMPU-Pb鋯石測年結(jié)果表明,ELIP大規(guī)?；鹕交顒訒r間約為~260Ma(Zhouetal.,2002,2005,2006,2008;WangandZhou,2006;ZhongandZhu,2006;Guoetal.,2004;陶琰等,2008;Taoetal.,2009);所以中二疊世瓜德盧普期末(end-Guadalupian)發(fā)生的生物滅絕事件被認(rèn)為與ELIP的火山作用有關(guān)(Zhouetal.,2002;Alietal.,2002;Wignalletal.,2009;Bondetal.,2010a,b;Xuetal.,2010;Heetal.,2010)。目前,盡管對于火山作用導(dǎo)致生物滅絕的機(jī)制還存在著不同的認(rèn)識,例如,是與火山作用釋放的有毒氣體有關(guān)還是與釋放出的氣體(如CO2,SO2等)導(dǎo)致氣候環(huán)境的變化有關(guān)?但是不論何種觀點,多數(shù)學(xué)者都認(rèn)為是與火山作用釋放出的氣體有關(guān)。以前的研究表明,由火山作用釋放出到大氣圈中的氣體絕大多數(shù)是通過爆發(fā)作用而實現(xiàn)的,只有非常小的一部分氣體是巖漿在流動過程中釋放的,而且只有爆發(fā)作用才有可能使得氣體達(dá)到平流層從而對地球的環(huán)境產(chǎn)生重要影響(ThordarsonandSelf,2003)。然而,以前的研究表明峨眉山大火成巖省火山碎屑巖非常少(一般只有不到1m的厚度),加之其規(guī)模并不太大(只有約25~30km2),所以ELIP的火山作用是否能導(dǎo)致中二疊世瓜德盧普期末的生物大規(guī)模絕滅是令人懷疑的(Alietal.,2005)。最近,我們在ELIP東段的貴州盤縣峨眉山玄武巖系頂部發(fā)現(xiàn)了厚達(dá)上百米的凝灰?guī)r層。這一發(fā)現(xiàn)及其噴發(fā)時間的確定為探討ELIP和生物滅絕之間的關(guān)系提供了重要物證和時間約束。2大石山組巖體特征表3研究區(qū)位于貴州盤縣境內(nèi),其大地構(gòu)造位置處于上揚(yáng)子準(zhǔn)地臺西南緣和華南褶皺系右江褶皺帶的結(jié)合部位。區(qū)域上出露地層從老到新有泥盆系、石炭系、二疊系、三疊系、下第三系和第四系。研究區(qū)內(nèi)出露地層單元主要有三疊系下統(tǒng)飛仙關(guān)組(T1f)、永寧鎮(zhèn)組(T1yn),二疊系中統(tǒng)茅口組(P2m),二疊系上統(tǒng)峨眉山玄武巖系(P3β)、龍?zhí)督M(P3l)和第四系(Q)。其中峨眉山玄武巖系(P3β)假整合于茅口組之上,與上覆龍?zhí)督M呈整合接觸(圖1b)。區(qū)內(nèi)巖漿巖以峨眉山玄武巖為主,零星見輝綠巖脈。峨眉山玄武巖系在本區(qū)以玄武巖、玄武質(zhì)火山碎屑巖與火山碎屑巖之間互層為特征,以玄武質(zhì)熔巖為主,總厚約400~500m。根據(jù)其巖性和巖石組合特點,將本區(qū)峨眉山玄武巖系分為4段(圖1c)。一段(P3β1)底部為灰至深灰火山角礫巖,角礫排列雜亂,其成分為玄武巖、凝灰?guī)r,呈棱角及次棱角狀,直徑在0.5~3.0cm之間,膠結(jié)物質(zhì)主要為泥質(zhì),呈基底式膠結(jié);中上部是灰黃、灰白、褐黃色薄層沉凝灰?guī)r、凝灰?guī)r,凝灰質(zhì)黏土巖夾薄層炭質(zhì)黏土巖及煤線,總厚約20m,分布不穩(wěn)定,受茅口組頂部起伏不平的古剝蝕面控制。二段(P3β2)主要為深灰色、灰色塊狀玄武巖,厚約280~320m,分布穩(wěn)定。三段(P3β3)主要為灰色塊狀凝灰質(zhì)玄武巖和凝灰?guī)r,在中上部凝灰?guī)r層中夾兩層凝灰?guī)r球,總厚度約100~120m,其中凝灰?guī)r厚約50~60m,分布穩(wěn)定。四段(P3β4)主要為灰、紫紅等雜色黏土質(zhì)凝灰?guī)r、凝灰?guī)r、凝灰質(zhì)黏土巖,中間偶夾1~2層薄層灰色玄武巖,厚約40m,分布穩(wěn)定。通過在鏡下觀察,本次研究樣品主要是玻屑凝灰?guī)r,其次為玻屑沉凝灰?guī)r。分別具明顯的凝灰結(jié)構(gòu)和沉凝灰結(jié)構(gòu),成分以剛性玻屑為主,在薄片中呈無色、灰色、淡黃、淡褐色,含量約70%~80%,粒度在10~80μm之間,呈尖弧狀、彎弓狀、不規(guī)則尖角狀、浮巖狀等雜亂排列,基本未變形,是原地堆積的產(chǎn)物,在玻屑間充填的黑褐色物質(zhì)可能是極細(xì)的火山塵或褐鐵礦等,約15%~25%(圖1e),玻屑沉凝灰?guī)r中混入的正常沉積物有方解石、石英、黏土礦物等,含量約10%~15%。需要特別說明的是,關(guān)于研究剖面的選擇,我們綜合考慮到剖面地層連續(xù)性、剖面出露情況、樣品新鮮程度以及樣品采集工作等問題。雖然本次樣品采集剖面的最頂部被第四系沉積物覆蓋(圖1c),但已證明該剖面的峨眉山玄武巖系無地層缺失(即頂部凝灰?guī)r是ELIP火山活動的最終產(chǎn)物,而非某一個旋回的結(jié)束產(chǎn)物)。另外,我們查閱了區(qū)域相關(guān)地層資料,且又在研究區(qū)附近測了2條地層連續(xù)完整的輔助對比剖面,通過剖面間的標(biāo)志層和厚度等一系列重要特征慎重對比后,綜合分析認(rèn)為,所選剖面是一套完整的峨眉山玄武巖系。然后繪制了研究區(qū)綜合地層柱狀圖(圖1c)。3試樣制作、年齡測定用于定年的樣品采自峨眉山玄武巖系頂部的新鮮凝灰?guī)r(約18kg,圖1c,d)。將樣品破碎,采用常規(guī)重-磁選方法,除去磁鐵礦、磁黃鐵礦等磁性礦物,然后在雙目鏡下挑選出晶形完好,透明度和色澤較好的鋯石單礦物黏在雙面膠上,最后用無色透明的環(huán)氧樹脂固定,待環(huán)氧樹脂充分固化后磨蝕露出鋯石內(nèi)部并拋光,具體操作流程參考鋯石SHRIMP樣品靶制作、年齡測定及有關(guān)現(xiàn)象的討論(宋彪等,2002)。陰極發(fā)光(CL)成像和鋯石U-Pb測年分析均在中國地質(zhì)科學(xué)院礦產(chǎn)資源研究所LA-ICP-MS鋯石測年實驗室進(jìn)行,本次實驗所采用的激光束斑直徑為25μm,剝蝕深度20~40μm,激光脈沖10Hz。普通鉛校正采用Anderson(2002)的方法,年齡計算采用國際標(biāo)準(zhǔn)程序Isoplot(ver3.0)。LA-ICP-MS鋯石U-Pb測年方法通過直接測定單顆粒鋯石晶體中微區(qū)的U-Pb同位素組成而得出年齡,其結(jié)果以206Pb/238U年齡計算,年齡誤差為1σ,加權(quán)平均年齡具95%的置信差。4u、th含量鋯石無色透明,金剛光澤,晶體呈柱狀,自形到半自形,粒徑40~100μm。有較清晰的生長環(huán)帶,表明為典型的巖漿型鋯石(圖2c)。樣品共測定了20個數(shù)據(jù)點(表1)。所分析的鋯石的U、Th含量范圍較大(U=36×10-6~931×10-6,Th=21×10-6~1027×10-6),Th/U比值都集中在0.5~1.5之間,而且Th和U之間有明顯的正相關(guān)性。測試點號DX01-3和DX01-10的數(shù)據(jù)由于諧和度低于95%,未納入計算。鋯石分析點的206Pb/238U的值介于248.7±2.0Ma和252.4±2.0Ma之間,加權(quán)平均計算年齡為251.0±1.0Ma(95%置信度,MSWD=0.36)(圖2a,b),與P-T的分界線年齡251.0±0.4Ma(章森桂等,2009)一致。5討論5.1火山噴發(fā)的結(jié)束時間探討目前,雖然大量研究顯示,峨眉山地幔大火成巖省的火山主要噴發(fā)期在~260Ma(Zhouetal.,2002,2005,2006,2008;WangandZhou,2006;ZhongandZhu,2006;Guoetal.,2004;陶琰等,2008;Taoetal.,2009),但火山噴發(fā)結(jié)束時間還存在著爭議。Heetal.(2007)對ELIP東部宣威組底部的碎屑巖及云南洱源峨眉山玄武巖系剖面頂部熔結(jié)凝灰?guī)r測得鋯石U-Pb年齡分別為257±3Ma和263±5Ma,并因此認(rèn)為該年齡代表了火山噴發(fā)的結(jié)束時間。然而需要指出的是,他們測定的年齡誤差大,其MSWD分別達(dá)6.5和7.5;且宣威組底部碎屑巖中的鋯石不一定就來自于峨眉山玄武巖,其熔結(jié)凝灰?guī)r樣品也非取自于剖面的最頂部。范蔚茗等(2004)和Loetal.(2002)通過40Ar/39Ar同位素測年,認(rèn)為峨眉山大火成巖省的結(jié)束時間約在~253Ma和~251Ma。但是,由于40Ar/39Ar容易受后期的熱蝕變事件干擾,所以他們測定的年齡結(jié)果被一些學(xué)者質(zhì)疑(Alietal.,2004,2005;Heetal.,2007)。許連忠等(2006)對威寧宣威組底部硅質(zhì)頁巖用Rb-Sr法測年,其年齡為255±12Ma,顯然該年齡的精度很差,無法很好地約束峨眉山玄武巖的噴發(fā)結(jié)束時間。本次研究樣品采自1個完整剖面,地層層序連續(xù)好,測年鋯石很少有殘留的繼承核,環(huán)帶發(fā)育清晰。18顆鋯石加權(quán)平均年齡251.0±1.0Ma基本上代表火山噴發(fā)結(jié)束的時間,該年齡與前人40Ar/39Ar法測年結(jié)果基本一致。然而,以前認(rèn)為峨眉山玄武巖噴發(fā)的結(jié)束時間為中二疊世而不可能是晚二疊世,其主要地質(zhì)依據(jù)是峨眉山玄武巖被晚二疊世龍?zhí)督M地層所覆蓋。但是,近年來的大量研究顯示,峨眉山玄武巖系和龍?zhí)督M地層具有穿插交替關(guān)系,因而被認(rèn)為可能是同時異相關(guān)系(陳景河等,2006;Zhouetal.,2000;Daietal.,2007,2010,2011),如陳景河等(2006)在黔西南二疊紀(jì)龍?zhí)督M地層中發(fā)現(xiàn)玄武質(zhì)火山碎屑巖與木炭碎屑共生的直接證據(jù),由此認(rèn)為,木炭碎屑是由火山作用引發(fā)森林大火而形成的,亦即發(fā)生火山作用和沉積作用具有同時性,與加拿大北極高地P-T邊界的煤灰層中粉煤灰顆粒的特征和形成環(huán)境十分類似,后者被認(rèn)為是巨大火山噴發(fā)的直接證據(jù)(Grasbyetal.,2011)。綜上所述,本次研究測定的年齡結(jié)果與地質(zhì)事實并不矛盾。結(jié)合前人的大量同位素年齡測定結(jié)果,推測峨眉山玄武巖的噴發(fā)具有多旋回的特點,開始于中二疊世,可能結(jié)束于晚二疊世末期。另外,本次的測年結(jié)果與前人的古地磁資料吻合,即峨眉山大火成巖省火山噴發(fā)可以劃分為兩個階段(Zhengetal.,2010)。5.2p-t界線生物大滅與火山活動的關(guān)系目前對華南地區(qū)二疊-三疊系界線(P-TB)生物大規(guī)模滅絕的機(jī)制仍然存在爭議,如火山學(xué)說(如Yinetal.,1992,2007a)、地外碰撞學(xué)說(如Jinetal.,2000;Kaihoetal.,2001;Beckeretal.,2001)、缺氧學(xué)說(如李玉成和周忠澤,2002;Griceetal.,2005;ShenYNetal.,2011)、以及海洋酸化學(xué)說(如Liang,2002;梁漢東和丁悌平,2004)等。但是,由于在華南地區(qū)已發(fā)現(xiàn)晚二疊世的凝灰?guī)r層或火山灰層較薄,因而一些學(xué)者由此認(rèn)為,火山活動(火山學(xué)說)導(dǎo)致大規(guī)模生物滅絕的觀點似乎有些牽強(qiáng)(如Jinetal.,2000;張招崇,2009)。根據(jù)P-T邊界普遍存在的火山物質(zhì),有學(xué)者提出華南地區(qū)二疊-三疊系界線生物滅絕與火山噴發(fā)有關(guān)的觀點,如何錦文等(1987)在浙江煤山地區(qū)二疊-三疊系界線黏土巖中發(fā)現(xiàn)高溫石英和火山玻璃等火山物質(zhì);ZhouandKyte(1989)在四川廣元上寺、浙江煤山和重慶涼風(fēng)埡剖面P-T邊界發(fā)現(xiàn)有火山灰層;Yinetal.(1989)發(fā)現(xiàn)華南地區(qū)多處二疊-三疊系剖面界線同樣存在高溫石英和火山玻璃等火山物質(zhì)。隨后的許多研究也表明P-T界線生物大滅絕與火山活動有密切的成因聯(lián)系,且對其進(jìn)行了同位素年齡的約束。如Bowringetal.(1998)對廣西來賓和合山地區(qū)P-T界線黏土巖層中的鋯石SHRIMPU-Pb測年,其年齡為251.0±0.3Ma;Mundiletal.(2004)對四川廣元上寺和浙江煤山剖面P-T邊界火山灰層中的鋯石SHRIMPU-Pb測年為252.6±0.2Ma,認(rèn)為該年齡代表了華南地區(qū)P-T界線生物大滅絕的時間;滇黔桂交界區(qū)域的二疊系-三疊系界線附近的黏土巖被認(rèn)為可能是由于火山灰降落伴隨正常沉積物沉積形成的(張素新等,2002,2004a,b,2006);楊逢清等(2005)和Yinetal.(2007b)在貴州威寧二疊系-三疊系界線剖面中發(fā)現(xiàn)了有火山成因的黏土巖,其附近上下2層的鋯石獲得的同位素年齡分別為247.5±2.8Ma和252.6±2.8M。此外,Xuetal.(2007)通過浙江煤山剖面P-T邊界地層中鉑族元素(PGE)與西伯利亞大火成巖省,以及峨眉山大火成巖省玄武巖中PGE的對比研究,發(fā)現(xiàn)其與這兩個大火成巖省在PGE上具有良好的親緣性;沈文杰等(2008)和Shenetal.(2011)在浙江煤山剖面P-T界線地層中發(fā)現(xiàn)黑炭記錄,認(rèn)為是強(qiáng)烈的火山噴發(fā)引發(fā)大量森林大火而造成了生物滅絕的殘留物質(zhì),即大火事件,以上研究也支持火山活動導(dǎo)致晚二疊紀(jì)華南生物大滅絕的觀點。雖然上述大量的研究在一定程度上揭示了火山作用與生物滅絕之間的成因聯(lián)系,但由于這些凝灰?guī)r或火山灰厚度小,且不與峨眉山玄武巖在空間上共生,所以不能很好地證明這些凝灰?guī)r是峨眉山大火成巖省的組成部分。本次研究表明,貴州盤縣峨眉山玄武巖系中含有多層及大量的火山碎屑物,其中凝灰?guī)r占絕對比例,厚度接近100m,而且測年結(jié)果與前人在華南其他地區(qū)的P-T邊界的凝灰?guī)r、火山灰或黏土巖時間一致,說明峨眉山玄武巖發(fā)生過強(qiáng)烈的火山爆發(fā),而且該次火山形成的凝灰?guī)r可能已經(jīng)遍及華南地區(qū),從而導(dǎo)致了該地區(qū)的生物大規(guī)模滅絕。由此也暗示,不僅僅是西伯利亞大火成巖省火山作用產(chǎn)生的火山灰或氣體對華南P-T邊界生物滅絕造成影響,峨眉山大火成巖省對此次生物滅絕事件也有重要影響。Courtillot(1999)全面地研究了各地史時期大火成巖省,認(rèn)為大火成巖省剖面中熔巖和火山碎屑的層數(shù)、厚度(即火山碎屑含量越高,表明其爆發(fā)性越強(qiáng))及其持續(xù)時間制約著火山噴發(fā)造成氣候變化的時空范圍與幅度,即爆發(fā)性越強(qiáng),其對氣候環(huán)境的影響越大,并且大火成巖省的噴發(fā)物體積與生物種屬滅絕的相對比例之間不存在