2006年第34卷第2期地球与环境
V ol.34, No.2, 2006 EARTH AND ENVIRONMENT35 文章编号：1672-9250（2006）02-0035-06
二叠-三叠纪生物绝灭事件的地球化学研究新进展
张 俊，梁汉东＊，梅亚青
（中国矿业大学（北京）煤炭资源与安全开采国家重点实验室，北京 100083）
摘 要：二叠－三叠纪生物绝灭事件在地史发展中有着重要作用，灭绝加速了物种的进化和更替。本文简要总结了近几年来全球地球化学、地质和古生物等学者关于P-T生物绝灭事件的研究，包括事件的测年研究进展和事件原因的种种学说，其中详细阐述了地外碰撞（小行星或彗星）、火山学说、缺氧学说以及海洋酸性化假设的研究进展，并对该绝灭事件研究意义进行了简单的分析和探讨。
关键词：二叠－三叠；生物绝灭；碰撞；火山喷发；缺氧
中图分类号：P534 文献标识码：A
自显生宙以来（540 Ma左右），地球生命经历
了五次生物大绝灭（Big Five），分别发生在奥陶纪末期、泥盆纪末期、二叠纪末期、三叠纪末期、白垩纪末期[1-2]。其中灭绝程度最为严酷的是发生在二叠纪末期的全球生物大绝灭，大约有90%的海洋物种和70%的无脊椎动物在该次事件中消失[3－5]。Erwin[6]根据地质和地球化学研究资料对该事件的产生原因进行推测，但限于没有足够证据，不能确定导致该次事件的原因是海进海退事件、火山事件、还是地外事件（小行星或彗星碰撞），亦或是几种原因共同所至。但自此以后，全球地球化学家、地质学家、古生物学家等开始对该事件进行多角度、多学科的研究，并取得一系列成果。特别值得一提的是，中国浙江省煤山剖面2001年被国际地层委员会正式确定为“全球二叠系－三叠系（P-T）界线层型剖面和点”(即“金钉子”)[7－8]，该地层记录相当完整，是研究界线层序、古生物学、地层学和界线问题的首选剖面。
收稿日期：2005-08-23；修回日期：2005-12-12
基金项目：国家自然科学基金（40572020、40232025）；教育部博士点基金（20040290005)
第一作者简介：张俊（1981－），男，博士生，研究方向为环境地球化学。
＊通讯作者：梁汉东，教授，博导，E-mail： 1灾变地层的同位素测年研究
全球二叠－三叠系界线附近普遍发育粘土层，为该界线地层放射性同位素测年提供了可靠的物质基础。
近十几年来，国内外很多学者在P-T界线剖面上进行了同位素测年研究。Claoue-Long等[9]将我国长兴煤山剖面界线粘土（白粘土）层中的锆石用SHRIMP离子探针测定，得出界线年龄值为251.2±3.4 Ma；Bowring等[10]给出的界线年龄值为251.4±0.3 Ma；Mundil等[11]采用高温退火，加上高温高压下HF作用等前处理技术，去除损失Pb的锆石部分，得出该界线地层绝对年龄为252.6±0.2 Ma。由测年研究的结果和趋势，该事件的发生可能比以前学者预测的更加早一些。
2 小行星（彗星）碰撞学说
20世纪80年代初，Alvarez在意大利Gubbio地区白垩－古近系（K-E）粘土层中发现铂族元素铱含量异常，推测白垩纪末期恐龙等生物绝灭的原因可能是由于小天体撞击地球[12]。此后，很多学者纷纷开始在类似的粘土层中做关于铱含量的测定。Xu 等[13－14]曾在中国煤山P-T剖面发现Ir异常和微粒球，进而又结合一些证据，包括碳同位素异常、内裹地
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外气体He/Ar的富勒烯、微粒球和冲击石英等，从而推测绝灭事件可能是地外原因；王新平等[15]在广西东罗二叠－三叠系界线也发现Ir中等异常，并且由于剖面为棕色页岩，所以推测异常并非吸附富集。然而，Retallack等[16]研究发现P-T界线剖面铱异常不明显，要比白垩－古近系界线层中的铱异常低1~2个数量级，因此认为绝灭事件并非地外原因；金玉玕等系统研究煤山剖面生物化石种类，其中
包括162属，133种生物化石，并结合碳同位素异常和微粒球的发现，倾向于认为这次生物绝灭是地外原因所至[17]。随之2001年，Kaiho等声称在中国煤山剖面粘土层底部也发现微粒球，并通过研究P-T界线附近硫同位素的变化，认为撞击使幔源硫物质大量释放导致硫同位素的变化，从而解释二叠纪末期的灾变可能是受到了小行星或彗星的撞击[18]；但Koeberl 等随后就五个方面对Kaiho的推论又提出质疑[19]；Becker等[20]在中国和日本P-T剖面发现了地外稀有气体He和Ar存在于富勒烯中（如图1），并且3He/4He 和40Ar/36Ar都接近于星际中的大气，这些证据都都进一步支持地外碰撞事件。但同时，很多学者对他们的观点又提出了质疑。Farley等[21]通过重复Becker 的实验却没有得到期望的结果，进而对Becker由此提出的碰撞理论表示强烈反对；Isizako也同样对Becker观点提出了质疑[22]。不过，Li和Liang等[23]在中国煤山剖面P/T界线层白粘土中也证实了天然富勒烯的存在（见图2），并实验观察发现富勒烯富集于下伏于白粘土底部的红色微层，然而，实验结果并没有证实Becker关于富勒烯内包裹有地外气体（He和Ar）的报道。Basu等[24]在南极的Graphite山峰的两个二叠纪末期沉积岩样中发现了多种微粒状球粒陨石碎片，其Fe/Ni，
对党的寄语图1富勒烯结构示意图
Fig.1. The sketch of fullerene. Co/Ni的值表明了其陨石来源，结合其它关于撞击的证据，提出该次事件和K/E事件一样，同属于撞击所致。
图2煤山剖面P-T界线附近富勒烯垂直分布图[23] Fig. 2. Profile of fullerences vertically across the P-T boundary
in the Meishan ction.
3火山事件
殷鸿福等[25]论述了晚二叠纪时的火山作用异常活跃，影响面广泛，并指明中国华南有17处P-T “界线粘土”来源于火山灰；王尚彦等[26]由黔西地区陆相粘土岩矿物分析，也发现粘土中的物质主要为火山成因。Erwin通过对西伯利亚大规模火山事件的研究，提出了火山成因学说[3]；Renne等[27]和Reichow等[28]通过在西伯利亚地区的研究，估算得出P-T界线处的一百万年间约有（2～3）×106km2火山性熔岩被喷发出来。大面积和高能量的火山作用完全有能力在平流层产生大量的尘埃，屏蔽阳光，形成“白色地球”，造成大量生物绝灭，也可解释在P-T界线粘土层中观察到的金属铱异常，冲击矿物等现象。另外，他们又通过在中国煤山P-T剖面凝灰岩中40Ar/39Ar的研究，证明该事件发生在250.0±0.2 Ma，与西伯利亚火山爆发事件测年（250.0 ±0.3 Ma）很一致。Mundil等[11]又得出了新的测年数据，其结果（252.6±0.2 Ma）同样也证明了与西伯利亚火山爆发事件的一致性，进一步支持了火山学说。但是Berner[29]通过计算火山喷发的CO2和δ13C的关
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系，提出单一火山事件不足以导致碳同位素的较大负异常，进而推断该生物绝灭事件可能是几种原因共同所至。
4 缺氧事件
缺氧环境对大多数需氧的底栖生物无疑是一场灾难。缺氧环境产生的沉积物一般有如下特征：（1）黑色；（2）富含有机碳；（3）层理薄，发育水平纹层；（4）粒级限于粉砂至泥级；（5）含有硫化物相的标志物（如黄铁矿）；（6）缺乏底栖生物化石。近十几年来，国内外很多学者对二叠－三叠系界线附近地层进行了研究，普遍认为该时期处于一个缺氧环境。Wignall等[30]由西伯利亚、意大利和苏联的实验数据，认为在晚二叠纪全球海洋（高纬度和低纬度）都处于缺氧环境，并推测缺氧可能就是绝灭事件的原因；Isozaki[31]通过对日本，哥伦比亚和加拿大深海燧石的研究，也认为P-T时期全球处于一个缺氧的环境；Nieln等[32]对格兰陵盆地东部的P-T剖面的黄铁矿的分布和同位素进行了研究，同样确定当时为缺氧还原环境；李玉成等[33]提出缺氧海水中的毒气是导致P-T绝灭事件的原因。Huey等[34]研究显生宙大气中O2的变化，发现在二叠纪末期全球O2含量偏低，CO2含量升高，推测可能是该生物绝灭时间的原因所在。Grice和我国学者曹长群等[35]在Perth盆地和煤山剖面的沉积物进行分子化石研究（如图3），发现厌氧绿硫细菌，进而提出海底缺氧还原环境产生硫化氢有毒气体可能是该事件的真正原因，并且延缓了绝灭后的生物恢复。
5 海洋硫酸化环境灾变
梁汉东等[36－39]观察和研究了煤山剖面二叠－三叠系界线第25层白粘土为代表的化学事件层及相关地层的岩石矿物记录，认为：白粘土下伏富针铁矿的红色微层是P-T界线灾变事件的天然标志；碳酸盐岩沉积间断作为宏观地球化学标志指示了二叠纪末期的古海洋一度遭受严重酸化，海洋酸度达到pH≤4.0，可能导致生物绝灭事件；典型硫酸盐矿物石膏进一步示踪了古海洋的酸性来自硫酸水合物，进而得出，二叠纪末期全球短暂升温事件和海底缺氧事件可能是海洋硫酸化的派生事件，并且海洋硫酸化事件本身则很可能直接导致二叠纪末期的海洋生物的绝灭。于开平等[40]通过对煤山D剖面附近粘土分析，发现无论是粘土矿物组合还是伊利石结晶度，在P-T界线都发生了变化，也推测可能是由于当时海洋酸碱度和温度变化导致生物大规模灭绝。
图3 P-T界线粘土中发现的绿硫菌的GC-MS图[35]
Fig.3. GC-MS of chlorobiaceae from P-T boundary clay.
A．Perth盆地；B．煤山剖面
6 讨论
P-T界限灾变事件的终极原因依然争论不定，火山论与撞击论的分歧最为激烈，更难解决的是，相同的证据却有不同的解释，如铱异常可以认为是撞击体气体散落物，又可能是火山喷发沉降物；冲击石英可以认为是撞击时冲击形成，又可能是火山喷发作用形成，等等。尽管如此，新的研究方法和研究思路使很多问题越来越清楚，也提供了很多新的研究视野，譬如：Xie等[41]从生物标志物（蓝细菌）着手，并结合无脊椎动物化石记录，提出两幕绝灭机制理论；梁汉东等[36-38]由宏观矿物研究，提出海洋酸性化的假设；另外，硫同位素的研究近年来也逐渐受到重视[39, 42-44]，其可能与碳同位素研究
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有着同等重要的作用。同时，开展古环境模拟试验，如古生物、古细菌的生存环境模拟等，这将对认识该事件的内涵也具有相当大的意义。所以P-T界限问题的研究应该进一步深化，多角度地开展。我
国在该领域具有很好的研究条件，老一辈地质科学家几十年的努力，加上我国华南地区有很多很好的P-T露头剖面，相信最终必将剖析出该事件的全部真正内涵。
7 结束语
在地学界，灾变并非一个毛骨耸然的字眼，很多学者认为，灾变与均变在地球的演化史中具有同等重要作用[45]。在二叠－三叠地史转换时期，生物在长期平静的演化之后，在该重大转折期发生了地球历史上规模最大的，对生物进程影响最为深远的生物集群灭绝事件。充分挖掘该界线地层中记录的各种地质地球化学信息，研究古环境的背景与演化，以及生物集群大绝灭过程和成因，对协调当今人与自然的关系和实现可持续发展有重要的启示意义。
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ADV ANCES IN GEOCHEMICAL STUDIES OF PERMIAN/TRIASSIC
MASS EXTINCTION
ZHANG Jun, LIANG Han-dong, MEI Ya-qing
(China University of Mining and Technology, Beijing 100083, China;
State Key Laboratory of Coal Resources and Safety Mining, Beijing 100083, China)
Abstract
The Permian/Triassic mass extinction plays a great role in the evolutionary history of the Earth. After that, the revolution of species was accelerated greatly. The paper summarizes simply the rearch results of geochemists, geologists and paleontologists in recent years, including dating of the event and veral hypothes. Especially, we described in detail the exterrestrial impact (asteroid or comet), volcanic eruption, anoxia and marine acidification, and then made a simple analysis and discussion in the significance of mass extinction.
Key words: Permian/Triassic; mass extinction; impact; volcanic eruption; anoxia
