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二叠纪是地质历史上环境变化的一个重大转折期。早二叠世(乌拉尔世)Asselian-Sakmarian期是晚古生代冰期最鼎盛的时期,冰川覆盖了南方冈瓦纳大陆的大部分地区和北半球的高纬度地区。到了早二叠世晚期,冰川消退,海平面逐渐上升,地球由冰室气候逐渐进入到温室气候。而在瓜德鲁普世(中二叠世)末期和二叠/三叠系(P/T)界线附近发生了生物大灭绝事件。论文选择了俄罗斯南乌拉尔地区早二叠世海相碳酸盐沉积和华南海相二叠纪地层共计8条不同时代的剖面,开展整个二叠纪的碳酸盐岩全岩碳同位素研究,试图建立二叠纪碳同位素的整体变化框架,并讨论其对二叠纪环境变化过程的响应。
南乌拉尔地区三条早二叠世海相沉积剖面的碳同位素(δ13C)记录,完整展现了早二叠世Asselian阶到Artinskian阶的δ13C变化过程。值得注意的是,碳、氧同位素在三个剖面都表现出了良好的同步变化关系,可能代表了晚古生代冰期-间冰期气候变化对碳循环的影响。δ13C在Asselian阶呈现为逐渐上升的趋势,可能是晚石炭世Gzhelian阶上升过程的继承。其在Asselian/Sakmarian界线附近表现为两次负偏,同时出现在Usolka剖面和Kondurovsky剖面,可以作为地层对比的潜在标志。Asselian阶δ13C的正偏趋势结束于Sakmarian早期,代表发育于南方冈瓦纳大陆的冰期GlacialⅢ或P1的结束。碳、氧同位素在Sakmarian早期表现为快速负偏,并且在中期出现并行波动变化特点,预示着冰期GlacialⅢ或P1的快速消退以及后期冰川GlacialP2的频繁挣扎型的消退与增生过程。δ13C在Dalny Tulkas剖面的Artinskian阶早期快速降低,并持续表现为-15‰以下负值。该时段的氧-碳同位素交叉分析并没有显示出后期风化或者淡水淋滤的影响。我们认为碳同位素的这种极负值表现与区域性的有机质供应增强和后期微生物作用下的甲烷和硫酸盐循环密切相关。
华南选择了5条海相二叠系沉积剖面代表了从早二叠世到二叠纪-三叠纪过渡期的碳酸盐岩全岩碳同位素记录。总体上,整个二叠纪的碳同位素表现为逐渐下降的趋势。从晚石炭世Gzhelian阶到早二叠世Asselian阶,δ13C碳同位素处于5‰到6‰的高值。在Sakmarian阶到Artinskian阶(相当于马平组上部地层),碳同位素平均值逐渐下降到3‰左右;在栖霞组到茅口组下部,δ13C重新上升到4‰左右,并一直保持到茅口组中部。δ13C在茅口组上部表现为快速降低,并维持低值穿越瓜德鲁普统-乐平统过渡期。晚二叠世乐平世碳同位素逐渐从4‰下降到2‰,并在二叠系-三叠系界线附近表现出不同幅度的快速降低特点。
Gzhelian-Asselian阶的δ13C高值区在时间上应代表晚古生代冰期GlacialⅢ或P1在华南的响应。其Sakmarian-Artinskian阶过渡期的逐渐降低可能代表冰期GlacialP2消融在华南的微弱反应。华南栖霞组-茅口组下部出现大量黑色硅质岩和富有机质灰岩代表冰期后大规模的有机物埋藏,并表现为碳同位素的正偏响应。华南茅口晚期碳同位素所出现的长期低值区段,可能代表前乐平统生物事件前期的环境恶化背景或者对应于华南峨眉山玄武岩开始喷发所导致的大气CO2轻碳同位素组成的富集变化。晚二叠世δ13C从4‰缓慢变化到2‰的过程,可能与东吴运动后期气候变暖、陆地抬升造成的埋藏有机质的暴露风化、氧化过程密切相关。
华南不同海相二叠系沉积剖面的碳同位素记录,在梁山段、栖霞组顶部、茅口组上部和吴家坪组上部都表现出快速的负偏特点,可以作为华南不同地区地球化学地层的对比标志。但是,这种对比在变化幅度和精确层位上还存在一定的偏差,可能是岩性和生物地层对比精度不够,也可能是不同环境碳同位素表现差异的影响。