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发生于201.6Ma前的三叠纪-侏罗纪之交生物大灭绝事件是显生宙以来五次生物大灭绝事件之一。由于三叠纪末期海退使得保存良好的海相剖面十分稀少,导致人们对这一次重大生物环境事件的了解远少于其他几次大灭绝事件,但是随着技术手段的发展和新剖面的发现,三叠纪-侏罗纪界线事件已成为近年来国际地学界的热门课题之一。这次大灭绝事件普遍被认为与Pangea大陆裂解产生的中大西洋火成岩省(CAMP)喷发有直接关联,大量溢流玄武岩的喷发释放了超过8000Gt的CO2和5000Gt的CH4,引起了剧烈的温室效应。据模型估算,大约使pCO2升高了4倍,全球气温升高了3-4℃,并由此引发了全球变暖、浅海缺氧和绿藻泛滥和扰动碳、硫循环。尽管对海洋生态系统的了解相对深入,但陆地生态系统在这一时期的变化却并不清楚,而且其与大规模火山作用的成因关系也不明确。
火灾不论是在现代还是地质历史时期,对周围环境和生态系统都会造成重大的影响。火灾通过燃烧破坏植被使土壤的保水能力下降,增加了风化和侵蚀速率,使得大量的陆源碎屑得以随地表径流被带入海洋,提高了海洋初级生产力和碳埋藏量,造成浅海藻类大量繁盛,甚至引发赤潮致使浅海缺氧生物窒息死亡。同时大火还会产生大量CO2、SO2、PAHs、有机卤化物和黑碳颗粒,造成温室效应、使周围生物窒息死亡、破坏臭氧层等效应。
多环芳烃广泛分布在现代沉积物和岩石中,其中主要有成岩作用和热解两种来源。相对高含量的热解型PAHs通常作为识别森林大火的标志,而无烷基取代的母体PAHs相对烷基支链取代的PAHs占主要组成的分布特征被认为是来源于植物燃烧过程。
本文通过对四川盆地东南缘的重庆合川三叠纪-侏罗纪(T-J)界线剖面的有机地球化学分析,在T-J界线处检测到了高含量的燃烧来源的PAHs。通过对剖面PAHs的定量分析发现,燃烧来源PAHs在界线事件层的含量比周围岩层的背景值高1-2个数量级,而且多种PAHs含量同时在界线事件层达到最高峰;此外界线事件层中PAHs以无烷基取取代的母体PAHs占主要组分的特征以及荧蒽指数(荧蒽/(荧蒽+芘))>0.5,这些都证实了界线事件层的PAHs来源于植物燃烧,而不是来源于成岩作用或者石油产物。并进一步证实了在合川三叠纪-侏罗纪界线剖面发生了森林大火事件,产生了数量可观的PAHs保存在地层中,并且可能影响三叠纪-侏罗纪之交的陆地生态系统。
火灾出现也从侧面反映了当时的大气氧含量可能超过了15%,而不是之前模型所指示低于引发自然火灾所需的大气氧含量的10-13%,以至于前人认为三叠纪-侏罗纪之交不会有自然火灾出现。近年来,相继在欧洲大陆的波兰、德国和瑞典,以及格陵兰岛等地剖面发现在三叠纪-侏罗纪界线处频繁发生大火的证据,这些都被认为与CAMP的喷发有联系,认为是CAMP引发的后续效应通过大火影响了陆地生态系统。而对于大火是否如白垩纪末生物大灭绝事件一样遍布全球的猜测却因为没有其他地区的报道而仍然只是一个猜想。本文在华南四川盆地东南缘的陆地河湖相剖面发现的自然火灾事件为全球大火的确定提供了一个点上的资料。
剖面的有机碳同位素和PAHs含量分布都指示在界线事件层上下有明显差别,界限下的晚三叠世地层呈现出高背景值的动荡而界线上早侏罗世地层则为低背景值平稳变化,这可能反映了生物大灭绝事件前后生态系统不同的面貌。同时王永栋等(2009)对本剖面植物群落面貌进行统计分析发现在大灭绝事件前后合川地区植物群多样性发生了明显变化,种一级的损失达到了90%以上,并且阔叶型植物被窄叶型植物所替代。
对于这次火灾事件的成因以及对生物大灭绝事件的影响,笔者主要有以下儿点认识:
1,本文所记录的火灾事件可能是干燥气候下闪电所引发的,而和火山作用没有直接联系。因为三叠纪-侏罗纪之交四川盆地都没有明显的火山作用的痕迹,比如火山灰沉积或者岩浆岩喷发等。但CAMP却是火灾产生的根本原因,CAMP喷发引起了急剧的温室效应,pCO2升高了4倍,全球平均气温升高了3-4℃。使得植物群为了适应突变的环境而被迫发生变化,阔叶型植物群被更易燃的窄叶型植物群所替代,这为大火提供了适合的燃料来源。温室效应及气温的变化使当时地处热带的合川地区由晚三叠世的温热湿润气候变成干旱炎热气候,这为大火形成提供了气候上的条件。同时气温上升造成热带上空的水蒸气增多,增大了闪电形成的概率,这为大火形成提供了点火机制。
2,大火可能是引起陆地生态系统崩溃的重要因素,而其也可能成为连接大灭绝事件过程中海洋和陆地生态系统的纽带,火山活动、大洋缺氧、温室效应以及森林大火的综合效应为揭开三叠纪-侏罗纪之交重大生物和环境变化的神秘面纱提供新的视野。大范围森林火灾会破坏大面积的植被,造成大量动植物因窒息死亡,同时产生的烟尘和有毒气体、PAHs等会进一步危害更大范围的动植物;产生的有机卤化物进入大气中能破坏臭氧层,引起动植物被过量的紫外线杀死或突变。而火灾后的侵蚀和风化速率增大使得大量的陆源碎屑被河流带入海洋中,N、P、K等营养盐的加入引起藻类大量繁殖,甚至形成赤潮阻碍水生光合作用和溶解氧的来源,造成造礁生物和海洋动植物的大量死亡。
总而言之,合川三叠纪-罗纪界线剖面的森林火灾事件为进一步揭开三叠纪-侏罗纪之交生物灭绝事件的神秘面纱提供了一种新的观点。大火可能不是生物灭绝事件的根本原因,但是却对生态系统的崩溃和随后的复苏起剑了举足轻重的作用。