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沈延安课题组提出“平流层火山喷发”是奥陶纪末生命灭绝事件的驱动机制新观点

沈延安课题组提出“平流层火山喷发”是奥陶纪末生命灭绝事件的驱动机制新观点

沈延安课题组提出“平流层火山喷发”是奥陶纪末生命灭绝事件的驱动机制新观点

沈延安课题组提出“平流层火山喷发”是奥陶纪末生命灭绝事件的驱动机制新观点

(神秘的地球uux.cn报道)据中国科学技术大学(地球和空间科学学院、科研部):火山活动是全球气候变化和海洋化学组成巨变的主要驱动力之一,其中“平流层火山喷发”(即火山物质喷发至平流层-大约离地表20公里)对全球气候有直接的影响。在过去5.4亿年的地质历史中,发生了数次大规模的火山喷发以及5次生命大灭绝事件,但评估火山活动的喷发强度以及它们对生命演化的影响一直是极具挑战性的科学问题。

近日,中国科学技术大学沈延安课题组以高精度硫同位素分析为主要研究手段,发现在奥陶纪末生命灭绝事件的过程中硫同位素产生了非质量分馏,提出“平流层火山喷发”是奥陶纪末生命灭绝事件的驱动机制这一新观点。相关研究成果近日以“Large mass-independent sulphur isotope anomalies link stratospheric volcanism to the Late Ordovician mass extinction”为题发表于综合学术期刊《自然-通讯》(Nature Communications)。论文的第一作者是胡东平副研究员(2017年毕业于沈延安课题组)。

奥陶纪末生命灭绝发生在约4.4亿年前,造成了全球海洋中约85%物种的消失,也是地球过去5.4亿年来第二大生命灭绝事件。传统观点认为,奥陶纪末生命灭绝与当时冰期的开始和结束有成因上的联系,主要基于全球冰川的形成和消融决定了海洋生命系统的空间变化。但越来越多的证据表明,奥陶纪末的两幕式生命灭绝与冰川的形成和消融在时间上并不完全一致。因此,奥陶纪末生命灭绝的驱动机制一直是地球科学领域未解的重要问题之一。

针对这一科学问题,沈延安课题组开辟了新的研究思路,他们对华南奥陶纪末生命灭绝地层中的黄铁矿进行了高精度同位素分析,发现伴随着晚奥陶火山的喷发,硫同位素出现非质量分馏,当火山活动减弱和停滞后,硫同位素又呈现质量分馏。奥陶纪末非质量硫同位素记录的发现是23亿年以来地质记录中的首次报道。因此他们提出奥陶纪末火山活动为“平流层火山喷发”并触发和驱动了当时的生命灭绝事件。

该研究认为,奥陶纪末“平流层火山喷发”将大量二氧化硫、硫化氢和其它火山物质输送至平流层并形成了以硫酸盐为主的气溶胶层。硫酸盐气溶胶层对全球气候变化和地球系统的热量平衡起着至关重要的作用,因为平流层硫酸盐气溶胶反射短波的太阳辐射、同时吸收长波段的太阳辐射,从而导致地球表面温度下降(即加热自己,冷却地球)。在平流层的臭氧层附近,火山喷发的二氧化硫等含硫气体经光化学反应产生硫同位素的非质量分馏,并形成硫酸盐等沉降至地表和海洋中,最后保存于岩石中。经过短暂的冷却之后,“平流层火山喷发”释放大量温室气体使地表温度迅速升高并形成酸雨,导致陆地和海洋酸化以及海洋缺氧。因此,他们提出“平流层火山喷发”触发和驱动的一系列全球气候剧烈变化和海洋缺氧等环境恶化,直接导致了奥陶纪末生命大灭绝。

沈延安介绍说,该项研究对现代全球气候变化有重要的启示作用。卫星观察数据表明,近50年来平流层的硫酸盐浓度不断升高,一种观点认为是人类活动排放含硫气体造成的,也有研究认为是现代火山不断喷发导致的。很显然,高精度的硫同位素分析能够为探讨这一重要科学问题提供有力的手段。

该项研究受到国家自然科学基金创新研究群体、国家自然科学基金重点项目、中国科学院前沿科学重点研究项目等资助。

论文链接:https://www.nature.com/articles/s41467-020-16228-2

相关报道:我国科学家提出4.4亿年前地球生命大灭绝新机制

(神秘的地球uux.cn报道)据新华网:4.4亿年前地球曾发生生命大灭绝事件,导致约85%的动物物种消失,国际学界为灭绝原因争论了30多年。近期,中国科学技术大学沈延安课题组运用新方法研究认为,火山大喷发导致气候剧变是这次大灭绝的真正原因,这项研究对分析现代全球气候变化也有启示意义。国际权威学术期刊《自然·通讯》日前发表了该成果。

自5亿多年前寒武纪生命大爆发至今,地球上已发生5次生命大灭绝,其中第一次发生在4.4亿年前的奥陶纪末期。当时所有动物都生活在海洋中,鹦鹉螺、笔石、珊瑚等无脊椎动物空前繁荣,但大灭绝事件使约85%的物种消失。传统研究认为,当时地球进入了冰川期,以及之后冰川期结束气温上升带来的海洋缺氧,这“两幕”气候剧变导致大灭绝。

但是,越来越多的证据表明,奥陶纪末期的“两幕”式生命灭绝,与冰川的形成和消融时间不完全一致,国际学界为此争论不休。

近期,沈延安课题组开辟新思路,他们在华南地区找到与大灭绝同时代的黄铁矿,对其中的硫同位素进行高精度分析,提出是火山大喷发触发并驱动了生命大灭绝事件的新机制。

他们研究发现,奥陶纪末期发生的火山大喷发,将大量的二氧化硫、硫化氢等输送到20公里高空,抵达大气平流层并在那里形成以硫酸盐为主的“气溶胶层”。

“简单来说,气溶胶层会‘截留’太阳热量,使地球变冷。但一段时间后,气溶胶层中的硫酸盐会‘掉落’到地面,火山释放的温室气体占据上风,又会使地球急剧变暖。”沈延安说,正是这“一冷一热”的反复交替导致了生命大灭绝。而“一冷一热”所产生的不同化学反应物,会随酸雨等沉降到地表并保存在岩石中,成为数亿年后人们追溯破解谜题的“钥匙”。

卫星观察表明,近50年来地球大气平流层的硫酸盐浓度不断升高。有人认为是人类活动排放所致,也有人认为是现代火山喷发造成。沈延安认为,高精度的硫同位素分析法,能为寻求原因和对策提供手段。

相关报道:奥陶纪末生物大灭绝 新证据暗示火山喷发是“最大嫌疑人”

(神秘的地球uux.cn报道)据科技日报(陆成宽):近日,《自然·通讯》报道了一项关于奥陶纪末生物大灭绝的研究成果,中国科学技术大学沈延安研究团队发现,在奥陶纪末生物灭绝事件的过程中硫同位素产生了非质量分馏,提出“平流层火山喷发”是奥陶纪末生命灭绝事件的驱动机制。

长久以来,奥陶纪末生物大灭绝事件的原因一直是个谜,科学家曾提出冰川事件、火山爆发以及伽马射线暴等多种解释,但具体的驱动机制目前学界尚未形成统一认识。

冰川事件 遭受气候变冷和气候变暖“双重打击”

奥陶纪是古生代的第二个纪,气候温和,浅海分布广泛,现今1/3的陆地当时被浅海覆盖,海平面比现在高出400米,是地球历史上海侵最严重的时代。这一时期,海生生物空前发展,腕足动物、三叶虫、珊瑚、笔石等迅速演化,科学界称之为“奥陶纪生物大辐射事件”,原始的脊椎动物开始出现,陆地上除了很低等的植物,没有任何动物生存。

发生在大约4.4亿年前的奥陶纪末生命大灭绝,是地球自寒武纪生物大爆发以来最古老的生物灭绝事件,也是地球5.4亿年来第二大生命灭绝事件。当时的海洋生物遭遇了灭顶之灾。像珊瑚、腕足动物、三叶虫等生物门类的多个类群几乎“全军覆灭”,这次大灭绝重创了海洋生态系统,导致当时85%的海洋生物物种灭绝。科学界普遍认为,导致这场灾难的罪魁祸首就是奥陶纪末的冰川事件。

关于奥陶纪末生命大灭绝,以前主导的观点是将两幕式生物灭绝与当时冰期的开始和消融联系起来。长期以来,这次大灭绝事件的基本过程被描述为两幕式:第一幕起因于凯迪—赫南特期之交冈瓦纳冰盖的形成,造成新的凉水海洋生物全球广泛分布;第二幕则由于赫南特晚期冰川消融,导致早前的凉水动物整体消亡。

“具体来说,就是冰期开始的时候全球海平面下降,气候变冷,这一全球气候的突然变化直接导致海洋动物生存空间缩小,其结果是部分动物往海洋深部迁移并适应深部生存环境,但相当一部分动物因为对深部海洋生存环境的适应性较差而消亡。在持续大约100万年之后,冰川开始消融,全球海平面迅速升高,气候变暖,从而导致海洋缺氧。海洋内氧气的缺乏直接对奥陶纪末生命造成毁灭性的打击。”沈延安告诉科技日报记者。

真核藻类大爆发 海洋“吸收”有机碳致大气CO2浓度急降

虽然长期以来,赫南特冰期及其引发的气候、海洋环境变化,导致生物大灭绝是国际上较为主流的观点,然而这次剧烈、短暂的冰期为何能在二氧化碳浓度异常高的背景下发生仍是个谜。

2018年,美国哈佛大学地球与行星科学系安·皮尔逊课题组与中国科学技术大学沈延安研究团队合作在《自然·地球科学》上发表论文称,研究发现,海洋真核藻类的大爆发,或触发赫南特冰期,并间接导致奥陶纪末期生物的集体灭绝。

研究人员以美国内华达州维尼溪奥陶—志留纪典型剖面为研究对象。沈延安团队首先对该剖面进行了详细的野外考察并进行了高密度的样品采集工作,在此基础上中美合作团队开展了氮同位素的研究工作。研究结果显示,在奥陶纪末期,由于陆地大量维管植物首次出现与扩张,增强了大陆风化作用,导致海洋中生物可利用的限制性营养元素十分充裕。这为加速浮游植物的生长、繁殖提供了有力的条件。

氮同位素的研究结果证明了在赫南特冰期之前,真核藻类迅速扩张,大量有机碳迅速被埋藏在海洋中,致使大气中二氧化碳浓度短时间内急剧下降,这是此次赫南特冰期和生物大灭绝事件的重要驱动因素。

此外,还有研究人员认为,伽马射线暴导致了这次生物大灭绝。所谓伽马射线暴是宇宙中一种伽马射线强度在短时间内突然增强,随后又迅速减弱的现象。伽马射线暴的时间不长,通常只有几十秒,能量主要来自伽马射线。伽马射线是波长小于0.1纳米的电磁波,是一种比X射线能量还高的辐射。物理学家通过计算发现强大的伽马射线暴能够杀死一定范围内的宇宙生命。奥陶纪大灭绝是地球5大历史事件之一,导致海洋物种数量急剧下降。有证据表明,这一巨变发生在冰河时代,而伽马射线暴可能是触发此次大规模灭绝事件的原因之一。

平流层火山喷发 触发全球气候剧变和海洋环境恶化

“但是近年来科学家们通过全球范围内详细的野外考察和研究发现,奥陶纪末冰川期的开始和结束并没有与两幕式生命灭绝在时间上高度一致,因此将奥陶纪末生命大灭绝的原因与冰川的开始和消融直接联系起来受到了质疑。”中国科学技术大学地球和空间科学学院副研究员胡东平说道。

针对这一科学问题,研究人员开辟了新的研究思路。他们对华南奥陶纪末生命灭绝地层中的黄铁矿进行了高精度同位素分析,发现伴随着奥陶纪末火山的喷发,硫同位素出现非质量分馏,当火山活动减弱和停滞后,硫同位素又呈现质量分馏。“奥陶纪末非质量硫同位素记录的发现是有地质记录以来的首次报道。因此,我们提出奥陶纪末火山活动为‘平流层火山喷发’,触发和驱动了当时的生命大灭绝事件。也就是说‘平流层火山喷发’扣动了奥陶纪末生命灭绝的‘扳机’。”沈延安说。

该研究认为,奥陶纪末“平流层火山喷发”将大量二氧化硫、硫化氢和其他火山物质输送至平流层并形成了以硫酸盐为主的气溶胶层。硫酸盐气溶胶层对全球气候变化和地球系统的热量平衡起着至关重要的作用,因为平流层硫酸盐气溶胶反射短波的太阳辐射、同时吸收长波段的太阳辐射,从而导致地球表面温度下降。也就是说,硫酸盐气溶胶层加热了自己,冷却了地球。

在平流层的臭氧层附近,火山喷发的二氧化硫等含硫气体经光化学反应产生硫同位素的非质量分馏,并形成硫酸盐等沉降至地表和海洋中,最后保存于岩石中。经过短暂的冷却之后,“平流层火山喷发”释放大量温室气体使地表温度迅速升高并形成酸雨,导致陆地和海洋酸化以及海洋缺氧。因此,他们认为,“平流层火山喷发”触发和驱动的一系列全球气候剧烈变化和海洋缺氧等环境恶化,直接导致了奥陶纪末生命大灭绝。

在沈延安看来,该项研究对现代全球气候变化有重要的启示作用。卫星观察数据表明,近50年来平流层的硫酸盐浓度不断升高,一种观点认为是人类活动排放含硫气体造成的,也有研究认为是现代火山不断喷发导致的。很显然,高精度的硫同位素分析能够为探讨这一重要科学问题提供有力的手段。




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