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【前沿报道】Science Advances:中奥陶世生物大辐射的触发机制——来自L型球粒陨石的证据
2019-12-01 | 作者: | 【 】【打印】【关闭

  关于奥陶纪生物大辐射事件(GOBE)的成因,目前存在两种观点。一种观点认为中奥陶世动物群落和气候的变化与一颗直径约150 kmL型球粒陨石母体(LCPB)的裂解有关。而且,这次裂解也是地球过去30亿年来所记录的最大一次陨石裂解事件。中奥陶世沉积物中普遍存在的陨石颗粒(直径1-20 cm)就是这次陨石母体裂解的证据。另一种观点是从牙形石氧同位素古温度计的推算来揭示奥陶纪全球气候表现为一个不断趋冷的过程,并以此来解释这次生物大辐射事件(Trotter et al., 2008) 

  目前,支持宇宙因素触发GOBE的证据有:已有的铬尖晶石数据支持这次裂解发生的时间为~466 Ma。在瑞典Hallekis-Thorsberg剖面中存在一套厚约5 m的地层(当地居民称作Arkeologen层),在其中发现了超过130颗陨石,且均为L型球粒陨石。通过测量这些陨石中的铬铁矿颗粒的21Ne数据,将这一裂解事件发生的时间约束在距离Arkeologen层底界之下~0.4-1.2 m之间。关于LCPB裂解和GOBE事件是否存在因果关系的争论的原因在于缺少高分辨率的证据来限定这次裂解事件发生的精确时间。 

  为了解决这一问题,来自瑞典隆德大学的Schmitz教授及其合作者近期在Science Advances上发表了他们的研究成果,他们选取位于瑞典南部KinnekulleHallekis-Thorsberg剖面(图1)和俄罗斯圣彼得堡附近的Lynna River剖面,利用高分辨率、多指标(铬尖晶石、3He187Os/188Os)的证据来限定地层序列中与这一裂解事件相对应的确切位置。 

1  瑞典南部中奥陶世H?llekis剖面。红线代表了LCPB裂解的时间(文中所指的-1 m)。在该界面之上,球粒陨石的种类全为L型球粒陨石,该界面之上生物碎屑的颗粒大小变粗,指示全球海平面下降。T?ljsten层为一套低位沉积,全球可追踪对比(Schmitz et al., 2019

  他们的研究结果表明:Hallekis剖面的各种分析指标均指示LCPB裂解事件发生的时间对应于距离Arkeologen层底界之下1 m(即-1 m)处。该界面之上,来自宇宙中的铬铁矿颗粒数量显著增加,这种增加可至少向上延伸8 m,时间相当于2-4 Ma。此外,陨石的类型也由界面之下不同种类的陨石变为界面之上单一的L型球粒陨石(图2)。3He在该界面处发生剧增,指示LCPB裂解产生的尘埃首次到达地球(时间误差±50 ka)。187Os/188Os的证据也表明从这一层位处开始地外物质进入海底的数量增加(图3)。作者又对现今南极陨石中的铬铁矿颗粒进行分析,结果表明该界面之上地层所含有的粒径>32 μm的铬铁矿颗粒就是从这次LCPB裂解事件产生的。此外,作者发现这次裂解事件产生的铬尖晶石通量要比显生宙其他时期高出2-3个数量级。 

2  H?llekis-Thorsberg剖面中平衡态普通球粒铬铁矿颗粒(EC)的分布特征。TST?ljsten低位沉积(Schmitz et al., 2019

  基于以上证据,作者认为中奥陶世的这次冰期是由LCPB的裂解所触发(或加强)的。在今天地球的大气层中,来自宇宙空间的尘埃只占据了平流层中尘埃总量的1%,不足以对地球的气候产生显著的影响。相反,如果在大气层中尘埃的数量增加了2个数量级以上,且持续了数十万年,必然会导致全球降温。LCPB的裂解不仅影响地球的大气圈,也使得整个太阳系空间变得充满尘埃,这也会遮蔽照向地球的阳光。与此同时,LCPB裂解产生的尘埃会将生物必需的营养元素带入海洋,提高古海洋生物的初级生产力,从而导致大气中CO2浓度降低。 

  从沉积学角度来看,证明这次冰期存在的沉积记录是“Taljsten,它一直被解释为Kunda沉积旋回的低位体系域。这套低位体系域在波罗的海、劳伦大陆、西伯利亚、冈瓦纳大陆和中国扬子台地均可追踪。在Hallekis剖面,构成“Taljsten低位沉积的灰岩中生物碎屑在整个剖面中是最粗的,指示很强的水动力条件。此外,该突变界面之上的灰岩Al2O3的含量较低,说明灰岩中粘土含量低,质地干净,这也从侧面反映了这次裂解事件的存在。基于对Lynna River Valley剖面腕足动物群的研究,古生物家发现LCPB裂解产生的尘埃在剖面中的首现层位对应着浅水腕足群落对深水腕足群落的替换Rasmussen et al., 2016。我国华南宜昌普溪河剖面也存在这种变浅的沉积学证据Heck et al., 2010。除此之外,证明这套浅水沉积的古生物学证据还包括:浅水腹足、棘皮和介形虫化石等。因此,作者认为困扰地质学家长达一个多世纪的“Taljsten低位沉积是在中奥陶世冰川作用导致的全球海平面下降时期沉积的。 

3  H?llekis剖面下部平衡态普通球粒铬铁矿颗粒(EC)全岩丰度、3HeAl2O3含量以及187Os/188Os比值,生物骨骼碎屑颗粒的丰度(据Lindskog et al., 2014, 2017) 

  本研究通过解释上述LCPB裂解与中奥陶世冰期、生物大辐射等事件存在的因果关系,解释了为何在一个温室条件下会存在冰期,这也为我们今天如何应对温室效应提供了一定的参考价值和指导意义。 

  主要参考文献 

  Heck P R, Ushikubo T, Schmitz B, et al. A single asteroidal source for extraterrestrial Ordovician chromite grains from Sweden and China: High-precision oxygen three-isotope SIMS analysis[J]. Geochimica et Cosmochimica Acta, 2010, 74 (2): 497-509.链接  

  Rasmussen C M ?, Ullmann C V, Jakobsen K G, et al. Onset of main Phanerozoic marine radiation sparked by emerging Mid Ordovician icehouse[J]. Scientific Reports, 2016, 6(18884): 18884.链接 

  Schmitz B, Farley K A, Goderis S, et al. An extraterrestrial trigger for the mid-Ordovician ice age: Dust from the breakup of the L-chondrite parent body[J]. Science Advances, 2019, 5(9): eaax4184.链接 

  Trotter J A, Williams I S, Barnes C R, Christophe L, et al., Did cooling oceans trigger Ordovician biodiversification? Evidence from conodont thermometry[J]. Science, 2008, 321(5888): 550-554.链接 

(撰稿:刘康,江茂生/油气室)

 
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