牙形石钙同位素揭示早三叠世多次海洋酸化事件

 早三叠世是地质历史从古生代到中生代过渡的关键时期，见证了多次生物灭绝事件，包括显生宙五大灭绝之首的二叠纪-三叠纪之交灭绝事件，早三叠世史密斯晚期灭绝事件，及早三叠世末灭绝事件。二叠纪-三叠纪之交灭绝事件研究程度最高，被认为与西伯利亚火山及环特提斯洋周边火山引发的环境事件有关，包括全球变暖、海洋缺氧/硫化、海水酸化、重金属污染等。而早三叠世的另外两次事件研究程度较低，其原因并不清楚。

钙作为海洋中的重要元素，与海洋生物、碳循环、碳酸盐沉积和古气候变化等密切相关。钙同位素是示踪地质历史时期钙循环的重要手段，然而碳酸盐岩中的钙同位素容易受到成岩改造的影响，使之难以反映古海水的钙同位素变化。牙形石化石的主要化学成分是磷酸钙，不易受成岩过程的影响，是示踪古海水钙同位素变化及相关古环境变化的良好载体。

 图1 华南地区研究剖面(尖子山、作登、明塘)位置图

中国地质大学(武汉)生物地质与环境地质国家重点实验室三叠纪研究团队与美英科学家合作，选取华南上二叠统-中三叠统牙形石化石，进行了系统的钙同位素地球化学分析。研究成果发表于《化学地质》(Chemical Geology)上，题目为“Conodont calcium isotopic evidence for multiple shelf acidification events during the Early Triassic”。

该研究对华南地区三个剖面(尖子山、作登、明塘剖面，图1)32个层位的牙形石样品进行钙同位素分析，得到了晚二叠到中三叠世(长兴期-安尼期)较连续的牙形石同位素变化曲线，揭示了该时期海水钙同位素变化规律(图2)。

 图2 华南地区晚二叠-中三叠世牙形石δ44/40Ca与其他环境指标变化对比图

研究发现在二叠纪-三叠纪之交，史密斯-史帕斯亚期之交和早-中三叠世之交存在三次牙形石钙同位素的显著下降，下降幅度为0.2‰左右，反映了古海水钙同位素的变化过程(图2)。第一次事件与碳酸盐岩碳同位素的负偏，全球变暖，海洋缺氧，风化加剧，海平面下降等事件同时发生，可能是由于火山爆发释放大量二氧化碳，导致海洋酸化，碳酸盐骨架沉积减少，进而导致海水钙同位素下降(图3)。

早三叠世中、晚期的两次钙同位素负偏事件与碳同位素的正偏，全球变冷，海洋缺氧同时发生，与二叠纪-三叠纪之交的事件性质明显不同。本研究基于牙形石钙同位素，并结合已有地质记录，提出一个新的成因模式，即上升流导致的大陆架酸化事件(图3)。早三叠世海洋长期处于分层状态，下层海水长期缺氧、酸化。气候变冷促使洋流循环加速，上升流将下层缺氧、酸化海水带到大陆架，导致浅水碳酸盐沉积减少、钙同位素负偏、生物灭绝(图3)。

 图3 早三叠世多次海水钙同位素负偏的成因模式

该研究得到国家自然科学基金项目、国家重点研发计划、中国科学院战略性先导科技专项的资助。

论文信息：Song, H. J., Song, H. Y., Tong, J. N., Gordon, G. W., Wignall, P. B., Tian, L., Zheng, W., Algeo, T. J., Liang, L., Bai, R. Y., Wu, K., Anbar, A. D., 2021. Conodont calcium isotopic evidence for multiple shelf acidification events during the Early Triassic. Chemical Geology, 562: 120038. https://doi.org/10.1016/j.chemgeo.2020.120038

本文来源：宋海军投稿