距今約2.5億年的二疊紀(jì)末期，地球上發(fā)生了最大規(guī)模的一次生命大滅絕事件，超過90%的海洋生物和70%的陸地生物消失。

科學(xué)家們一直在尋找消失的原因。

近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)沈延安教授課題組發(fā)表于國際學(xué)術(shù)期刊《地球與行星科學(xué)通訊》的最新研究結(jié)果認(rèn)為，西伯利亞“超級火山”噴發(fā)出的大量二氧化硫形成的硫酸鹽氣溶膠，在全球范圍內(nèi)擴(kuò)散和沉降所導(dǎo)致的氣候和環(huán)境變化，可能是二疊紀(jì)末陸地生命大滅絕的主要原因。

記者就此采訪了中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授沈延安和課題組李夢涵博士。

“硫酸鹽氣溶膠”或是陸地生命大滅絕重要因素

為了探究二疊紀(jì)末陸地生命大滅絕之謎，沈延安課題組和美國康涅狄格大學(xué)地球科學(xué)系的同行開展合作，選取澳大利亞悉尼盆地二疊—三疊紀(jì)地層作為研究對象，共同進(jìn)行多學(xué)科系統(tǒng)研究。

據(jù)介紹，研究團(tuán)隊(duì)對1000多米長的地下鉆孔樣品和相關(guān)地層進(jìn)行了詳細(xì)測量和多種數(shù)據(jù)分析，首先確定了陸地生物在悉尼盆地滅絕的層位和時(shí)間。

在此基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)對鉆孔樣品中的黃鐵礦開展了高精度硫(S)同位素測試。

研究發(fā)現(xiàn)，硫同位素在陸地生物滅絕期間發(fā)生了巨大波動，滅絕期間，硫同位素顯著降低。

“這主要是由悉尼盆地湖水中的硫酸鹽濃度急劇升高所導(dǎo)致，正常情況下，湖水中只含有微量硫酸鹽。”李夢涵解釋，火山噴發(fā)的二氧化硫和其它含硫氣體直達(dá)平流層，也就是離地表大約10公里以上，在較短時(shí)間內(nèi)即會形成硫酸鹽氣溶膠，隨著平流層環(huán)流輸送到全球各處。

而悉尼盆地湖水中硫酸鹽濃度的升高則來自大氣中硫酸鹽氣溶膠的沉降，源于西伯利亞“超級火山”噴發(fā)。

圖中紅線為悉尼盆地生物滅絕的層位。 沈延安教授供圖

“紅線代表了陸地生物的滅絕層位，可以看到，紅線下面黑色的巖石是煤層，紅線以上煤層消失，因?yàn)橹参锒紲缃^了。”李夢涵介紹，煤層的消失是全球性的，它也是陸地生物滅絕的重要標(biāo)志之一。

李夢涵還補(bǔ)充，硫酸鹽氣溶膠具有較強(qiáng)的反射太陽輻射的作用，因而可增加地球反照率而使地表溫度降低。釋放硫酸鹽氣溶膠也會形成“硫酸雨”腐蝕地表環(huán)境系統(tǒng)。擴(kuò)散的硫酸鹽氣溶膠若與鹵素發(fā)生反應(yīng)，會使得臭氧層變薄，紫外線照射加劇，而使大量植物滅絕。

因此，課題組推斷，硫酸鹽氣溶膠的全球擴(kuò)散對當(dāng)時(shí)地表環(huán)境造成了嚴(yán)重破壞，如地球表層氣溫間歇性地陡然下降、持續(xù)性的酸雨、臭氧層的變薄等，從而導(dǎo)致陸地生命大滅絕。

海洋生命大滅絕或因“含鎳氣溶膠”

傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為，二疊紀(jì)末期，陸地和海洋生物幾乎是同時(shí)滅絕，滅絕原因和機(jī)制相同。

而沈延安告訴記者，“越來越多的證據(jù)表明，海洋生物滅絕要比陸地生物滅絕晚大約20萬年以上。”

2021年4月，沈延安教授課題組曾發(fā)表研究，含鎳氣溶膠是導(dǎo)致2.5億年前二疊紀(jì)末生命大滅絕的罪魁禍?zhǔn)�，而含鎳氣溶膠就是來自西伯利亞“超級火山”噴發(fā)。

“西伯利亞火山噴發(fā)時(shí)，火山將地下的含鎳礦層噴發(fā)至平流層，形成含鎳氣溶膠，經(jīng)大氣環(huán)流的傳輸在全球范圍內(nèi)沉降。”李夢涵介紹說，“過量的鎳限制植物光合和呼吸作用，造成海水缺氧和酸化，是導(dǎo)致海洋生物大量死亡的關(guān)鍵原因。”

那么，如何證明這一結(jié)論呢?

沈延安課題組以高精度鎳(Ni)同位素分析為主要手段，選取加拿大北極地區(qū)的二疊—三疊紀(jì)地層進(jìn)行了系統(tǒng)研究。

“我們研究的地點(diǎn)是加拿大北極地區(qū)的斯沃德魯普盆地，盆地當(dāng)時(shí)位于西伯利亞火山的下風(fēng)口�；鹕絿姲l(fā)的產(chǎn)物大約只需要4—8天就可以到達(dá)該盆地，因此它是研究二疊紀(jì)末火山噴發(fā)如何驅(qū)動環(huán)境變化的理想地區(qū)。”研究發(fā)現(xiàn)，在二疊紀(jì)末頁巖層的鎳含量遠(yuǎn)高于普通頁巖的濃度，而到了生命大滅絕層位，鎳濃度又陡然下降。

但是，又該如何證明這里的鎳是來自全球擴(kuò)散的含鎳氣溶膠，而不是當(dāng)時(shí)的海洋本身富含鎳呢?

“我們精確地測定了布坎南湖剖面的鎳同位素組成，”李夢涵解釋，“發(fā)現(xiàn)布坎南湖剖面的鎳同位素組成異常，它們代表了目前所有沉積巖最極端的負(fù)值，與海洋沉積物的組成有巨大的差別，但與含鎳礦層的組成相似。鎳同位素的組成充分證明了它不是正常海洋條件下的產(chǎn)物，而是源于大氣中的含鎳氣溶膠。”

據(jù)介紹，采用鎳同位素解析生命滅絕過程中的環(huán)境變化，沈延安團(tuán)隊(duì)是首創(chuàng)。這一研究成果曾發(fā)表在國際學(xué)術(shù)期刊《自然·通訊》上。