原创 沈俊 喻建新等
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距今约2.5亿年前，是地球由二叠纪迈入三叠纪的关键时刻，发生了地史上最惨烈的物种灭绝事件，导致当时地球上九成以上的海洋生物和七成以上的陆地脊椎动物消亡（参照最新文章，Fan et al.,2020）。探究此次生物界发生如此剧变的原因，一直是地学界的研究热点，也一直受到科学爱好者的关注，并表示出对人类未来发展的担忧。与此次生物大灭绝事件几乎同时期发生的还有显生宙以来最大的陆地大火成岩省——西伯利亚大火成岩省喷发事件。这次“超级火山事件”也被认为是引起此次生物大灭绝以及地表生态系统几乎全面摧毁的主要原因（Burgess and Bowring,2015）。历史果真如此吗？我们首先要解决的问题，就是这个远古“超级火山事件”何时发生的？影响范围有多大？只有摸清这个“超级火山事件”的底细，才能够窥知这段时间内全球范围生物大灭绝和它的关系。但是，由地球内部上涌而来的熔岩和火山喷出的火山灰往往只保留在火山口附近，火山活动结束后，岩浆和火山灰缓慢冷却，形成碱性火成岩和火山灰黏土岩，而在火山影响范围之外的大部分地层中缺乏火山活动的直接记录（如火山灰黏土岩）。所以，如何在缺失火山喷发的直接岩石记录的地层内寻找能够指示火山曾经发生的证据，是系统探索二叠纪至三叠纪期间火山活动具体时间段、发生过程和频率键。
近几年的研究显示，沉积物中汞元素浓度和同位素可以有效记录火山活动（Grasby et al.,2019）。汞，俗称水银，由于熔点和沸点很低，和其他常温下通常呈固体的金属元素不同，常为液体并且极易挥发成为气体，它是唯一可以在大气中以气态单质形式存在，并可进行长距离传输的有毒重金属。工业革命以来，由于人类燃烧化石能源及工厂排放，汞元素被大量释放到地球表层大气和海洋中，人类活动是这些汞的主要来源（每年11–20×106摩尔），但在地质历史上，火山活动才是自然界最大的汞来源，其来源主要包括：1）火山喷发，岩浆上涌，汞从地球深部直接释放到地表；2）岩浆在上升过程中，加热地壳表层有机质含量高的沉积地层（比如煤等），这些有机质中的汞在高温下脱离并被释放到大气中；3）火山作用引起的森林野火，生物中的汞被大量释放。除这些原因之外，陆地风化作用加强，也可以使陆地系统的汞元素释放到大气。所以，地质历史上大规模火山喷发，特别是高温熔浆加热有机质含量高的沉积物（类似于当今社会人类燃烧化石能源），可以在短时间内释放出大量的汞元素，导致沉积物中汞元素富集。由于汞的沸点低，在大规模火山活动时期多以气态形式通过大气传输，因此可以在数月内（一般0.5-2年）通过大气环流传输到全球范围（图1）。同时，汞在海洋水体中的停留时间很短（几百年），易于从海水中被捕获并进入到沉积物中（图1）。相对于其他研究手段（比如火山灰粘土岩分布、锆石测年），汞元素的这些特征决定了它可以用来指示大范围内（全球范围）沉积物中高分辨率（千年级别）的火山活动记录。
图1汞元素在地球表层各个系统的运移和传输过程示意图（Shen et al.,2019a）
同时，汞同位素可以有效地示踪沉积物中汞元素的来源。虽然火山作用可以导致沉积物中汞元素浓度发生异常，但是沉积物中汞元素记录仍需要更深入的研究，其主要原因是沉积物中汞元素富集机制极其复杂，火山活动并不是导致沉积物中汞异常的唯一原因。比如，河流可以从陆地携带来大量汞元素至浅海地区沉积，所以在陆地输入量增大的情况下，近岸区域会出现汞浓度升高，而离陆地较远的深水剖面则缺乏汞异常记录（Them et al.,2019）。因此仅仅根据沉积物中汞元素浓度来追踪火山活动记录还存在很大缺陷。汞在自然界存在７种稳定同位素，其平均丰度分别为196Hg(0.15%)、198Hg(9.97%)、199Hg(16.87%)、200Hg(23.10%)、201Hg(13.18%)、202Hg(29.86%)和204Hg(6.87%)。汞同位素分馏概括起来可分为质量分馏（包括动力学分馏和热力学平衡分馏）和非质量分馏，由于其同位素分馏机制不同，同位素分馏记录可以用来指示不同的地球生物学过程（Blum et al.,2014）。汞同位素，特别是奇数非质量分馏（△199Hg）会在光化学还原作用下产生明显差异，而其他地表的生物化学过程对其分馏影响不大（Blum et al.,2014），而且△199Hg在不同储库记录中具有明显的差异（Blum et al.,2014;Yin et al.,2016）（图2）：在海洋体系（海洋水体沉降物和生物体）中其值主要偏正；在陆地体系（土壤、植物和沉积物）中其值主要以负值为主；火山来源的值则接近于零（+0.02±0.06‰）。因此，结合汞元素含量和同位素奇数非质量分馏记录可以很好地指示沉积物中汞元素的沉积异常和示踪汞异常的来源。基于以上背景，近年来沉积物中汞元素浓度和汞同位素奇数非质量分馏异常被广泛用来指示地球历史上多次关键转折期的古火山记录（Grasby et al.,2019）。
图2汞奇数非质量分馏（△199Hg）在陆地、海洋、和火山来源的值（来源Shen et al.,2019a）
汞浓度和同位素对二叠纪与三叠纪之交海相沉积物火山记录时限和频率有很好制约。汞元素浓度峰值异常波动在26个二叠纪与三叠纪之交的海相剖面都有记录（图3）。研究剖面来自不同的水深（近岸、大陆坡到开阔海洋）和古地理位置（古特提斯洋边缘、泛大陆边缘和泛大洋），具有很好的代表性。在生物灭绝界线附近，所有研究剖面汞元素浓度比背景值高2-8倍，而且奇数非质量分馏（△199Hg）在灭绝界线附近偏移到火山来源汞同位素范围（零值附近）（图3）。全球范围内不同沉积剖面，特别是远离大陆的开阔海域剖面（如图4中的Gujo-Hachiman剖面），汞浓度峰值和同位素异常都指示二叠纪与三叠纪之交沉积物中的汞富集主要是火山来源，汞通过大气循环系统进行传输，导致了在全球范围内同时代岩层中汞富集，而陆源物质带来的汞元素输入不能解释远离陆地区域汞浓度和同位素异常记录（Shen et al.,2019b）。在浙江长兴县煤山D剖面第25层记录中，汞浓度峰值和汞同位素波动与海洋生物大灭绝界线有很好的对应性，指示海洋生物大灭绝和西伯利亚大火成岩省第二阶段对应（高温岩墙侵入到周围沉积盆地，Burgess et al.,2017）。
图3二叠纪与三叠纪之交汞元素报道的海相剖面（黑色圆圈）（Shen et al.,2019a）以及本研究选取的两个陆相剖面（红色三角形），LB是华南地区鲁贝剖面，DLK是新疆地区大龙口剖面
图4泛大洋Gujo-Hachiman剖面的汞元素浓度和同位素记录（Shen et al.,2019b）
运用汞及其同位素对二叠纪与三叠纪之交火山活动时限的制约研究还存在很多问题，其中尤为突出的是二叠系与三叠系之交的汞元素记录研究对象主要集中在海相剖面，而陆地沉积物中的汞元素记录和火山活动的关系研究还处于起步阶段。笔者通过选取华南地区和新疆地区两个陆相剖面为研究对象（图3左图），探究沉积物中汞浓度和同位素记录对火山活动的记录（Shen et al.,2019c）。结果显示在两个研究剖面（鲁贝和大龙口剖面）生物灭绝界线附近汞浓度明显升高，指示界线附近有异常的汞元素来源（图5）。同时，汞同位素奇数非质量分馏（△199Hg）表明研究剖面汞浓度升高主要来源为火山输入和陆源物质输入混合所致（图6）：在汞浓度高的层位记录中，部分层位其汞同位素和背景值没有明显变化，说明其来源和背景类似，指示陆地输入来源；但是部分高汞浓度层位汞同位素值和火山来源类似（接近零），指示火山来源。此研究首次报道二叠纪与三叠纪之交陆相地层的汞元素及其同位素记录，并把汞元素与火山活动、陆地表层的环境波动联系起来。这为系统认识二叠纪与三叠纪之交沉积物中汞元素记录和火山活动的关系提供了更多的证据。
图5华南地区鲁贝剖面有机碳同位素（A）、汞浓度（B）和汞同位素（C）分布(Shen et al.,2019c)
虽然运用汞及其同位素变化来探究二叠纪与三叠纪之交的火山记录已经开展了很多工作，但仍有一些问题需要进一步研究。如图4所示，在鲁贝剖面汞浓度开始升高的层位要早于有机碳同位素最大负偏的层位（类似的记录在新疆大龙口剖面也出现，参照Shen et al.,2019c），这是什么原因导致的呢？如果汞元素和碳元素都是由于西伯利亚火山作用而释放到地球表层，那么这个差异是否能反应汞比碳在地表的停留时间更短？汞可以更迅速地被转移到沉积物中，即地层中汞的含量变化能够更“灵敏”地指示火山或其他事件。是不是可以用汞峰值来作为更高精度的地层对比指标呢？第二，目前主要的工作还是集中在泛大陆的北侧（劳亚大陆），缺乏冈瓦纳大陆（特别是陆相）地层的记录，这对认识西伯利亚火山活动的全球效应还存在很大的补充空间。
图6华南鲁贝剖面二叠纪与三叠纪之交汞浓度和汞同位素相关图（Shen et al.,2019c）
本文第一作者系中国地质大学（武汉）副教授
本文属作者本人理解，相关问题交流可通过邮箱shenjun@cug.edu.cn与本人联系。
欲知更多详情，请进一步阅读相关原始文献。
主要参考文献
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