三叠纪-侏罗纪过渡期大陆风化增强与还原性地表径流

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三叠纪-侏罗纪过渡 大陆风化 还原性径流 铁同位素 锌同位素 化学风化指数 生物炭

三叠纪-侏罗纪过渡期大陆风化与地表径流还原条件的研究

学术背景

三叠纪-侏罗纪过渡期（Triassic-Jurassic Transition, TJT）是地球历史上一次重大的生物灭绝事件，被称为三叠纪末大灭绝（End-Triassic Extinction, ETE）。这次灭绝事件导致了海洋和陆地生态系统的广泛生物多样性下降，其主要触发因素被认为是中央大西洋岩浆省（Central Atlantic Magmatic Province, CAMP）的火山活动。CAMP的喷发不仅引发了全球气候变化，还导致了大陆风化强度的显著增强以及陆地氧化还原条件的改变。然而，关于这一时期大陆风化强度和地表径流氧化还原条件的具体变化，学界尚未有全面的认识。

为了填补这一研究空白，本文作者通过分析高纬度和中低纬度地区的地层剖面，结合铁（Fe）和锌（Zn）同位素数据，探讨了ETE-TJT期间大陆风化的增强以及地表径流的还原条件。这一研究不仅有助于理解地球历史上的重大环境变化，还为现代气候变化和生态系统响应提供了重要的参考。

论文来源

本文由Ruoqi Wan、Chengshuai Yuan、Sheng-Ao Liu、Linhao Fang、Jun Shen和Xiaomei Wang共同撰写。作者分别来自中国地质大学（北京）地质过程与矿产资源国家重点实验室、中国石油勘探开发研究院、中国石油大学（北京）石油资源与工程国家重点实验室以及中国地质大学（武汉）地质过程与矿产资源国家重点实验室。论文于2024年10月17日在线发表在《Geology》期刊上，DOI为10.1130/G52551.1。

研究流程与结果

研究流程

  1. 样品采集与地层分析
    研究选取了两个地层剖面：高纬度的郝家沟剖面（Haojiagou Section, HJG）和中低纬度的七里峡剖面（Qilixia Section, QLX）。这两个剖面分别位于中国西北部的准噶尔盆地和西南部的四川盆地。通过对这两个剖面的地层进行详细的岩性描述和年代学分析，研究人员确定了ETE-TJT过渡期的地层位置。

  2. 同位素与化学风化指数分析
    研究人员对采集的沉积岩样品进行了铁（δ56Fe）和锌（δ66Zn）同位素分析，并结合化学风化指数（Chemical Index of Alteration, CIA）进行综合研究。CIA是衡量化学风化强度的指标，其值越高，表明风化作用越强。

  3. 多环芳烃（PAHs）分析
    为了进一步探讨地表径流的还原条件，研究人员还对样品中的多环芳烃（Polycyclic Aromatic Hydrocarbons, PAHs）进行了分析。PAHs是野火燃烧的产物，其含量变化可以反映野火活动的强度。

主要结果

  1. 铁和锌同位素的变化
    研究结果显示，在ETE-TJT期间，两个剖面的δ56Fe值均出现了显著的正偏移，表明铁同位素分馏增强。与此同时，δ66Zn值在HJG剖面中出现了下降，而在QLX剖面中则表现出较大的波动。这些同位素变化与CIA值的增加同步，表明在ETE-TJT期间，大陆风化强度显著增强。

  2. 化学风化指数的变化
    CIA值在ETE-TJT期间显著升高，尤其是在HJG剖面的第43-49层和QLX剖面的第15-18层。CIA值的增加与δ56Fe的正偏移呈正相关，表明在增强的风化作用下，地表径流的氧化还原条件发生了变化。

  3. 多环芳烃的变化
    研究还发现，δ56Fe的正偏移与PAHs含量的增加呈正相关。特别是在TJT期间，PAHs的含量显著增加，表明野火活动在这一时期达到了高峰。野火产生的生物炭（biochar）可能通过微生物介导的铁还原过程，进一步增强了地表径流的还原条件。

结论与意义

  1. 大陆风化的增强
    研究结果表明，ETE-TJT期间大陆风化强度显著增强，这与CAMP火山活动引发的全球气候变暖密切相关。增强的风化作用不仅改变了地表径流的化学组成，还影响了全球碳循环。

  2. 地表径流的还原条件
    通过铁同位素和PAHs的分析，研究人员发现，ETE-TJT期间地表径流的氧化还原条件发生了显著变化。野火活动产生的生物炭通过微生物介导的铁还原过程，进一步增强了地表径流的还原性。

  3. 全球环境变化的启示
    这一研究为理解地球历史上的重大环境变化提供了新的证据，特别是CAMP火山活动对全球气候和生态系统的影响。此外，研究结果还为现代气候变化和生态系统响应提供了重要的参考。

研究亮点

  1. 多同位素联合分析
    本研究首次将铁和锌同位素与化学风化指数结合，全面揭示了ETE-TJT期间大陆风化和地表径流氧化还原条件的变化。

  2. 野火活动的影响
    通过PAHs的分析，研究人员首次将野火活动与地表径流的还原条件联系起来，揭示了CAMP火山活动对陆地生态系统的深远影响。

  3. 全球对比研究
    研究选取了高纬度和中低纬度两个剖面进行对比分析，为全球范围内的环境变化研究提供了重要数据支持。

其他有价值的信息

  1. 微生物介导的铁还原
    研究还探讨了微生物在铁还原过程中的作用，揭示了生物炭作为电子供体在铁还原中的重要性。

  2. 碳循环的反馈机制
    通过分析PAHs和CIA的变化，研究人员进一步探讨了野火活动对全球碳循环的反馈机制，为理解地球历史上的碳循环变化提供了新的视角。

本研究通过多学科交叉的方法，全面揭示了ETE-TJT期间大陆风化和地表径流氧化还原条件的变化，为理解地球历史上的重大环境变化提供了新的证据和视角。