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晚泥盆世弗拉期-法门期(F-F)之交发生的生物大灭绝事件,是显生宙5次生物大灭绝事件之一。F-F生物大灭绝事件的显著特点是低纬度浅海相、礁相生物深受该事件的影响,而高纬度、深海相和陆生生物所受影响甚微。众多学者围绕着F-F事件就地内因素和地外因素做了大量的研究和探讨,但造成F-F之交生物大灭绝的真正原因尚无定论。
沉积物及生物壳体中稀土元素(REE)特征对揭示其物源组成、沉积环境变化、大地构造背景等具有重要意义。本文系统采集广西桂林杨堤剖面泥盆纪F-F之交新鲜灰岩样品和牙形石样品,分别分析全岩样品和牙形石生物磷灰石中REE及相关微量元素特征,结合华南F-F之交生物地层、事件沉积和沉积古地理特征,从稀土元素化学学的角度,为认识泥盆纪F-F之交的海洋化学条件和生态环境变化提供新的资料。
系统测试和分析广西桂林杨堤剖面剖面F-F界线上下地层全岩样品和牙形石生物磷灰石样品REE及相关微量元素,发现全岩样品Ni异常和REE的Eu异常与牙形石生物磷灰石中的Ni异常具有很好的对应关系,这两种元素异常均来源于华南裂谷活动所带来的具强烈Eu正异常和富含重金属离子的热液流体。研究样品中REE的四素组效应特征及牙形石生物磷灰石中富集的Ni表明,酸性的热液流体与海水的混溶使正常海水的pH值急剧下降,造成了海水酸化。热液事件的发生层位与F-F之交生物灭绝阶段有较好的对应关系,热液流体带来的多金属离子和酸性液体对生态系统产生重大影响,破坏海洋生物的生存环境和自身组织结构,引起浅海生物的大灭绝。另一方面,对比分析两种载体的Ce异常后发现,F-F之交,Palmatolepis牙形石生活的中层的水体呈富氧状态,同时底层水体的缺氧状态并不明显。缺氧事件似乎并不是F-F之交浅海相生物,特别是牙形石灭绝的主要因素。
杨堤剖面REE特征揭示出在F-F界线之下存在明显的热液作用,其层位与华南F-F之交Ni异常出现层位及欧洲、哈萨克斯坦、乌拉尔北部、波兰等地火山-热液事件层位相当。晚泥盆世F-F之交全球范围内大致同时发生的火山-热液活动及事件沉积(风暴岩、浊积岩)很难用地外碰撞之外的原因来揭示。F-F之交华南地区甚至全球均存在的明显热液-火山事件很可能是地壳自身活动规律及碰撞作用共同的产物。
众多研究表明,晚泥盆世海洋环境存在许多不稳定因素,包括海平面的变化、植物大举登陆造成的陆地风化作用的加剧、Kellwasser缺氧事件、地外碰撞及热液事件等。本文通过对华南泥盆系典型剖面两种载体REE及相关微量元素及F-F之交的生物灭绝阶段、缺氧层位及海平面变化特征的对比分析,认为F-F之交的热液事件对F-F之交环境剧变和生物灭绝有重要影响。热液事件对海洋生态系统的破坏本身并不是单方面的,热液事件造成的如海洋酸化、重金属毒害、水体富营养化及缺氧、菌藻微生物的繁盛等“并发症”,特别是海水pH值的急剧下降无疑会对晚泥盆世的浅海生态系统造成重大创伤。另一方面,F-F之交的地外事件会极大地加剧热液作用的强度和范围,同时伴随碰撞作用的海水动能的提高会加剧热液流体与浅海海水的混合;同时弗拉期末期的大海退极大的加剧了热液流体对浅海环境的影响范围和“相对深度”。这两种机制的叠加无疑会造成更大范围海洋生态系统受更深远的影响。