华南二叠纪—三叠纪海相碳酸盐岩的Cd同位素组成及古海洋环境指示

The largest mass extinction event in Earth history occurred at the Permian-Triassic (P-T), for which scientists have done lots of work and proposed several mechanisms to explain. However, there is a hot debate on the primary reason that causes this event and how it works. Prior studies showed that there was a positive relationship between Cd and phosphate concentration in modern oceanic system, while Cd isotopic composition was negatively related to Cd concentrations. Meanwhile, it is easy for Cd to substitute Ca in CaCO3. Thus, Cd isotopes can be a potential proxy to trace the phosphate variation in marine environment. In this proposal, the Permian-Triassic (P-T) carbonates (south China) have been chosen as research subjects and the Cd isotopes are considered as main geochemical tracer. We will focus on the Cd isotopic compositions in carbonates and its fractionation mechanism, paleo-oceanic nutrient material cycling, utilization and evolution, combining with other paleo-oceanic environmental index (e.g. paleo-biology and sedimentology index). All of these give us some useful information about paleo-oceanic nutrient material utilization and ocean primary productivity variation in paleo-oceanic system, providing a new insight in how mass extinction event occurred at the Permian-Triassic (P-T). In addition, we also want to provide a new clue for inquiry on the evolution of paleo-oceanic environment in geological history.

二叠纪末期发生了自显生宙以来规模最大的一次生物大绝灭事件。国内外学者对全球二叠系—三叠系（P-T）界线进行了卓有成效的研究，提出了很多生物大绝灭的原因，但是对于哪一个是促发机制、哪一些是主要原因还存在较大的分歧。研究表明，现代海水中营养物质磷酸盐的浓度与Cd的浓度成正相关关系，而海水Cd的浓度与Cd同位素组成为负相关关系，且Cd相对容易取代Ca进入碳酸盐岩中。从而可通过Cd同位素来反演海水中营养物质磷酸盐的浓度变化。本项目拟选取华南二叠纪至三叠纪海相碳酸盐岩为研究对象，以Cd 同位素为主要研究手段，以同位素分馏机制和古海洋营养物质的循环、利用、演化为研究核心，结合古生物学、沉积学等指标，揭示二叠纪至三叠纪这一地质时期的海洋营养物质利用情况和古海洋初级生产力的变化，从一个新的视角对发生于P-T界线上的生物大绝灭事件进行探索。同时也有望对整个地质时期的古海洋环境和生命演化研究提供新的线索。

项目选取浙江煤山P-T界线“金钉子”剖面和四川上寺P-T界线剖面的海相碳酸盐岩为研究对象，以Cd同位素为主要研究手段，从二叠纪至三叠纪这一地质时期的古海洋初级生产力的视角对发生于P-T界线上的生物大绝灭事件进行探索。在煤山剖面，研究发现生物大绝灭事件发生前的二叠纪末，海相碳酸盐岩的δ114/110Cd指示的海洋初级生产力较高且稳定（碳酸盐岩的δ114/110Cd 变化于+0.31‰ ～ +0.60‰; 校正后的古海水的δ114/110Cd变化于+0.47‰ ～ +0.79‰）；在生物大绝灭事件发生期间，海相碳酸盐岩的δ114/110Cd指示的海洋初级生产力呈现波浪式变化，且每一幕生物灭绝事件发生之前的海洋初级生产力都突然变得很低。在上寺剖面，Cd同位素研究也显示生物大绝灭事件发生前的二叠纪末的海洋初级生产力较高且稳定（碳酸盐岩的δ114/110Cd 变化于+0.55‰ ~ +0.82‰，平均+0.70‰），而生物大绝灭事件发生后的三叠纪初的海洋初级生产力很低且变化范围不大（碳酸盐岩的δ114/110Cd 变化于-0.23‰ ~ +0.04‰，平均-0.04‰）。我们推测发生在P-T之交的生物大绝灭事件可能是一个渐进过程，是由于海洋生态系统食物链最底端的初级生产者受到破坏而引发的连锁反应。此外，煤山P-T界线剖面和打将P-T界线剖面的Mo同位素研究发现P-T之交海洋缺氧与灭绝事件几乎同时发生或稍微早一点，且海洋缺氧持续的时间短暂（可能小于0.093 Ma）。