黔桂地区法门期-杜内期气候和环境事件的碳同位素记录研究

A major transition of marine ecosystem represented by noticeable changes of sedimentological and geochemical records occurred during the Famennian-Tournaisian,indicating the onset of the Late Paleozoic Glaciation and major transition of global climate.Paired carbon isotopic analysis of marine carbonate and organic carbon were used to reconstruct global carbon cycle changes and glaciation in deep time, and has recently become a focus of interest in geosciences and isotopic geochemistry. Guizhou and Guangxi provinces are well-known for their complete marine Famennian-Tournaisian geological sequences, which are characterized by the exellent preservation and conspicuous discrepancy of sedimentary facies, and have been well studied in biostratigraphy, chronostratigraphy and sedimentary geology, and thus,provide excellent materials for the analyses of carbon isotope geochemistry.The proposed project is based upon the integration analysis of Famennian-Tournaisian carbon isotope records for inorganic and total organic carbon in different sedimentary facies of Guizhou and Guangxi provinces, for a better understanding of the evolutionary characteristics of the carbon isotopic compositions and atmospheric pCO2 during this critical time interval. The case study would also form a basis for a further investigation of the relationship between carbon cycle perturbation and global climate change during Famennian-Tournaisian.

法门期-杜内期的海洋生态系统发生了重要转变，沉积类型和地球化学记录均表现出明显的变化特征，反映了晚古生代成冰作用的开始和全球气候的变化。通过无机和有机碳同位素的对比分析，重建地质历史时期碳循环过程和成冰作用，已成为当今地球科学和同位素地质研究的热点之一。黔桂地区是世界范围内法门阶-杜内阶地质记录保存最好，出露最完全，沉积相分异十分明显的地区，有着良好的生物地层、年代地层和沉积地质研究基础，为这一主题的研究提供了难得的材料。应用无机和有机碳同位素对比分析手段，对黔桂地区不同沉积环境中的碳同位素记录变化特征进行综合分析，揭示黔桂地区法门期-杜内期大气-海洋系统发生重要转折时碳同位素组成和大气二氧化碳分压的变化特征。作为一个实例，为进一步探讨法门期-杜内期碳循环异常与全球气候变化之间相互关系奠定坚实的基础。

泥盆纪末期-石炭纪早期的海洋生态系统发生了重要转变，生命演化进程和海洋地球化学循环表现出明显的变化特征，反映了晚古生代冰期的开始和全球气候的变化。本项目拟应用无机和有机碳同位素对比分析手段，研究华南地区不同沉积环境中碳同位素记录的分布特征，揭示该时期大气-海洋系统发生重要转折时华南地区的碳同位素组成和大气二氧化碳分压变化规律。迄今为止，主要取得了以下几方面的研究成果：1）建立起华南地区法门阶顶部-杜内阶高精度的综合生物-化学地层格架，为研究该时期的碳循环异常提供高精度的时间框架。在广西隆安剖面隆安组和贵州其林寨剖面汤粑沟组自下而上分别识别出7个牙形刺生物带，可在华南浅水相区进行广泛对比。与此同时，识别出无机碳同位素值的四次正向偏移事件，分别为HICE、P1、P2和TICE，可以与欧美大陆同期地层进行对比。综合牙形刺生物群和碳同位素记录的研究成果，表明华南地区浅水相区泥盆-石炭纪界线位于牙形刺Polygnathus spicatus带的底部、泥盆纪末期碳同位素正向偏移事件之后，碳同位素值负向偏移区内；2）首次在华南地区识别出泥盆纪末期海洋碳-氮循环异常。泥盆纪末期Hangenberg生物大灭绝事件层位，δ13Ccarb发生了小幅度的负偏，而δ15Norg发生急剧快速负偏，极小值可达0‰左右，反映了海洋中固氮作用的增强和缺氧事件，与此同时，全球范围内发生了一次明显的海退，海洋中广泛发育一套黑色页岩沉积，表明泥盆纪-石炭纪之交全球气候和海洋环境剧烈变化可能导致了这次后生动物的灭绝事件；3）首次在华南地区识别出杜内期中期海洋碳-氮循环异常。华南地区湖南马栏边和广西隆安剖面杜内阶中部无机碳同位素值发生明显的正向偏移事件（TICE），马栏边剖面偏移幅度为6‰，而隆安剖面为3‰左右。与此同时，有机氮同位素也表现出正向偏移特征，分别从1.7‰和1.5‰上升至4.2‰和3.8‰。杜内期中期的碳氮同位素正偏对应于海平面的明显下降、腕足和牙形刺氧同位素值的升高和全球气候变冷，表明海洋环境变化可能导致了石炭-二叠纪冰期的开始。