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          中國科學技術大學:揭示奧陶紀末生命大滅絕新機制

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            火山活動是全球氣候變化和海洋化學組成巨變的主要驅動力之一,其中“平流層火山噴發”(即火山物質噴發至平流層-大約離地表20公裡)對全球氣候有直接的影響。在過去5.4億年的地質歷史中,發生瞭數次大規模的火山噴發以及5次生命大滅絕事件,但評估火山活動的噴發強度以及它們對生命演化的影響一直是極具挑戰性的科學問題。

            近日,中國科學技術大學沈延安課題組以高精度硫同位素分析為主要研究手段,發現在奧陶紀末生命滅絕事件的過程中硫同位素產生瞭非質量分餾,提出“平流層火山噴發”是奧陶紀末生命滅絕事件的驅動機制這一新觀點。相關研究成果近日以“Large mass-independent sulphur isotope anomalies link stratospheric volcanism to the Late Ordovician mass extinction”為題發表於綜合學術期刊《自然-通訊》(Nature Communications)。論文的第一作者是胡東平副研究員(2017年畢業於沈延安課題組)。

            奧陶紀末生命滅絕發生在約4.4億年前,造成瞭全球海洋中約85%物種的消失,也是地球過去5.4億年來第二大生命滅絕事件。傳統觀點認為,奧陶紀末生命滅絕與當時冰期的開始和結束有成因上的聯系,主要基於全球冰川的形成和消融決定瞭海洋生命系統的空間變化。但越來越多的證據表明,奧陶紀末的兩幕式生命滅絕與冰川的形成和消融在時間上並不完全一致。因此,奧陶紀末生命滅絕的驅動機制一直是地球科學領域未解的重要問題之一。

            針對這一科學問題,沈延安課題組開辟瞭新的研究思路,他們對華南奧陶紀末生命滅絕地層中的黃鐵礦進行瞭高精度同位素分析,發現伴隨著晚奧陶火山的噴發,硫同位素出現非質量分餾,當火山活動減弱和停滯後,硫同位素又呈現質量分餾。奧陶紀末非質量硫同位素記錄的發現是23億年以來地質記錄中的首次報道(下圖)。因此他們提出奧陶紀末火山活動為“平流層火山噴發”並觸發和驅動瞭當時的生命滅絕事件。

            該研究認為,奧陶紀末“平流層火山噴發”將大量二氧化硫、硫化氫和其它火山物質輸送至平流層並形成瞭以硫酸鹽為主的氣溶膠層(下圖)。硫酸鹽氣溶膠層對全球氣候變化和地球系統的熱量平衡起著至關重要的作用,因為平流層硫酸鹽氣溶膠反射短波的太陽輻射、同時吸收長波段的太陽輻射,從而導致地球表面溫度下降(即加熱自己,冷卻地球)。在平流層的臭氧層附近,火山噴發的二氧化硫等含硫氣體經光化學反應產生硫同位素的非質量分餾,並形成硫酸鹽等沉降至地表和海洋中,最後保存於巖石中。經過短暫的冷卻之後,“平流層火山噴發”釋放大量溫室氣體使地表溫度迅速升高並形成酸雨,導致陸地和海洋酸化以及海洋缺氧。因此,他們提出“平流層火山噴發”觸發和驅動的一系列全球氣候劇烈變化和海洋缺氧等環境惡化,直接導致瞭奧陶紀末生命大滅絕。

            沈延安介紹說,該項研究對現代全球氣候變化有重要的啟示作用。衛星觀察數據表明,近50年來平流層的硫酸鹽濃度不斷升高,一種觀點認為是人類活動排放含硫氣體造成的,也有研究認為是現代火山不斷噴發導致的。很顯然,高精度的硫同位素分析能夠為探討這一重要科學問題提供有力的手段。

            該項研究受到國傢自然科學基金創新研究群體、國傢自然科學基金重點項目、中國科學院前沿科學重點研究項目等資助。