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泥盆紀末生物大滅絕之后全球微生物碳酸鹽巖復蘇

中國

  

泥盆紀末生物大滅絕之后全球微生物碳酸鹽巖復蘇


中國甘肅平川磁窯大水溝剖面石炭紀最早期疊層石的野外（a, b, c），光面（d）和鏡下（e, f）照片

泥盆紀末生物大滅絕之后全球微生物碳酸鹽巖復蘇


泥盆紀法門期-石炭紀杜內早期骨架生物為主和微生物為主的生物建造的類型（a）、豐度（b）和古地理分布（a, c）圖

泥盆紀末生物大滅絕之后全球微生物碳酸鹽巖復蘇


顯生宙Hangenberg和“五次”生物大滅絕事件轉折期間骨架生物為主和微生物為主的生物建造的相對豐度變化圖
（）據中國科學院南京地質古生物研究所：泥盆紀-石炭紀之交（距今大約3.59億年）發生了一次嚴重的生物滅絕事件，導致海洋無脊椎生物45%的屬和21%的科滅絕 。由于顯著的海水缺氧和全球海平面變化，德國西部萊茵地區發育了典型的在全球廣泛分布的沉積類型 ， 從下向上為：Hangenberg黑色頁巖，Hangenberg頁巖和Hangenberg砂巖 。因而，泥盆紀末期這次生物滅絕事件也被稱為Hangenberg生物滅絕事件 。最近 ， 國外學者通過對Hangenberg事件期間海洋和陸地生物的多樣性、豐度、生態系統等變化的綜合分析，認為這次滅絕事件與顯生宙“五次”生物大滅絕屬于同一級別，其滅絕時間從泥盆紀末期到石炭紀最早期 ， 牙形化石帶從下Siphonodella praesulcata帶的最上部到Siphonodella sulcata帶的最下部，持續大約10-30萬年 。
生物大滅絕之后，如二疊紀末三疊紀初，常常伴隨著微生物碳酸鹽巖的繁盛 。微生物碳酸鹽巖的繁盛被認為是由于生物大滅絕造成大量海洋動物的滅絕或急劇減少，導致海洋后生動物對微生物群落的擾動和啃食作用減少所致 。另外 ， 海水碳酸鈣飽和度的升高有利于微生物鈣化作用增強和碳酸鹽巖沉積 。泥盆紀末期Hangenberg生物滅絕事件造成了海洋中大量后生動物的減少 ， 另外，海水碳酸鈣飽和度比二疊紀末期還高，因此 ， 理論上Hangenberg事件之后應該存在微生物碳酸鹽巖的繁盛 。然而，至今僅澳大利亞有確切的石炭紀最早期的微生物巖（疊層石和凝塊石）報道 。
骨架生物礁生態系統和微生物礁生態系統是海洋中重要的兩個對立的生態系統，系統總結生物大滅絕期間骨架生物礁和微生物礁的豐度變化可以深入揭示生物滅絕期間的海洋生態系統演變 。為了系統研究泥盆紀末期Hangenberg生物滅絕期間的海洋生物圈變化，中國科學院南京地質古生物研究所晚古生代研究團隊博士研究生要樂、王向東研究員和陳吉濤副研究員，與法國圖盧茲第三大學Markus Aretz教授和澳大利亞昆士蘭大學Gregory E. Webb教授合作，詳細研究了中國甘肅平川磁窯地區前黑山組中段下部的微生物碳酸鹽巖（疊層石），其厚度約16m ， 橫向分布約200m 。利用菊石、介形蟲、孢粉等生物地層的綜合分析確定該疊層石形成于石炭紀最早期（相當于Siphonodella sulcata牙形石帶的下部） 。另外，前黑山組疊層石中含有苔蘚蟲、海百合莖等海相化石，以及小尺度的紋層和窗格結構，它們均指示該疊層石形成于潮間帶的正常海洋環境，因此認為前黑山組疊層石是Hangenberg事件之后海洋微生物繁盛的產物 。
前黑山組疊層石的組分主要包括泥晶、球粒、核形石和亮晶方解石，由微生物的捕獲、粘結和鈣化作用形成，它們發育三種類型：紋層狀，波狀和穹隆狀 。伴隨杜內早期微生物碳酸鹽巖在大陸架上的廣泛分布，前黑山組疊層石的發現預示Hangenberg生物滅絕事件后全球微生物碳酸鹽巖可能復蘇 。
為了證實這一觀點，研究團隊還系統總結并定量統計了晚泥盆世法門期-石炭紀杜內早期微生物為主的生物建造的豐度 ， 研究發現Hangenberg事件前后海洋生物圈發生明顯轉變，從以層孔蟲-珊瑚為主的骨架生物礁生態系統向微生物礁生態系統演變，杜內早期微生物為主的生物建造在古赤道南、北緯40°范圍內廣泛分布，位于美國西部、俄羅斯東部、澳大利亞東部、印度北部以及中國南部、西北部等地區，其豐度相對泥盆紀末斯特隆期顯著增加達十倍以上，這一研究結果揭示了Hangenberg生物滅絕事件之后全球存在微生物碳酸鹽巖的繁盛 。
泥盆紀末期Hangenberg生物滅絕事件之后，微生物碳酸鹽巖的繁盛可能與該時期后生動物的減少和海水碳酸鈣飽和度的升高有關，但哪一個是主要控制因素？重建生物滅絕期間的骨架礁和微生物礁豐度變化是解決這一問題的新思路 。因此，研究團隊系統總結并定性重建了Hangenberg生物事件和顯生宙“五次”生物大滅絕事件轉折期的生物建造的相對豐度變化，通過對比研究發現，微生物為主的生物建造豐度的增加伴隨著骨架生物為主的生物建造豐度的減少，從而表明在生物大滅絕期間，骨架造礁生物豐度的變化可能是控制微生物碳酸鹽巖繁盛的主導因素 。
文章于2016年12月23日在線發表在英國Nature出版集團Scientific reports上 。
論文相關信息：Le Yao, Markus Aretz*, Jitao Chen, Gregory E. Webb, Xiangdong Wang*, 2016, Global microbial carbonate proliferation after the end-Devonian mass extinction: Mainly controlled by demise of skeletal bioconstructors, Scientific Reports: doi:10.1038/srep39694