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微米級花粉化石告訴你 2億年前四川盆地發生了什么

2020-08-19 科技日報 張曄
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  四川宣漢地區三疊紀-侏羅紀之交的代表性孢粉化石 受訪者供圖

  約2億年前,地球發生了一次十分重要的演化事件。原本相連的歐洲-北美-南美-非洲聯合古陸解體,中間出現大西洋開裂。滔滔海水之中,冒出綿延上百公里的火山群,它們夜以繼日地噴發,濃煙和火山灰遮天蔽日,地質歷史上三疊紀末的生物大滅絕事件就此拉開序幕。

  過去,科學界對三疊紀末生物大滅絕造成的海洋生物重創已形成了共識。但是,對于廣袤陸地生態的變化卻是眾說紛紜,莫衷一是。科學家們在歐洲、美洲僅找到少數保存較好的連續陸相沉積地層,支離破碎的化石證據讓三疊紀末生物大滅絕事件疑點重重,究竟是區域性的陸地生物更替,還是全球性的陸地生態變化,讓人困惑不已。

  從2007年起,中國科學院南京地質古生物研究所王永棟研究員帶領中生代植物與環境科研團隊,在四川盆地三疊系-侏羅系地層開展了多學科的深入研究,陸續取得了系列新進展。

  近日,國際地學學術刊物《三古》刊發了一項重要研究成果:中國科學院南京地質古生物研究所李麗琴博士、王永棟研究員與國外同行合作,在四川盆地東北緣的宣漢七里峽剖面發現了豐富的孢子花粉化石。恰恰是這些用肉眼無法直接看到的微體化石,從中獲得的相關信息與全球多個剖面的研究結果一致,這些研究正在揭開三疊紀-侏羅紀之交的古植被演替和古氣候變化之謎。

  晚三疊紀四川盆地曾生機盎然

  三疊紀距今2.5億年至2.01億年,是中生代的第一個紀,爬行動物是該時期的主宰者,裸子植物也迅速興起。

  40億歲的地球,從它誕生的那一天起,板塊運動就沒有停止過,分分合合之中,讓大陸的形態與地球的生態不斷地重構。

  2億多年前的三疊紀,東亞大陸與歐洲大陸并未相連,它們中間隔著浩瀚的特提斯洋。海西運動以后,許多地槽轉化為山系,陸地面積擴大,地臺區產生了一些內陸盆地。位于我國華南地區的四川盆地和西北地區的新疆準噶爾盆地都位于特提斯洋的東緣,并且華北板塊與華南板塊中間也有一片廣袤的水域。

  四川盆地和準噶爾盆地就是那一時期的典型代表,這些盆地的地理條件導致沉積相及生物界產生了進一步的變化。

  “這兩大盆地雖然緯度不同,但是都有著濕潤的氣候、肥沃的水土,這里草木茂盛,高大的裸子植物和低矮的蕨類植物在此繁衍出龐大的家族,比如新蘆木、雙扇蕨、蘇鐵、蘇鐵杉等,還有一些苔蘚、石松植物也在森林中出現。”李麗琴告訴科技日報記者,這些植物經歷了上億年的地質運動后,被埋藏在地下數百米甚至上千米處,最終形成了煤炭。

  蕨類植物又稱羊齒植物,屬于孢子植物。世界現存蕨類植物約12000種,廣泛分布在世界各地,尤以熱帶、亞熱帶地區種類繁多。我國約有2600種,主要分布在長江以南各省區。最早的裸子植物可追溯到3.4億年前至3.95億年之間的泥盆紀,它們主要依靠風傳粉繁育后代,少數有昆蟲傳粉。

  常見的蕨類植物大多外形低矮,而銀杏、松柏、蘇鐵等祼子植物則是多年木本植物,大多是高大的喬木,兩者對環境的要求各不相同。裸子植物中的松柏類主要分布于溫帶和寒帶,蘇鐵類屬于熱帶、亞熱帶植物,而銀杏植物多喜亞熱帶溫涼環境。多數蕨類植物喜歡溫暖濕潤的環境,少數則耐干旱。總的來說,蕨類植物的生命力更為頑強,對于極端環境的耐受力更強。

  “我們研究發現,四川宣漢、廣元、合川等地當時河流、淺灘和泥炭沼澤環境密布,周期性的水漲潮退,讓許多植物的孢子、花粉飄落在水中,并匯集在一起,這為我們研究當時的陸地植物生態提供了很好的條件。”李麗琴說。

  微米級孢粉化石揭示古環境變化

  距今2億年前的三疊紀-侏羅紀之交發生了顯生宙五大生物滅絕事件之一,全球海陸生態系統受到重創。相比于海洋而言,對陸地生態系統三疊紀-侏羅紀之交重大生物事件的探究相對薄弱,特別是針對處于東特提斯洋的東亞地區陸地生態系統響應的研究甚少。重要原因就是海相地層相對陸相地層更為連續完整,并且植物化石保存條件更為苛刻,科學家有時候很難只通過大型植物化石還原當時的陸地生態環境變化。

  研究人員們在野外考察時,對須家河組—珍珠沖組的地層進行了詳細的調查,把地層中的巖石取樣后帶回實驗室分析和觀察。

  “孢子和花粉之所以能夠得到較好的保存,是因為它們非常小,而且外壁足夠堅硬,再加上水流將它們沖刷匯聚到一起,很容易被水下的沙土掩埋保存下來。”李麗琴解釋說。

  這些孢子和花粉大的不到100微米,小的僅有30微米左右,必須借助400倍的顯微鏡才能看清楚,放大600倍后才能清晰地成像拍照。但就是這些微體化石卻成為揭秘遠古環境的解碼器。

  “我們注意到,雖然四川盆地距今2億年左右的環境總體來說是溫暖濕潤的,但是在不同地層中,蕨類植物的孢子與祼子植物的花粉數量和種類卻出現大幅波動,這說明兩者在不同時期是分別占有優勢地位的。”王永棟說道。

  經過進一步的詳細地質調查和化石標本分析,他們總結出一個規律:在晚三疊世,真蕨植物占絕對優勢并以雙扇蕨科為代表,松柏類植物和蘇鐵類、銀杏類植物繁盛,還有少量的種子蕨類、石松類、苔蘚類和楔葉類植物等。在晚三疊世末,松柏類和蘇鐵、銀杏類植物占優勢,松柏類的掌鱗杉科開始出現,蕨類植物較少。到了三疊紀-侏羅紀過渡期,植物多樣性較低,僅以少數蕨類植物占優勢。進入早侏羅紀后,蘇鐵、銀杏類植物復蘇,松柏類掌鱗杉科豐富,蕨類植物以桫欏科/蚌殼蕨科為代表。

  三疊紀末全球氣候出現劇變

  “過去許多人認為,三疊紀末期地球開始出現溫室環境,導致大量動植物滅亡。而我們的調查研究更加精準地分析了大滅絕前600萬年的氣候變化,發現當地經歷了溫暖濕潤(短期變涼)-干涼-溫度回升的曲線波動。”王永棟告訴記者。

  王永棟介紹道:“三疊紀末期,特提斯洋西岸的歐洲大陸和非洲大陸出現了大區域的火山集中噴發活動,這些地區籠罩在遮天蔽日的火山灰下,大量的二氧化硫進入大海,造成海水酸化和缺氧,90%以上的海洋生物因此而滅絕,陽光被煙塵和火山灰遮擋導致氣溫迅速下降,而后由于火山排放出的二氧化碳不斷在大氣層中累積,又讓氣溫在短時間內快速回升。”

  我國的四川盆地和準噶爾盆地雖處在特提斯洋東岸,但是火山灰也逐漸飄散到這里,導致這些地區的氣候出現驟變,進而影響到了陸地生態系統。

  該研究發現的三疊紀-侏羅紀過渡期顯著蕨類三縫孢子峰值、晚三疊紀末短期變冷以及早侏羅世變暖的古氣候變化趨勢,與全球多個代表剖面尤其是特提斯洋西緣地區的研究結果相吻合,揭示了三疊紀-侏羅紀之交全球性陸地古植被和古氣候演替變化。

  這次研究是我國華南地區三疊紀-侏羅紀之交孢粉植物群研究最為翔實的高分辨率記錄,并為三疊紀—侏羅紀之交重大地質事件的陸地生態系統響應提供了來自古特提斯洋東緣東亞低緯度地區的重要證據。

打印 責任編輯:侯茜

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