沈延安課題組提出“平流層火山噴發(fā)”是奧陶紀(jì)末生命滅絕事件的驅(qū)動機制新觀點
（神秘的地球uux.cn報道）據(jù)中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)（地球和空間科學(xué)學(xué)院、科研部）：火山活動是安課全球氣候變化和海洋化學(xué)組成巨變的主要驅(qū)動力之一，其中“平流層火山噴發(fā)”（即火山物質(zhì)噴發(fā)至平流層-大約離地表20公里）對全球氣候有直接的題組提出陶紀(jì)影響。在過去5.4億年的平流地質(zhì)歷史中，發(fā)生了數(shù)次大規(guī)模的層火火山噴發(fā)以及5次生命大滅絕事件，但評估火山活動的發(fā)奧噴發(fā)強度以及它們對生命演化的影響一直是極具挑戰(zhàn)性的科學(xué)問題。
近日，末生命滅中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)沈延安課題組以高精度硫同位素分析為主要研究手段，絕事件的機制發(fā)現(xiàn)在奧陶紀(jì)末生命滅絕事件的驅(qū)動過程中硫同位素產(chǎn)生了非質(zhì)量分餾，提出“平流層火山噴發(fā)”是新觀奧陶紀(jì)末生命滅絕事件的驅(qū)動機制這一新觀點。相關(guān)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(fā)表于綜合學(xué)術(shù)期刊《自然-通訊》(Nature Communications)。沈延山噴論文的安課第一作者是胡東平副研究員（2017年畢業(yè)于沈延安課題組）。
奧陶紀(jì)末生命滅絕發(fā)生在約4.4億年前，題組提出陶紀(jì)造成了全球海洋中約85%物種的平流消失，也是層火地球過去5.4億年來第二大生命滅絕事件。傳統(tǒng)觀點認(rèn)為，奧陶紀(jì)末生命滅絕與當(dāng)時冰期的開始和結(jié)束有成因上的聯(lián)系，主要基于全球冰川的形成和消融決定了海洋生命系統(tǒng)的空間變化。但越來越多的證據(jù)表明，奧陶紀(jì)末的兩幕式生命滅絕與冰川的形成和消融在時間上并不完全一致。因此，奧陶紀(jì)末生命滅絕的驅(qū)動機制一直是地球科學(xué)領(lǐng)域未解的重要問題之一。
針對這一科學(xué)問題，沈延安課題組開辟了新的研究思路，他們對華南奧陶紀(jì)末生命滅絕地層中的黃鐵礦進行了高精度同位素分析，發(fā)現(xiàn)伴隨著晚奧陶火山的噴發(fā)，硫同位素出現(xiàn)非質(zhì)量分餾，當(dāng)火山活動減弱和停滯后，硫同位素又呈現(xiàn)質(zhì)量分餾。奧陶紀(jì)末非質(zhì)量硫同位素記錄的發(fā)現(xiàn)是23億年以來地質(zhì)記錄中的首次報道。因此他們提出奧陶紀(jì)末火山活動為“平流層火山噴發(fā)”并觸發(fā)和驅(qū)動了當(dāng)時的生命滅絕事件。
該研究認(rèn)為，奧陶紀(jì)末“平流層火山噴發(fā)”將大量二氧化硫、硫化氫和其它火山物質(zhì)輸送至平流層并形成了以硫酸鹽為主的氣溶膠層。硫酸鹽氣溶膠層對全球氣候變化和地球系統(tǒng)的熱量平衡起著至關(guān)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(dǎo)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(fā)的二氧化硫等含硫氣體經(jīng)光化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生硫同位素的非質(zhì)量分餾，并形成硫酸鹽等沉降至地表和海洋中，最后保存于巖石中。經(jīng)過短暫的冷卻之后，“平流層火山噴發(fā)”釋放大量溫室氣體使地表溫度迅速升高并形成酸雨，導(dǎo)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(fā)”觸發(fā)和驅(qū)動的一系列全球氣候劇烈變化和海洋缺氧等環(huán)境惡化，直接導(dǎo)致了奧陶紀(jì)末生命大滅絕。
沈延安介紹說，該項研究對現(xiàn)代全球氣候變化有重要的啟示作用。衛(wèi)星觀察數(shù)據(jù)表明，近50年來平流層的硫酸鹽濃度不斷升高，一種觀點認(rèn)為是人類活動排放含硫氣體造成的，也有研究認(rèn)為是現(xiàn)代火山不斷噴發(fā)導(dǎo)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(xué)問題提供有力的手段。
該項研究受到國家自然科學(xué)基金創(chuàng)新研究群體、國家自然科學(xué)基金重點項目、中國科學(xué)院前沿科學(xué)重點研究項目等資助。
論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-020-16228-2
相關(guān)報道：我國科學(xué)家提出4.4億年前地球生命大滅絕新機制
（神秘的地球uux.cn報道）據(jù)新華網(wǎng)：4.4億年前地球曾發(fā)生生命大滅絕事件，導(dǎo)致約85%的動物物種消失，國際學(xué)界為滅絕原因爭論了30多年。近期，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)沈延安課題組運用新方法研究認(rèn)為，火山大噴發(fā)導(dǎo)致氣候劇變是這次大滅絕的真正原因，這項研究對分析現(xiàn)代全球氣候變化也有啟示意義。國際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《自然·通訊》日前發(fā)表了該成果。
自5億多年前寒武紀(jì)生命大爆發(fā)至今，地球上已發(fā)生5次生命大滅絕，其中第一次發(fā)生在4.4億年前的奧陶紀(jì)末期。當(dāng)時所有動物都生活在海洋中，鸚鵡螺、筆石、珊瑚等無脊椎動物空前繁榮，但大滅絕事件使約85%的物種消失。傳統(tǒng)研究認(rèn)為，當(dāng)時地球進入了冰川期，以及之后冰川期結(jié)束氣溫上升帶來的海洋缺氧，這“兩幕”氣候劇變導(dǎo)致大滅絕。
但是，越來越多的證據(jù)表明，奧陶紀(jì)末期的“兩幕”式生命滅絕，與冰川的形成和消融時間不完全一致，國際學(xué)界為此爭論不休。
近期，沈延安課題組開辟新思路，他們在華南地區(qū)找到與大滅絕同時代的黃鐵礦，對其中的硫同位素進行高精度分析，提出是火山大噴發(fā)觸發(fā)并驅(qū)動了生命大滅絕事件的新機制。
他們研究發(fā)現(xiàn)，奧陶紀(jì)末期發(fā)生的火山大噴發(fā)，將大量的二氧化硫、硫化氫等輸送到20公里高空，抵達大氣平流層并在那里形成以硫酸鹽為主的“氣溶膠層”。
“簡單來說，氣溶膠層會‘截留’太陽熱量，使地球變冷。但一段時間后，氣溶膠層中的硫酸鹽會‘掉落’到地面，火山釋放的溫室氣體占據(jù)上風(fēng)，又會使地球急劇變暖。”沈延安說，正是這“一冷一熱”的反復(fù)交替導(dǎo)致了生命大滅絕。而“一冷一熱”所產(chǎn)生的不同化學(xué)反應(yīng)物，會隨酸雨等沉降到地表并保存在巖石中，成為數(shù)億年后人們追溯破解謎題的“鑰匙”。
衛(wèi)星觀察表明，近50年來地球大氣平流層的硫酸鹽濃度不斷升高。有人認(rèn)為是人類活動排放所致，也有人認(rèn)為是現(xiàn)代火山噴發(fā)造成。沈延安認(rèn)為，高精度的硫同位素分析法，能為尋求原因和對策提供手段。
相關(guān)報道：奧陶紀(jì)末生物大滅絕 新證據(jù)暗示火山噴發(fā)是“最大嫌疑人”
（神秘的地球uux.cn報道）據(jù)科技日報（陸成寬）：近日，《自然·通訊》報道了一項關(guān)于奧陶紀(jì)末生物大滅絕的研究成果，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)沈延安研究團隊發(fā)現(xiàn)，在奧陶紀(jì)末生物滅絕事件的過程中硫同位素產(chǎn)生了非質(zhì)量分餾，提出“平流層火山噴發(fā)”是奧陶紀(jì)末生命滅絕事件的驅(qū)動機制。
長久以來，奧陶紀(jì)末生物大滅絕事件的原因一直是個謎，科學(xué)家曾提出冰川事件、火山爆發(fā)以及伽馬射線暴等多種解釋，但具體的驅(qū)動機制目前學(xué)界尚未形成統(tǒng)一認(rèn)識。
冰川事件 遭受氣候變冷和氣候變暖“雙重打擊”
奧陶紀(jì)是古生代的第二個紀(jì)，氣候溫和，淺海分布廣泛，現(xiàn)今1/3的陸地當(dāng)時被淺海覆蓋，海平面比現(xiàn)在高出400米，是地球歷史上海侵最嚴(yán)重的時代。這一時期，海生生物空前發(fā)展，腕足動物、三葉蟲、珊瑚、筆石等迅速演化，科學(xué)界稱之為“奧陶紀(jì)生物大輻射事件”，原始的脊椎動物開始出現(xiàn)，陸地上除了很低等的植物，沒有任何動物生存。
發(fā)生在大約4.4億年前的奧陶紀(jì)末生命大滅絕，是地球自寒武紀(jì)生物大爆發(fā)以來最古老的生物滅絕事件，也是地球5.4億年來第二大生命滅絕事件。當(dāng)時的海洋生物遭遇了滅頂之災(zāi)。像珊瑚、腕足動物、三葉蟲等生物門類的多個類群幾乎“全軍覆滅”，這次大滅絕重創(chuàng)了海洋生態(tài)系統(tǒng)，導(dǎo)致當(dāng)時85%的海洋生物物種滅絕。科學(xué)界普遍認(rèn)為，導(dǎo)致這場災(zāi)難的罪魁禍?zhǔn)拙褪菉W陶紀(jì)末的冰川事件。
關(guān)于奧陶紀(jì)末生命大滅絕，以前主導(dǎo)的觀點是將兩幕式生物滅絕與當(dāng)時冰期的開始和消融聯(lián)系起來。長期以來，這次大滅絕事件的基本過程被描述為兩幕式：第一幕起因于凱迪—赫南特期之交岡瓦納冰蓋的形成，造成新的涼水海洋生物全球廣泛分布；第二幕則由于赫南特晚期冰川消融，導(dǎo)致早前的涼水動物整體消亡。
“具體來說，就是冰期開始的時候全球海平面下降，氣候變冷，這一全球氣候的突然變化直接導(dǎo)致海洋動物生存空間縮小，其結(jié)果是部分動物往海洋深部遷移并適應(yīng)深部生存環(huán)境，但相當(dāng)一部分動物因為對深部海洋生存環(huán)境的適應(yīng)性較差而消亡。在持續(xù)大約100萬年之后，冰川開始消融，全球海平面迅速升高，氣候變暖，從而導(dǎo)致海洋缺氧。海洋內(nèi)氧氣的缺乏直接對奧陶紀(jì)末生命造成毀滅性的打擊。”沈延安告訴科技日報記者。
真核藻類大爆發(fā) 海洋“吸收”有機碳致大氣CO2濃度急降
雖然長期以來，赫南特冰期及其引發(fā)的氣候、海洋環(huán)境變化，導(dǎo)致生物大滅絕是國際上較為主流的觀點，然而這次劇烈、短暫的冰期為何能在二氧化碳濃度異常高的背景下發(fā)生仍是個謎。
2018年，美國哈佛大學(xué)地球與行星科學(xué)系安·皮爾遜課題組與中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)沈延安研究團隊合作在《自然·地球科學(xué)》上發(fā)表論文稱，研究發(fā)現(xiàn)，海洋真核藻類的大爆發(fā)，或觸發(fā)赫南特冰期，并間接導(dǎo)致奧陶紀(jì)末期生物的集體滅絕。
研究人員以美國內(nèi)華達州維尼溪奧陶—志留紀(jì)典型剖面為研究對象。沈延安團隊首先對該剖面進行了詳細的野外考察并進行了高密度的樣品采集工作，在此基礎(chǔ)上中美合作團隊開展了氮同位素的研究工作。研究結(jié)果顯示，在奧陶紀(jì)末期，由于陸地大量維管植物首次出現(xiàn)與擴張，增強了大陸風(fēng)化作用，導(dǎo)致海洋中生物可利用的限制性營養(yǎng)元素十分充裕。這為加速浮游植物的生長、繁殖提供了有力的條件。
氮同位素的研究結(jié)果證明了在赫南特冰期之前，真核藻類迅速擴張，大量有機碳迅速被埋藏在海洋中，致使大氣中二氧化碳濃度短時間內(nèi)急劇下降，這是此次赫南特冰期和生物大滅絕事件的重要驅(qū)動因素。
此外，還有研究人員認(rèn)為，伽馬射線暴導(dǎo)致了這次生物大滅絕。所謂伽馬射線暴是宇宙中一種伽馬射線強度在短時間內(nèi)突然增強，隨后又迅速減弱的現(xiàn)象。伽馬射線暴的時間不長，通常只有幾十秒，能量主要來自伽馬射線。伽馬射線是波長小于0.1納米的電磁波，是一種比X射線能量還高的輻射。物理學(xué)家通過計算發(fā)現(xiàn)強大的伽馬射線暴能夠殺死一定范圍內(nèi)的宇宙生命。奧陶紀(jì)大滅絕是地球5大歷史事件之一，導(dǎo)致海洋物種數(shù)量急劇下降。有證據(jù)表明，這一巨變發(fā)生在冰河時代，而伽馬射線暴可能是觸發(fā)此次大規(guī)模滅絕事件的原因之一。
平流層火山噴發(fā) 觸發(fā)全球氣候劇變和海洋環(huán)境惡化
“但是近年來科學(xué)家們通過全球范圍內(nèi)詳細的野外考察和研究發(fā)現(xiàn)，奧陶紀(jì)末冰川期的開始和結(jié)束并沒有與兩幕式生命滅絕在時間上高度一致，因此將奧陶紀(jì)末生命大滅絕的原因與冰川的開始和消融直接聯(lián)系起來受到了質(zhì)疑。”中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)地球和空間科學(xué)學(xué)院副研究員胡東平說道。
針對這一科學(xué)問題，研究人員開辟了新的研究思路。他們對華南奧陶紀(jì)末生命滅絕地層中的黃鐵礦進行了高精度同位素分析，發(fā)現(xiàn)伴隨著奧陶紀(jì)末火山的噴發(fā)，硫同位素出現(xiàn)非質(zhì)量分餾，當(dāng)火山活動減弱和停滯后，硫同位素又呈現(xiàn)質(zhì)量分餾。“奧陶紀(jì)末非質(zhì)量硫同位素記錄的發(fā)現(xiàn)是有地質(zhì)記錄以來的首次報道。因此，我們提出奧陶紀(jì)末火山活動為‘平流層火山噴發(fā)’，觸發(fā)和驅(qū)動了當(dāng)時的生命大滅絕事件。也就是說‘平流層火山噴發(fā)’扣動了奧陶紀(jì)末生命滅絕的‘扳機’。”沈延安說。
該研究認(rèn)為，奧陶紀(jì)末“平流層火山噴發(fā)”將大量二氧化硫、硫化氫和其他火山物質(zhì)輸送至平流層并形成了以硫酸鹽為主的氣溶膠層。硫酸鹽氣溶膠層對全球氣候變化和地球系統(tǒng)的熱量平衡起著至關(guān)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(dǎo)致地球表面溫度下降。也就是說，硫酸鹽氣溶膠層加熱了自己，冷卻了地球。
在平流層的臭氧層附近，火山噴發(fā)的二氧化硫等含硫氣體經(jīng)光化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生硫同位素的非質(zhì)量分餾，并形成硫酸鹽等沉降至地表和海洋中，最后保存于巖石中。經(jīng)過短暫的冷卻之后，“平流層火山噴發(fā)”釋放大量溫室氣體使地表溫度迅速升高并形成酸雨，導(dǎo)致陸地和海洋酸化以及海洋缺氧。因此，他們認(rèn)為，“平流層火山噴發(fā)”觸發(fā)和驅(qū)動的一系列全球氣候劇烈變化和海洋缺氧等環(huán)境惡化，直接導(dǎo)致了奧陶紀(jì)末生命大滅絕。
在沈延安看來，該項研究對現(xiàn)代全球氣候變化有重要的啟示作用。衛(wèi)星觀察數(shù)據(jù)表明，近50年來平流層的硫酸鹽濃度不斷升高，一種觀點認(rèn)為是人類活動排放含硫氣體造成的，也有研究認(rèn)為是現(xiàn)代火山不斷噴發(fā)導(dǎo)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(xué)問題提供有力的手段。