地球上最大的生物灭绝事件成因探索

梁光河

中国科学院lgh@mail.iggcas.ac.cn

1 陨石撞击还是火山爆发成因？

距今约2.52亿年的二叠/三叠纪之交发生了地质历史时期最为严重的全球生物集群灭绝事件，在很短时间内造成了超过80％的海洋生物和70％的陆地生物灭绝，其原因一直存在巨大争议（肖益林等，2018)。目前对造成这一灭绝事件的原因有两种主流说法，一种是陨石撞击，另一种是大规模火山爆发。这两种成因都可导致海底可燃冰的快速分解、海水缺氧等，但具体的驱动机制和环境因素目前尚未形成统一认识。

如果是陨石撞击成因，灭绝事件只能发生在陨石撞击之后，但最新的研究表明，在灭绝事件发生前夕，海水的锂同位素组成发生了显著降低，这一特征一直持续到早三叠世初，指示了当时快速增强的全球性大陆风化作用（沈延安，2018）。这到底是怎样形成的？什么动力机制导致了快速增强的全球性大陆风化作用？

如果是大规模火山爆发成因，是什么机制导致了火山集中爆发？从而形成大火成岩省。

2 大陆裂解与生物灭绝成因机制

这次规模最大的生物灭绝事件是地球科学研究中最为棘手的问题之一，长期以来争论不休。本文认为，合理的解释应该是因大陆漂移的不均衡，首先形成了大陆裂谷，2.6亿年前聚集在一起的盘古超级大陆，因为大陆漂移的动力不均衡作用，首先在西伯利亚北部中央发生了快速裂解（图1），动力机制是大陆漂移在大陆板块后面岩浆上涌形成的推动力，形象地比喻在该大陆板块北部东西两侧各有一个大螺旋桨驱动，由于偶然因素使得它们的方向发生了偏转，使得东侧板块向东南方向漂移，西侧板块向西南方向漂移，由此在该大陆板块北部产生了一个近南北向的大裂谷，该裂谷持续快速增大造成大陆岩石圈发生深层次破裂，从而引起西伯利亚地区地下深处的岩浆岩集中喷发，形成如今看到的西伯利亚大火成岩省。

 图1 全球板块恢复图显示从2.6亿年到2.4亿年在西伯利亚发生大陆裂谷

图2给出了全球显生宙(5.4亿年以来)已有大火成岩省分布图，图中可以看出西伯利亚(Siberian)大火成岩省的爆发年龄正好是2.51亿年，这说明在火山大规模喷发之前已经有持续的大陆裂谷和岩浆上涌，地球深部流体大规模进入海水中，可以造成海水锂同位素显著降低，也完全可以造成海洋酸化，进而导致海水缺氧、透光带降低，这一效应积累到海洋生命所能承受的阈值后，最终引发海洋生态系统的崩溃并造成二叠纪末生命在短时间内大量灭绝。

地球深部上来的流体包含大量的CaCl₂和MgCl₂，它们与海洋中的二氧化碳发生化学反应产生盐酸，从而使海水强酸化。

CaCl₂+CO₂+H₂O=CaCO₃+2HCl

MgCl₂+CO₂+H₂O=MgCO₃+2HCl

注意：该反应需要在高温高压的海底裂谷深部进行，否则在自然条件的海洋表层环境中该化学反映是一个逆反应，那就是现代珊瑚礁在酸化环境中，骨架碳酸钙被溶解，以至于死亡的直接原因。

图2 全球显生宙(5.4亿年以来)已有大火成岩省分布图(Ernst, 2014)

本文并不否定陨石雨或小行星撞击地球导致了二叠纪末期的生物大灭绝，这个因素也可能首先诱发了西伯利亚大陆板块的裂解和大规模漂移，但陨石撞击需要找到存在冲击变质岩石的诸多证据支持，如柯石英、石英击变面状页理、以及冲击熔融岩石等等证据，这些证据目前还没有在西伯利亚大火成岩省区域得到确认。没有发现也不能否定这个成因，原因是这个年代太过久远，经历了太多的地质构造运动及风化剥蚀等等，可能很难再恢复原状。比如我国第一个得到国际确认的岫岩陨石撞击坑，是一个形成于5万年以前陨石坑（陈鸣，2009），它的证实就经历了一个很漫长的求证过程。

由此我们可以推理出一个主线，那就是大约在2.52亿年以前，由于大陆漂移的动力不均匀（或者陨石撞击诱发），造成西伯利亚大陆北部中间的大规模快速裂解，地球深部流体快速上升，岩浆上涌在海底形成海底火山，这个阶段已经引起海水酸化等一系列生态环境变化，部分生物开始灭绝。之后随着西伯利亚大陆的持续裂解漂移，造成2.51亿年的西伯利亚大规模火山爆发，这个过程进一步加剧了生物灭绝过程。火山爆发喷出大量气体和火山尘埃进入大气层。火山灰团不仅会使动物窒息而死，还有可能遮蔽太阳。更严重的是，当浅层的大陆架暴露出来后，原先埋藏在海底的有机质被氧化，这个过程消耗了氧气，释放出二氧化碳。大气中氧的含量减少，对生活在陆地上的动物非常不利。随着气温升高，海平面上升，又使许多陆地生物遭到灭顶之灾，海洋里也成了缺氧地带。地层中大量沉积的富含有机质的页岩是这场灾难的证明。

近期的研究说明，在多个时期的超大陆裂解过程中，裂解之前都存在全球尺度的大陆裂谷（张拴宏，2018）。这种全球尺度的大陆裂谷是怎样形成的？很难用地幔柱或者陨石撞击进行合理解释，但可以通过大陆漂移得到解释。

3 大陆裂解漂移与印支运动

过去我们并不清楚到底是什么因素导致了印支运动？根据上述分析可以推测，西伯利亚大陆板块从北部的裂解和向南漂移，是形成印支运动的主要驱动力之一，印支板块、华南板块、中朝鲜板块的漂移与碰撞参与了这个运动过程。因西伯利亚大陆板块东侧部分的向东南快速漂移，使得古华夏板块和扬子板块在中三叠世末期率先完成碰撞、拼合，形成华南板块，二者之间则形成绍兴-十万大山碰撞带。这个板块漂移挤压过程也使扬子板块、中朝板块、西伯利亚板块进一步叠接。几乎与此同时，印支板块也与华南板块碰撞拼合，之间形成金沙江碰撞带的南段。最后，华南板块与在印支期之前已经拼合到欧亚板块之上的中朝板块发生碰撞、拼合，之间形成秦岭-大别山碰撞带。由于印支期这些板块的漂移碰撞拼合作用，造成强烈的构造活动，在发生碰撞的各板块内部都发生了广泛的褶皱变形。

中国大陆是由多个板块拼贴而成，在这个阶段中国大陆的约四分之三完成了拼贴，形成了中国大陆的雏形（图3）。之后羌塘板块、拉萨板块、印度板块等先后从南向北漂移并与欧亚大陆拼贴，才最终形成今天的中国大陆板块。

图3 印支末期全球大陆板块复原图

4 结论

      2.52亿年以前，由于大陆漂移的动力不均匀（或者陨石撞击诱发），造成西伯利亚大陆北部中间的大规模快速裂解，地球深部流体上涌进入海水使得海水酸化，部分生物开始灭绝。之后随着西伯利亚大陆的持续裂解漂移，形成2.51亿年的西伯利亚大规模火山爆发，这个过程进一步加剧了生物灭绝过程。由于西伯利亚东部板块的向东南快速漂移，加上印支板块、杨子板块等的向北漂移，引发了多个板块的汇聚碰撞从而产生了著名的印支运动。