二疊紀末生物大滅絕被認為是地球曆史上最嚴重的生物滅絕事件，在極短時間内（6.1±4.8萬年），高達81%的海洋物種遭受滅頂之災。揭示二疊紀末生物滅絕機制對于了解環境變化和生物演化之間的關系至關重要。前人通過地球化學名額（如生物标志化合物、鐵組分）和同位素（如鈾同位素等）分析，研究二疊紀末古海洋短期氧化還原曆史。針對二疊紀末古海洋氧化還原狀态及演化的科學問題，中國科學院地質與地球實體研究所地球與行星實體院重點實驗室地球與行星磁場及宜居性研究團隊章敏博士後和潘永信院士，聯合南京大學沈樹忠院士，岩石圈演化國家重點實驗室鄧成龍研究員、秦華峰副研究員和侯祎斐博士後，以及中國海洋大學何況副教授，詳細開展了浙江煤山“金釘子”剖面的環境磁學研究，獲得了二疊紀末古海洋氧化還原狀态演化的新結果。
圖1 浙江煤山剖面環境磁學結果。（a）磁化率（χ）；（b）非磁滞剩磁（ARM）；（c）飽和磁化強度（Ms）；（d）剩磁矯頑力（Hcr）；（e）非磁滞剩磁與飽和等溫剩磁比值（ARM/SIRM1T）；（f）S-ratio0.3T；（g）铈異常（ΩCe）；（h）河流與地幔锶通量比值（FR/FM）
研究結果表明，煤山剖面長興組和殷坑組的磁學名額變化自下而上可分為四段（Ⅰ-Ⅳ）（圖1）。第Ⅰ階段，磁性礦物以磁鐵礦和赤鐵礦為主，在第Ⅱ-Ⅳ階段，磁性礦物則以磁鐵礦為主，訓示了古海洋淺海環境由氧化狀态轉變為貧氧-缺氧狀态，這個轉變約發生在252.8 Ma。結合前人的研究結果，如铊同位素（圖2a）、全球碳同位素（圖2d）以及生物多樣性變化（圖2c）等分析結果，表明二疊紀末古海洋氧化還原狀态擾動時間比生物滅絕事件發生更早。此外，在第Ⅱ階段，非磁滞剩磁與飽和等溫剩磁比（ARM/SIRM1T）呈現逐漸減小的趨勢（圖1e），訓示了磁鐵礦粒徑逐漸變大。在第Ⅲ階段，磁化率（圖1a）、非磁滞剩磁（圖1b）、飽和磁化強度（圖1c）均表現出先升高後降低的特征，訓示了磁鐵礦含量先升高後降低。電子顯微學分析表明，煤山剖面中磁性礦物主要來自陸源碎屑輸入，且陸源風化名額（圖1h）與磁性礦物的粒度和含量變化表現出類似的特征，反映了大陸風化強度的變化。
圖2 二疊紀末環境、地質、生物事件對比
為了認識二疊紀末古海洋氧化還原狀态演化以及大陸風化強度變化的驅動機制，研究團隊綜合對比二疊紀末環境、地質和生物事件，推斷地幔柱和火山活動可能觸發了古海洋的去氧。大規模的火山噴發及其産生的環境效應加劇了古海洋缺氧以及大陸風化（圖3）。随着火山活動逐漸減弱，古海洋氧化還原狀态以及陸地化學風化強度逐漸得以恢複。該研究成果為二疊紀末期的全球性古海洋缺氧可能是導緻海洋生物大滅絕直接的主要環境因素之一提供了關鍵證據。
研究成果發表于國際知名地學期刊CEE（章敏*，秦華峰，侯祎斐，何況，鄧成龍，沈樹忠，潘永信. Shifts in magnetic mineral assemblages support ocean deoxygenation before the end-Permian mass extinction[J]. Communications Earth & Environment, 2024, 5(1): 218. DOI: 10.1038/s43247-024-01394-8）。研究受國家自然學科基金（41621004，42293280，92155203）資助。
美編：傅士旭(華東師大）
校對：萬鵬