沈延安課題組提出“平流層火山噴發”是奧陶紀末生命滅絕事件的驅動機製新觀點
（神秘的地球uux.cn報道）據中國科學技術大學（地球和空間科學學院、科研部）：火山活動是全球氣候變化和海洋化學組成巨變的主要驅動力之一，其中“平流層火山噴發”（即火山物質噴發至平流層-大約離地表20公裏）對全球氣候有直接的影響。在過去5.4億年的地質曆史中，發生了數次大規模的火山噴發以及5次生命大滅絕事件，但評估火山活動的噴發強度以及它們對生命演化的影響一直是極具挑戰性的科學問題。
近日，中國科學技術大學沈延安課題組以高精度硫同位素分析為主要研究手段，發現在奧陶紀末生命滅絕事件的過程中硫同位素產生了非質量分餾，提出“平流層火山噴發”是奧陶紀末生命滅絕事件的驅動機製這一新觀點。相關研究成果近日以“Large mass-independent sulphur isotope anomalies link stratospheric volcanism to the Late Ordovician mass extinction”為題發表於綜合學術期刊《自然-通訊》(Nature Communications)。論文的第一作者是胡東平副研究員（2017年畢業於沈延安課題組）。
奧陶紀末生命滅絕發生在約4.4億年前，造成了全球海洋中約85%物種的消失，也是地球過去5.4億年來第二大生命滅絕事件。傳統觀點認為，奧陶紀末生命滅絕與當時冰期的開始和結束有成因上的聯係，主要基於全球冰川的形成和消融決定了海洋生命係統的空間變化。但越來越多的證據表明，奧陶紀末的兩幕式生命滅絕與冰川的形成和消融在時間上並不完全一致。因此，奧陶紀末生命滅絕的驅動機製一直是地球科學領域未解的重要問題之一。
針對這一科學問題，沈延安課題組開辟了新的研究思路，他們對華南奧陶紀末生命滅絕地層中的黃鐵礦進行了高精度同位素分析，發現伴隨著晚奧陶火山的噴發，硫同位素出現非質量分餾，當火山活動減弱和停滯後，硫同位素又呈現質量分餾。奧陶紀末非質量硫同位素記錄的發現是23億年以來地質記錄中的首次報道。因此他們提出奧陶紀末火山活動為“平流層火山噴發”並觸發和驅動了當時的生命滅絕事件。
該研究認為，奧陶紀末“平流層火山噴發”將大量二氧化硫、硫化氫和其它火山物質輸送至平流層並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係統的熱量平衡起著至關重要的作用，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，從而導致地球表麵溫度下降（即加熱自己，冷卻地球）。在平流層的臭氧層附近，火山噴發的二氧化硫等含硫氣體經光化學反應產生硫同位素的非質量分餾，並形成硫酸鹽等沉降至地表和海洋中，最後保存於岩石中。經過短暫的冷卻之後，“平流層火山噴發”釋放大量溫室氣體使地表溫度迅速升高並形成酸雨，導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”觸發和驅動的一係列全球氣候劇烈變化和海洋缺氧等環境惡化，直接導致了奧陶紀末生命大滅絕。
沈延安介紹說，該項研究對現代全球氣候變化有重要的啟示作用。衛星觀察數據表明，近50年來平流層的硫酸鹽濃度不斷升高，一種觀點認為是人類活動排放含硫氣體造成的，也有研究認為是現代火山不斷噴發導致的。很顯然，高精度的硫同位素分析能夠為探討這一重要科學問題提供有力的手段。
該項研究受到國家自然科學基金創新研究群體、國家自然科學基金重點項目、中國科學院前沿科學重點研究項目等資助。
論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-020-16228-2
相關報道：我國科學家提出4.4億年前地球生命大滅絕新機製
（神秘的地球uux.cn報道）據新華網：4.4億年前地球曾發生生命大滅絕事件，導致約85%的動物物種消失，國際學界為滅絕原因爭論了30多年。近期，中國科學技術大學沈延安課題組運用新方法研究認為，火山大噴發導致氣候劇變是這次大滅絕的真正原因，這項研究對分析現代全球氣候變化也有啟示意義。國際權威學術期刊《自然·通訊》日前發表了該成果。
自5億多年前寒武紀生命大爆發至今，地球上已發生5次生命大滅絕，其中第一次發生在4.4億年前的奧陶紀末期。當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。傳統研究認為，當時地球進入了冰川期，以及之後冰川期結束氣溫上升帶來的海洋缺氧，這“兩幕”氣候劇變導致大滅絕。
但是，越來越多的證據表明，奧陶紀末期的“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，提出是火山大噴發觸發並驅動了生命大滅絕事件的新機製。
他們研究發現，奧陶紀末期發生的火山大噴發，將大量的二氧化硫、硫化氫等輸送到20公裏高空，抵達大氣平流層並在那裏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。但一段時間後，氣溶膠層中的硫酸鹽會‘掉落’到地麵，火山釋放的溫室氣體占據上風，又會使地球急劇變暖。”沈延安說，正是這“一冷一熱”的反複交替導致了生命大滅絕。而“一冷一熱”所產生的不同化學反應物，會隨酸雨等沉降到地表並保存在岩石中，成為數億年後人們追溯破解謎題的“鑰匙”。
衛星觀察表明，近50年來地球大氣平流層的硫酸鹽濃度不斷升高。有人認為是人類活動排放所致，也有人認為是現代火山噴發造成。沈延安認為，高精度的硫同位素分析法，能為尋求原因和對策提供手段。
相關報道：奧陶紀末生物大滅絕 新證據暗示火山噴發是“最大嫌疑人”
（神秘的地球uux.cn報道）據科技日報（陸成寬）：近日，《自然·通訊》報道了一項關於奧陶紀末生物大滅絕的研究成果，中國科學技術大學沈延安研究團隊發現，在奧陶紀末生物滅絕事件的過程中硫同位素產生了非質量分餾，提出“平流層火山噴發”是奧陶紀末生命滅絕事件的驅動機製。
長久以來，奧陶紀末生物大滅絕事件的原因一直是個謎，科學家曾提出冰川事件、火山爆發以及伽馬射線暴等多種解釋，但具體的驅動機製目前學界尚未形成統一認識。
冰川事件 遭受氣候變冷和氣候變暖“雙重打擊”
奧陶紀是古生代的第二個紀，氣候溫和，淺海分布廣泛，現今1/3的陸地當時被淺海覆蓋，海平麵比現在高出400米，是地球曆史上海侵最嚴重的時代。這一時期，海生生物空前發展，腕足動物、三葉蟲、珊瑚、筆石等迅速演化，科學界稱之為“奧陶紀生物大輻射事件”，原始的脊椎動物開始出現，陸地上除了很低等的植物，沒有任何動物生存。
發生在大約4.4億年前的奧陶紀末生命大滅絕，是地球自寒武紀生物大爆發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。當時的海洋生物遭遇了滅頂之災。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”，這次大滅絕重創了海洋生態係統，導致當時85%的海洋生物物種滅絕。科學界普遍認為，導致這場災難的罪魁禍首就是奧陶紀末的冰川事件。
關於奧陶紀末生命大滅絕，以前主導的觀點是將兩幕式生物滅絕與當時冰期的開始和消融聯係起來。長期以來，這次大滅絕事件的基本過程被描述為兩幕式：第一幕起因於凱迪—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；第二幕則由於赫南特晚期冰川消融，導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麵下降，氣候變冷，這一全球氣候的突然變化直接導致海洋動物生存空間縮小，其結果是部分動物往海洋深部遷移並適應深部生存環境，但相當一部分動物因為對深部海洋生存環境的適應性較差而消亡。在持續大約100萬年之後，冰川開始消融，全球海平麵迅速升高，氣候變暖，從而導致海洋缺氧。海洋內氧氣的缺乏直接對奧陶紀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 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的氣候、海洋環境變化，導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生仍是個謎。
2018年，美國哈佛大學地球與行星科學係安·皮爾遜課題組與中國科學技術大學沈延安研究團隊合作在《自然·地球科學》上發表論文稱，研究發現，海洋真核藻類的大爆發，或觸發赫南特冰期，並間接導致奧陶紀末期生物的集體滅絕。
研究人員以美國內華達州維尼溪奧陶—誌留紀典型剖麵為研究對象。沈延安團隊首先對該剖麵進行了詳細的野外考察並進行了高密度的樣品采集工作，在此基礎上中美合作團隊開展了氮同位素的研究工作。研究結果顯示，在奧陶紀末期，由於陸地大量維管植物首次出現與擴張，增強了大陸風化作用，導致海洋中生物可利用的限製性營養元素十分充裕。這為加速浮遊植物的生長、繁殖提供了有力的條件。
氮同位素的研究結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動因素。
此外，還有研究人員認為，伽馬射線暴導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突然增強，隨後又迅速減弱的現象。伽馬射線暴的時間不長，通常隻有幾十秒，能量主要來自伽馬射線。伽馬射線是波長小於0.1納米的電磁波，是一種比X射線能量還高的輻射。物理學家通過計算發現強大的伽馬射線暴能夠殺死一定範圍內的宇宙生命。奧陶紀大滅絕是地球5大曆史事件之一，導致海洋物種數量急劇下降。有證據表明，這一巨變發生在冰河時代，而伽馬射線暴可能是觸發此次大規模滅絕事件的原因之一。
平流層火山噴發 觸發全球氣候劇變和海洋環境惡化
“但是近年來科學家們通過全球範圍內詳細的野外考察和研究發現，奧陶紀末冰川期的開始和結束並沒有與兩幕式生命滅絕在時間上高度一致，因此將奧陶紀末生命大滅絕的原因與冰川的開始和消融直接聯係起來受到了質疑。”中國科學技術大學地球和空間科學學院副研究員胡東平說道。
針對這一科學問題，研究人員開辟了新的研究思路。他們對華南奧陶紀末生命滅絕地層中的黃鐵礦進行了高精度同位素分析，發現伴隨著奧陶紀末火山的噴發，硫同位素出現非質量分餾，當火山活動減弱和停滯後，硫同位素又呈現質量分餾。“奧陶紀末非質量硫同位素記錄的發現是有地質記錄以來的首次報道。因此，我們提出奧陶紀末火山活動為‘平流層火山噴發’，觸發和驅動了當時的生命大滅絕事件。也就是說‘平流層火山噴發’扣動了奧陶紀末生命滅絕的‘扳機’。”沈延安說。
該研究認為，奧陶紀末“平流層火山噴發”將大量二氧化硫、硫化氫和其他火山物質輸送至平流層並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係統的熱量平衡起著至關重要的作用，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，從而導致地球表麵溫度下降。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，火山噴發的二氧化硫等含硫氣體經光化學反應產生硫同位素的非質量分餾，並形成硫酸鹽等沉降至地表和海洋中，最後保存於岩石中。經過短暫的冷卻之後，“平流層火山噴發”釋放大量溫室氣體使地表溫度迅速升高並形成酸雨，導致陸地和海洋酸化以及海洋缺氧。因此，他們認為，“平流層火山噴發”觸發和驅動的一係列全球氣候劇烈變化和海洋缺氧等環境惡化，直接導致了奧陶紀末生命大滅絕。
在沈延安看來，該項研究對現代全球氣候變化有重要的啟示作用。衛星觀察數據表明，近50年來平流層的硫酸鹽濃度不斷升高，一種觀點認為是人類活動排放含硫氣體造成的，也有研究認為是現代火山不斷噴發導致的。很顯然，高精度的硫同位素分析能夠為探討這一重要科學問題提供有力的手段。

(责任编辑：齊秦)