大火成岩省与二叠纪两次生物灭绝关系研究进展

二叠纪两次生物灭绝事件一直是地质学家所关注和研究的热点问题.一次是地质历史上规模最大的晚二叠世乐平期末生物灭绝事件(Permian-Triassic boundary-PTB,约252 Ma),导致超过95％的海洋物种消失和全球生物化学圈紊乱;另一次是规模相对较小的中二叠世瓜德鲁普期末(end-Guadalupian,Guadalupian-Lopingian boundary-GLB,约260 Ma)生物灭绝事件.尽管这两次生物灭绝的原因尚不完全清楚,但巧合的是,这两次生物灭绝事件在时间上分别与西伯利亚和峨眉山大火成岩省火山活动存在耦合关系.一般认为,火山活动导致生物灭绝主要机制是其产生大量挥发性气体和火山灰引发全球性环境气候急剧恶化的结果.本文回顾近年围绕大火成岩省与这两次生物灭绝耦合关系这一科学问题展开大火成岩省相关地质过程释放挥发性气体量化工作所取得的研究成果,并总结分析一些现阶段仍然存在争议的问题和提出对峨眉山大火成岩省进一步工作的一些建议.     

峨眉山大火成岩省与二叠纪生物灭绝事件

二叠纪两次生物灭绝事件(瓜德鲁普世末生物灭绝和古-中生代之交生物灭绝)一直是地质学家研究和关注的热点问题。虽然对导致生物大规模灭绝的具体原因尚不清楚,但大部分学者认为峨眉山大火成岩省(ELIP)的火山活动及其引起的环境效应是瓜德鲁普世末(end-Guadalupian)生物灭绝事件的主要原因(基于时间上的吻合性),还有一部分学者认为ELIP的火山作用延续到P-T边界处,与古-中生代之交生物灭绝可能存在着成因联系。文章主要叙述了现阶段关于ELIP与生物灭绝事件的一些关键性重要研究成果,并提出了进一步工作建议。     

峨眉山大火成岩省中发现二叠纪苦橄质熔岩

峨眉山大火成岩省是当前研究的热点,尽管早有报道在峨眉山大火成岩省中存在苦橄岩,但是是否存在真正的二叠纪苦橄质熔岩一直有争论,笔者等对前人报道的“苦橄岩”产地进行了详细的野外地质调查发现,前人报道的所谓“苦橄岩”,不是喷出的熔岩,而是呈侵入状态的苦橄玢岩。这些呈侵入状态的苦橄玢岩在区内分布较多,约有数十个,出露面积一般为50×100～200×700m~2。最大可达8km~2。这些苦橄玢岩除了侵入于峨眉山玄武岩外,部分还侵入于上三叠统白云质灰岩中。由此推测部分苦橄玢岩应晚于晚三叠世。尽管目前还没有可靠的同位素年龄数据,但根据区域对比,一般认为这些苦橄玢岩形成于喜马拉雅期,与峨眉山玄武岩系无关。需要指出的是,在这些报道所谓“苦橄岩”的论文中均没     

贵州盘县峨眉山玄武岩系顶部凝灰岩LA-ICP-MS 锆石U-Pb年龄:对峨眉山大火成岩省与生物大规模灭绝关系的约束

在20世纪90年代,有学者认为峨眉山大火成岩省(Emeishan Large Igneous Province, ELIP)大规模火山活动与二叠-三叠系之交(Permian-Triassic Boundary, P-TB)的生物大灭绝事件在时间上有耦合关系,随后的⁴⁰Ar/³⁹Ar同位素测年结果也显示峨眉山大火成岩省是晚二叠世形成的。但是,近些年大量的SHRIMP U-Pb测年结果表明,ELIP大规模火山喷发约在~260Ma;因此有研究认为,ELIP火山活动与中二叠世瓜德卢普期末(end-Guadalupian)的生物灭绝事件在时间上联系更加紧密。至于P-T界线生物大灭绝,现在多数学者认为是,由于西伯利亚大火成岩省火山强烈活动释放大量气体和火山灰所造成环境变化引起的。最近,我们在ELIP东部的贵州盘县峨眉山玄武岩系剖面中发现顶部发育厚度达近百米的凝灰岩层,其LA-ICP-MS U-Pb法测年结果为251.0±1.0Ma,与浙江煤山剖面中二叠系-三叠系边界处黏土层或火山灰层的锆石U-Pb年龄接近。因此,峨眉山玄武岩喷发结束的时间应该在P-T边界,与西伯利亚大火成岩省的主体喷发时间一致。新的测年结果暗示了ELIP火山活动与地球历史上最大的一次生物灭绝事件(P-T边界)可能存在着成因联系。     

关于峨眉山大火成岩省一些重要问题的讨论

峨眉山大火成岩省(ELIP)近几年来取得了许多新的进展,但在一些重要的问题上仍存在着争论,笔者列举了ELIP火山喷发的时间、分布范围、高钛和低钛玄武岩、层状岩体与玄武岩以及成矿作用的关系、大火成岩省与生物绝灭的关系以及与地幔柱的关系等方面存在的问题,以及由此引发的相关争论.这些问题的解决对于大火成岩省研究的深入将会起到重要作用.     

瓜德鲁普末期生物灭绝是由峨眉山大火成岩省(LIP)引起的吗?

瓜德鲁普统末期生物灭绝是发生在二叠末期生物灭绝之前的一次独立的生物灭绝事件。该次生物灭绝事件对当时海洋底栖生物危害的严重性曾被认为可与五大生物灭绝事件对生物的影响程度相提并论。近年来,随着地层年龄数据的逐渐增多,地层的年代归属逐渐明朗,瓜德鲁普末期生物灭绝的严重性受到越来越多的质疑。同时,曾被认为是该次生物灭绝的主要原因--峨眉山大火成岩省(LIP)也受到质疑。峨眉山LIP是否仍是该次生物灭绝的主要原因？为了阐明上述问题,文章综述了瓜德鲁普末期生物灭绝、峨眉山LIP的喷发、卡匹敦阶碳、锶同位素变化以及引起该次生物灭绝的主要原因。结合研究数据认为:①瓜德鲁普末期生物灭绝事件对浅海底栖生物的影响不是特别严重,生物多样性减少幅度比五大生物灭绝事件要小;②瓜德鲁普统-乐平统(G-L)界线附近碳同位素负偏受成岩作用和相变的影响较大,卡匹敦阶碳同位素比值的变化存在两次负偏,第一次发生在卡匹敦中期(幅度约为1.0‰至1.5‰),第二次发生在G-L界线(幅度约为1.4‰至2‰);③该次生物灭绝的主要原因很可能不是峨眉山大火成岩省,而可能是大规模海退和海洋缺氧。     

峨眉山大火成岩省与玄武岩铜矿--以贵州二叠纪玄武岩分布区为例

贵州晚二叠世玄武岩是峨眉山大火成岩省的组成部分，并位于其东区。全属高钛玄武岩。它是地幔柱边部或消亡期局部熔融产物。产物我省玄武岩中的铜矿床（点），与北美大陆同类铜矿有相似之处，可统称为玄武岩铜矿，属于“与陆相镁铁质喷发岩有关的铜矿床成矿系列”。     

峨眉山大火成岩省虎跳峡和金安二叠纪玄武岩的地球化学特征及其对源区的约束

本文对虎跳峡苦橄岩和玄武岩及金安玄武岩的地球化学特征进行了研究。结果表明其微量元素原始地幔标准化曲线、Sr-Nd-Pb同位素比值与OIB、丽江苦橄岩相似,表现为其大离子亲石元素相对高场强元素富集,并且不存在Nb、Ta和Ti的负异常,表明岩浆在上升过程中很少受到岩石圈地幔或地壳物质的混染。利用Klein and Langmuir（1987）的方法得出虎跳峡熔岩和金安玄武岩原始岩浆MgO含量分别为15.81%~20.89%和8.06%~13.84%,其相应的地幔温度分别为1493~1611℃和1055~1474℃。所得温度略高于正常软流圈地幔温度,低于丽江仕满苦橄岩的熔融温度（1630~1680℃）,推测丽江地区可能是峨眉山地幔柱的中心部位。     

湖北崇阳二叠纪—三叠纪之交生物灭绝和沉积微相演化

二叠纪—三叠纪之交,湖北崇阳地区处于浅水碳酸盐岩台地环境.二叠纪末的全球事件在该剖面的沉积微相和生物演化上均留下了清楚的记录.二叠纪末生物大灭绝之前,崇阳地区为典型的正常浅海台地环境,生物种类多样,数量丰富,主要生物化石有钙藻、有孔虫、腕足、棘皮类和海绵等.生物大灭绝之后,钙藻、(筳)类、棘皮类、海绵、绝大部分有孔虫开始消失,取而代之的是个体微小的腹足、介形虫和大量的蓝细菌化石.大灭绝界线之上,首先出现的是25 cm厚的纹层状的微生物岩,含较丰富的种类单调的有孔虫化石.之后逐渐相变为花斑状微生物岩和穹隆状微生物岩,厚度分别为6.4,2.3m.不同类型微生物岩在结构构造和生物组成上存在差别.微生物岩沉积结束之后,则相变为浅滩相鲕粒灰岩.共划分出3种沉积相,即开阔台地相、潮坪相和浅滩相.崇阳剖面的生物灭绝和沉积微相变化是二叠纪—三叠纪之交浅水台地环境生物与环境过程的典型代表,为认识二叠纪末浅海沉积相演化和全球事件提供了新材料.     

塔里木盆地二叠纪玄武岩的地球化学特征及其与峨眉山大火成岩省的对比

中国西部地区发育了塔里木大火成岩省和峨眉山大火成岩省,分别形成于280Ma左右和258~260Ma。对比两个大火成岩省的玄武岩的地球化学特征,发现塔里木玄武岩的岩石地球化学特征与峨眉山玄武岩相似,Fe ₂O₃＝15.29%~17.97%,大于10%,比MORB富铁,指示其深源以及地幔柱源特征,为典型的溢流玄武岩。稀土元素比值显示其落在由石榴石二辉橄榄岩组成的原始地幔熔融线上,表明该玄武岩是在厚的岩石圈下由异常热的地幔经低部分熔融形成的。微量元素特征比值分析,揭示了塔里木玄武质岩浆在上升过程中受到了一定程度的地壳混染。塔里木大火成岩省和峨眉山大火成岩省一样,可能起源同一个来自于核幔边界的超级地幔柱,它们很可能是塔里木板块和扬子板块在二叠纪北向漂移过程中先后穿越同一个超级地幔柱的结果。     

关于峨眉山大火成岩省一些问题的研究现状

峨眉山大火成岩省(ELIP)位于扬子板块西缘,是我国唯一被国际学术界认可的大火成岩省,受到国内外学者的广泛关注。主要围绕峨眉山玄武岩喷发前的隆升剥蚀情况、喷发时限、地幔柱的轴部位置等争议性问题进行探讨,总结了前人的研究成果。由于地幔柱和岩石圈之间相互作用的复杂性,加之地幔柱模型的不完善,峨眉山地幔柱活动在地表的真实响应也许更复杂。在今后的研究中,应该加强不同学科间的相互合作,着重研究地球深部动力学过程以及地球系统各圈层的相互作用。     

峨眉山大火成岩省“高钛玄武岩”和“低钛玄武岩”成因探讨

大量的岩石化学资料分析表明，峨眉山大火成岩省玄武岩的TiO2含量是连续变化的，不存在明显的间断。野外地质特征表明高钛和低钛玄武岩既不存在空间分带，也不存在时间分带。其Sr、Nd和Pb同位素组成也没有明显的区别，推测它们可能是同源岩浆分离结晶的产物。根据MgO和TiO2的相关关系，可将苦橄岩和玄武岩的演化划分为4个趋势，并采用分离结晶模式对其进行了成因模拟，表明高钛和低钛玄武岩是同—母岩浆(苦橄—玄武岩浆)通过不同矿物相分离结晶的产物。     

云南富民晚二叠世中—基性岩年代学、地球化学特征：对峨眉山大火成岩省岩浆作用过程的指示意义

本文对云南富民地区晚二叠世中—基性岩体、峨眉山玄武岩进行了同位素年代学、岩石学和地球化学的研究。富民基性岩体为辉绿岩,中性岩墙为碱性二长岩。两者均富集LREE、LILE和HFSE,具有OIB的特征,以及相似的Sr-Nd同位素特征,基性岩体的(87Sr/86Sr)i为0.70565~0.70626,εNd(t)为-0.06~+0.49,中性岩墙的(87Sr/86Sr)i为0.70564~0.70567,εNd(t)为-0.32~+0.41。基性岩LA-ICPMS锆石U-Pb测年结果为257.6±2Ma,表明富民中—基性岩体形成于峨眉山大火成岩省大规模岩浆作用的末期。地球化学证据表明富民中—基性岩体是高Ti型玄武质岩浆经连续演化形成的。富民中—基性岩的原始岩浆是地幔柱在石榴子石稳定区经小程度部分熔融的产物。同位素比值与抗蚀变不相容元素比值(如Nb/U)的相关性表明,基性岩在岩浆形成过程中未遭遇地壳混染,而二长岩遭受了少量地壳混染。富民地区晚二叠世中—基性岩体,尤其是螃蟹箐二长岩的发现,证实了ELIP地区"双峰式"火山岩组合中普遍缺失的中性岩体的存在,为长英质岩体的分离结晶成因模型提供了关键证据。     

Petrogenesis of the Pt–Pd mineralized Jinbaoshan ultramafic intrusion in the Permian Emeishan Large Igneous Province,SW China

The Jinbaoshan ultramafic intrusion is a sheet-like body with a thick wehrlite unit in the center and thin pyroxenite units at the margins. PGE are enriched in several disseminated sulfide zones in the intrusion. Olivine from the intrusion has low Fo and depleted Ni contents compared to olivine from coeval Emeishan picrites. Whole rock major and trace element concentrations suggest that the Jinbaoshan wehrlites originally contained <30% trapped liquid. The total amount of sulfide in the rocks exceeds that which could have been dissolved in the trapped liquid. The Jinbaoshan wehrlites are interpreted to represent residual assemblages formed by dissolution of plagioclase by passing magma. No clear evidence of crustal contamination is indicated by S, Nd and Os isotopes. We envision that sulfide saturation occurred at depth due to olivine and chromite crystallization. Immiscible sulfide droplets were transported to the Jinbaoshan conduit where they accumulated and reacted with magma successively passing through the conduit to achieve high PGE concentrations.     

峨眉山大火成岩省白马层状侵入体的成因

峨眉山大火成岩省与二叠纪晚期的峨眉山地幔柱作用有关。白马层状侵入体是峨眉山大火成岩省赋存超大型Fe-Ti-V氧化物矿床的镁铁-超镁铁质侵入体之一。白马侵入体橄榄辉长岩和橄长岩全岩Mg O与Cr、Ni的相关性表明白马母岩浆经历了较高程度的分离结晶作用。原始地幔标准化微量元素图解和球粒陨石标准化稀土元素图解总体具有显著的Sr、Eu和Ti正异常,Zr-Hf负异常;而Nb、Ta既有正异常,也有负异常,这些特征与岩石中磁铁矿、单斜辉石和斜长石等矿物的堆晶作用有关。(87Sr/86Sr)i=0.704232～0.704855,平均值为0.704706;εNd(t)=1.40～3.94,平均值为2.41。Sr-Nd同位素组成落于峨眉山苦橄岩和高钛玄武岩的范围内,混合模拟计算表明白马母岩浆经历了10%～30%硅质大理岩围岩的混染。因此,白马Fe-Ti-V氧化物矿床的形成受母岩浆的组成、分离结晶作用及大理岩围岩的混染等多种因素共同制约。     

峨眉山大火成岩省：地幔柱活动的证据及其熔融条件

对苦橄岩中橄榄石斑晶及其中熔体包裹体的电子探针分析表明，峨眉山大火山岩省的原始岩浆具高镁（ MgO > 16％）特征。玄武岩的 REE反演计算揭示，参与峨眉山玄武岩岩浆作用的地幔具有异常高的潜能温度（ 1 550℃）。这些特征以及峨眉山玄武岩的大面积分布和一些熔岩所显示的类似于洋岛玄武岩 (OIB)的微量元素和 Sr- Nd同位素特征均为地幔热柱在能量和物质上参与峨眉山溢流玄武岩的形成提供了确凿证据。峨眉山两个主要岩类（高钛和低钛玄武岩）可能是不同地幔源区物质在不同条件下的熔融产物。低钛玄武岩形成于温度最高、岩石圈最薄的地幔柱轴部。地幔（ ISr≈ 0.705,ε Nd(t)≈＋ 2）熔融始于 140 km，并一直延续到较浅的深度（ 60 km,尖晶石稳定区 ),部分熔融程度为 16％，这类岩石可能代表了峨眉山玄武岩的主体。而高钛玄武岩的母岩浆的形成基本局限在石榴子石稳定区（ > 70 km），其源区特征为 : ISr≈ 0.704,ε Nd(t)≈＋ 5，可能代表了热柱边部或消亡期地幔小程度部分熔融（ 1.5％）的产物。     

Re-Os同位素对峨眉山大火成岩省成因制约的探讨

峨眉山大火成岩省（ELIP）主要由玄武岩、玄武质火山碎屑岩及少量的苦橄岩（包括越南的科马提岩）、长英质岩石以及层状岩体和岩墙组成,其物质来源直接关系到其成因是否与地幔柱活动有关。Re-Os同位素体系是地核、地幔和地壳物质的最佳示踪剂。前人对ELIP内的Re-Os同位素研究表明,低Ti玄武岩的Os含量为0．006&#215;10^-9-0．40010^-9,^187Os／^188Os初始值为0．1371～1．403,并提出其与地幔柱活动有关;而高Ti玄武岩的Os含量为0．00410^-9～0．56010^-9,^187Os／^188Os初始值为0．1271～5．19,认为起源于大陆岩石圈地幔或地幔柱上升过程中受到大量岩石圈地幔“混染”（xu JF et al．,2007）;科马提岩的0s含量为1．2410^-9～7．0010^-9,^187Os／^188Os初始值为0．1251～0．1261,苦橄岩的Os含量为0．3210^-9～2．32910^-9,^187Os／^188Os初始值为0．1233～0．1266,指示苦橄岩和科马提岩均来自亏损地幔源区（Hanski et al．,2004;陈雷等,2007）。本文利用Os含量最低、^187Os／^188Os最高的高Ti玄武岩作为地壳端员,用铁质陨石、原始上地幔（PUM）和亏损地幔（DMM）作为地核和各种地幔端员,分别做二元混合计算,结果显示绝大多数玄武岩和所有苦橄岩及科马提岩均落在地壳和DMM混合曲线附近,并且邻区特提斯洋地幔岩与DMM具有相近的Os含量和^187Os／^188Os组成,据此推测峨眉山火成岩的形成与特提斯洋的活动有关,主要受控于地壳和亏损地幔的相互作用。     

峨眉山大火成岩省的岩石圈结构: 对地幔柱-岩石圈相互作用的启示

峨眉山大火成岩省位于扬子克拉通西缘, 是中-晚二叠世峨眉山古地幔柱头熔融的产物。因此, 该区岩石圈结构特征对于揭示地幔柱-岩石圈相互作用方式与机制具有重要的指示意义。本文基于COMPASS-ELIP宽频带地震台阵资料, 开展S波接收函数成像研究, 并与同剖面远震S波有限频层析成像、区域面波层析成像结果进行对比分析, 识别了沿剖面岩石圈内部主要间断面, 从而获得了峨眉山大火成岩省岩石圈结构的横向变化特征。结果显示, 相对中带和外带, 内带具有地壳增厚(增厚15~20km)、岩石圈减薄(减薄~50km)现象, 且岩石圈地幔具有高速、分层特征, 但下层底界面转换波震相并不明显; 中带岩石圈厚度大(~170km), 局部地段岩石圈-软流圈边界(LAB)缺失, 对应位置存在地幔低速异常; 外带岩石圈厚度略小(~150km), 中带和外带均发育岩石圈中部不连续面(MLD)。结合地球化学、岩石学、物理/数值模拟等研究成果, 本文推测上述特征记录了古地幔柱作用引起的不同程度岩石圈变形: 地幔柱在内带以纵向作用为主, 通过热-动力冲击方式造成岩石圈大幅度快速减薄, 地幔柱头高程度减压熔融, 产生的大规模岩浆穿透岩石圈地幔, 在地壳发生底侵和内侵, 部分喷出地表形成溢流玄武岩; 地幔柱在中带以横向作用为主, 通过底部剪切引起岩石圈地幔横向伸展, 甚至造成局部撕裂, 在撕裂部位进一步引发热-化学侵蚀并导致岩石圈破坏; 地幔柱在外带以垂向拖曳为主, 造成岩石圈的局部拆沉而减薄。此外, 内带下方地幔的高速、分层特征, 可能指示经历地幔柱作用减薄后的岩石圈, 减薄产生的岩石圈空区因捕获地幔柱头熔融残留物而得到一定程度愈合, 而受地幔柱改造后的残存岩石圈, 因经历大量熔体抽取更加亏损而得到强化。综上, 本文揭示的峨眉山大火成岩省岩石圈结构, 为进一步理解地幔柱-岩石圈相互作用的方式与机制提供了新的地球物理观测证据。