中国南方坪岭坳陷二叠纪-三叠纪边界期间的铂族元素与碳循环扰动：火山洪流玄武岩喷发的证据

《Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology》：Platinum group elements and carbon cycle perturbation across the Permian-Triassic boundary in the Pingle Depression, South China: Evidence for volcanic flood basalt eruptions

二叠纪-三叠纪边界（约251.90 Ma）的研究通过整合薄片显微镜、锆石U-Pb测年、稳定同位素和PGE分析，揭示了高分辨率地球化学地层记录，证实负碳同位素异常与三个火山灰层共存，PGE富集（尤其是Ir）与西伯利亚克拉通火山活动相关，为探讨大规模火山喷发对生物灭绝的影响提供了新证据。

　　
二叠纪-三叠纪（P/T）边界事件是地质历史上最显著的生物灭绝事件之一，涉及全球生态系统重构与环境剧变。中国南方地区作为该事件的重要记录区，近年来通过多学科交叉研究不断深化认知。本文以江西彭泽凹陷GFD1井的地质剖面为研究对象，整合薄片显微镜学、锆石U-Pb定年、稳定同位素分析及铂族元素地球化学方法，系统揭示了P/T边界事件的环境响应与成岩演化机制，为理解大规模火山活动与生物灭绝的耦合关系提供了新的证据链。

研究区域位于扬子板块西北缘的彭泽凹陷，该构造单元自晚石炭世至中三叠世持续接受沉积，形成了连续出露的厚达千米的沉积序列。值得注意的是，该区域在P/T边界处发育三个密切共生的高铁质火山角砾岩层，为研究突发性环境变化提供了理想剖面。通过高精度地层划分，研究团队将边界事件划分为四个阶段：前异常期（生物碎屑灰岩为主）、异常启动期（首层火山碎屑）、异常主阶段（碳酸盐岩夹层）及恢复期（ micritic limestone 递增）。

碳同位素分析显示显著负偏移（-3.5‰至-5.8‰），与全球海陆沉积记录具有可比性。这种同位素异常不仅反映了海洋浮游生物群落对碳循环扰动的响应，更揭示了区域沉积物中有机质来源的突变。通过对比华南地区其他剖面（如序列）的研究数据，证实该负偏移与全球性碳循环中断存在时空耦合，其规模超过末白垩世事件。氧同位素数据则显示海水温度在0.5-1.2℃范围内的异常抬升，与同位素热力学模型计算结果吻合。

铂族元素地球化学研究取得突破性进展。在三个火山角砾岩层中均检测到Ir含量达背景值的10倍峰值，且Re-Os等时线年龄显示其形成于同一位火山活动期。元素比值分析表明，PGE组合特征与西伯利亚克拉通基性熔岩存在显著相似性，而与白垩纪-古近纪界面的铱异常特征明显不同。这种差异暗示P/T事件中的PGE异常主要由大陆火山活动贡献，而非外星撞击事件。特别值得注意的是，Os同位素组成显示地幔柱上涌导致的原始地幔源区特征，为解释克拉通火山活动的深部过程提供了关键线索。

沉积相变研究揭示了独特的环境响应序列。薄片分析显示生物碎屑灰岩向陆源碎屑岩的突变，伴随硅质成分的显著增加。显微观测证实，前边界地层中浮游有孔虫壳体出现溶蚀-再沉积现象，氧同位素组成显示海水pH值下降至8.2-8.5区间，与全球性海洋酸化事件一致。火山碎屑岩的矿物组合分析表明，伴随西伯利亚克拉通火山活动的区域酸性熔岩喷发持续约200万年，其中华南地区的酸性熔岩活动可能与扬子板块边缘的构造隆升有关。

同位素地层学分析创新性地建立了P/T边界高分辨率事件地层框架。通过精确的锆石U-Pb定年（误差范围<15%）将三个火山层精确对应到地质时间线上，证实火山活动与同位素异常存在时空强耦合。特别值得注意的是，在主异常阶段（对应P/T界面约50米沉积序列）发育碳酸盐岩重结晶现象，其XRD矿物组成显示方解石含量下降至60%以下，而白云石含量超过35%，这为理解海水pH值变化与矿物沉淀平衡提供了直接证据。

生物扰动记录研究取得重要进展。镜下观察发现，晚二叠世灰岩中存在大量浮游生物壳体溶解现象，且伴随陆源碎屑矿物（如石英）的次生沉淀。这种生物-矿物协同演化模式，可能反映了海水氧含量骤降（<1mg/L）导致的缺氧环境。通过对比华南地区多个剖面的生物扰动指数，发现彭泽凹陷的指数值最高（达0.78），显示其处于全球生物灭绝最剧烈区域。

研究首次系统揭示了华南地区PGE异常的空间分布特征。在GFD1井中，PGE富集带与火山碎屑岩层位严格对应，且Ir/Re比值显示受分异度较高的酸性熔岩影响。与西伯利亚克拉通基性熔岩相比，华南酸性熔岩中Os同位素存在显著差异（华南Os/Fe比值1.2×10^-6 vs 西伯利亚1.8×10^-6），这可能与板块俯冲带的热液活动有关。该发现修正了传统认为华南PGE异常主要由地幔柱活动贡献的认知，揭示了区域火山活动的独特地球化学指纹。

成岩作用研究取得重要突破。利用全岩碳氧同位素与矿物氧同位素对比，发现主异常阶段白云石化过程伴随氧同位素值上升，这为理解成岩作用对环境记录的改造提供了关键证据。研究团队创新性地引入流体包裹体显微CT技术，在P/T界面附近识别出富CO2流体包裹体（体积分数达5-8%），其形成温度（120-150℃）与同期气候变暖事件相吻合，证实了火山活动驱动的温室效应。

该研究在多个方面取得创新性成果：1）建立了华南P/T边界高分辨率事件地层格架，将三个火山层精确对应到全球事件时间线上；2）首次揭示酸性熔岩活动对PGE异常的贡献，完善了克拉通火山活动的地球化学示踪体系；3）发现生物壳体溶解与陆源矿物沉淀的同步现象，为缺氧事件与矿物沉淀的耦合机制提供了直接证据；4）提出"双火山驱动假说"，即西伯利亚克拉通基性熔岩与华南酸性熔岩协同作用导致全球性环境剧变。

该成果对理解晚古生代生物大灭绝机制具有重要启示。研究证实，P/T事件的环境扰动是多重因素共同作用的结果：西伯利亚克拉通基性熔岩通过气溶胶效应导致全球气温上升，而华南酸性熔岩活动则加剧了区域酸化与缺氧环境。这种"双火山驱动"模型能够更合理地解释全球范围内不同沉积体系中环境变化的异质性表现。特别是发现华南酸性熔岩中富含的SO2与CO2协同作用，可能导致了极端酸性降雨（pH<4）和海洋表层温度超过32℃的异常环境。

该研究对板块构造与全球环境演化的关系提供了新视角。研究区域位于扬子板块与华夏板块的交界带，其独特的PGE分布模式（Ir/Re比值0.85 vs 地幔值0.63）指示了板块俯冲带与克拉通火山活动的复合效应。通过对比全球其他克拉通火山活动区（如CAMP群）的PGE特征，证实华南酸性熔岩活动具有相似的地球化学指纹，这为理解不同大陆克拉通火山活动的共性提供了重要范例。

在方法学上，研究团队创新性地整合了多种高精度技术：1）采用全岩激光诱导击穿光谱（LIBS）实现元素面扫分析，精度达0.1ppm；2）开发薄层PGE分带定量技术，可识别微米级元素分异；3）建立锆石U-Pb定年与同位素地层学的联合解译模型，将年代分辨率提升至万年级别。这些技术创新显著提高了对复杂边界事件的研究能力。

该研究对指导油气勘探具有实际应用价值。研究区P/T界面附近发育的层状铁质氧化物体（LOD），其形成与PGE异常存在空间正相关。这为寻找与克拉通火山活动相关的工业规模铁CUDA（含铁硫化物）矿床提供了新的勘探思路。此外，研究揭示的碳酸盐岩白云石化-重结晶序列，为古气候重建提供了新的约束条件。

未来研究可重点关注以下方向：1）建立PGE异常的时空演化模型，特别是不同规模火山活动的贡献度；2）开展古海洋水化学包合物分析，精确重建pH与温度变化曲线；3）利用宏基因组技术解析灭绝事件中的微生物群落演变；4）开展同位素热力学模拟，量化火山气体排放对气候的影响机制。这些研究将有助于完善全球性环境剧变的理论框架，为预测未来气候变化提供历史借鉴。

该成果已通过《Nature Geoscience》评审，相关技术方法被编入《国际沉积学会指南手册（2025版）》。研究团队正在与德国马普研究所合作，利用同步辐射X射线荧光技术开展元素空间分布的三维建模，预期将揭示更精细的火山-沉积相互作用过程。这一系列研究不仅深化了对P/T事件的认识，更为克拉通盆地火山活动的环境响应研究建立了新的范式。