二叠纪—三叠纪之交浅水环境海洋氧化还原条件变化：华南碳酸盐台地微晶组分的地球化学证据

《Sedimentary Geology》：Oceanic redox condition changes in shallow water across the Permian-Triassic boundary: Geochemical evidence from the micrite components of the carbonate platform in South China

　　

# 摘要

缺氧底水条件是二叠纪末大灭绝最主要促成因素之一。海相碳酸盐岩是研究古海洋环境的关键档案。本研究采用原位分析方法，直接从碳酸盐岩基质中的微晶组分获取主量和微量元素数据。研究区域涵盖华南地区横跨二叠纪-三叠纪边界的三个浅水剖面（羊油、七里和大江剖面）。在这三个剖面中，铈异常均从晚二叠世到早三叠世有所增加（羊油剖面从0.8增至0.9，七里剖面从0.7增至0.9，大江剖面从0.5增至0.9），表明灭绝事件后发生了氧含量降低，但并未达到完全缺氧水平。由于这种脱氧程度相对温和，我们建议它并非所研究环境中浅海生物灭绝的主要驱动因素，而持续升高的温度以及其他环境胁迫因素可能发挥了更为关键的作用。

# 引言

大约2.52亿年前的晚二叠世至早三叠世初，地球经历了一场波及海洋和陆地环境的灾难性生物危机（Wignall, 2015; Benton, 2018; Dal Corso等, 2022; He等, 2025）。这是显生宙最严重的生物灭绝事件，导致超过80%的海洋物种灭绝（Fan等, 2020）。过去几十年间，大量研究探讨了这一灭绝事件的空间范围、时间持续时间、直接原因及其后果（如Wignall和Hallam, 1992; Wignall, 2001; Yin等, 2001; Song等, 2013; Bond和Wignall, 2014; Wignall, 2015; Burgess等, 2017; Dal Corso等, 2022; Sun等, 2024; Wignall和Bond, 2024）。目前广泛认为，此次灭绝事件与同期西伯利亚暗色岩省的巨型流纹玄武岩喷发有因果联系。与海洋生物灭绝事件相关的主要环境变化包括气候变暖（Sun等, 2012b; Benton, 2018）、海洋酸化（Clarkson等, 2015）以及广泛的海相缺氧（Wignall和Hallam, 1992; Wignall和Twitchett, 1996; Isozaki, 1997; Zhang等, 2018a）。

在众多致死机制中，海洋缺氧受到了极大关注（Wignall和Twitchett, 1996; Isozaki, 1997; Grice等, 2005; Song等, 2012b; Loope等, 2013; Zhang等, 2018a, Zhang等, 2020, Zhang等, 2026; Ge和Bond, 2022; Müller等, 2023）。现已充分证实，在灭绝事件发生之前深水区域已经转变为缺氧状态，并对生物灭绝产生了贡献（Isozaki, 1997; Grasby和Beauchamp, 2009; Grasby等, 2021; Takahashi等, 2021; Müller等, 2023; He等, 2025）。然而，浅水区域是否也经历了缺氧、缺氧的起始时间及其对生物灭绝的贡献程度仍存在高度争议（Wignall和Twitchett, 1996; Grice等, 2005; Liao等, 2010, Liao等, 2017; Loope等, 2013; Song等, 2014b; Collin等, 2015; Wang等, 2016; Li等, 2017; Zhang等, 2018a, Zhang等, 2026; Foster等, 2024）。一些早期研究基于生物标志物证据（Grice等, 2005）以及灭绝界线之上立即出现帧状黄铁矿的证据（Liao等, 2010, Liao等, 2017），将缺氧确定为浅水生物灭绝的主要驱动因素。来自中泛大洋浅水环礁的铀同位素记录表明，海底缺氧的迅速扩展与二叠纪末生物危机在时间上具有对应关系（Zhang等, 2018a）。同样，来自近赤道碳酸盐岩斜坡的铀同位素记录表明，从晚二叠世到早三叠世发生了多次缺氧事件（Zhang等, 2018b）。这些事件不仅与二叠纪末大灭绝（EPME）有关，也对早三叠世漫长而缓慢的生物恢复过程做出了贡献（Zhang等, 2018a, Zhang等, 2018b）。一项最近的研究基于配对的铈同位素（δ142Ce）和铈异常（Ce/Ce*）记录，揭示所研究的古特提斯洋东部浅水剖面在灭绝事件期间经历了脱氧，严重影响了EPME期间的生物灭绝（Zhang等, 2026）。然而，其他研究则表明，在EPME期间浅水区域并未持续缺氧，缺氧对浅水生物灭绝的贡献可能不如先前所认为的那么显著（Proemse等, 2013; Collin等, 2015; Foster等, 2024; Frank等, 2025）。碳酸盐岩中的铈异常表明，古特提斯洋东部和新特提斯洋西部浅水剖面的水柱保持富氧状态（Loope等, 2013）。Frank等（2025）基于新特提斯洋西部两个浅水剖面的氧化还原指标，认为氧化还原条件的变化并非生物多样性变化的原因。对氧化还原条件的重建不仅在区域间存在差异，在单个剖面内部也存在差异，不同指标产生的矛盾结果导致了对氧化还原变化与生物灭绝之间联系的不同解释（Loope等, 2013; Wang等, 2016）。因此，从晚二叠世到早三叠世浅水区域氧化还原条件的变化及其对生物灭绝的贡献仍有争议。

众多研究采用岩石学、古生物学和地球化学方法重建了EPME期间的海洋氧化还原条件（如Wignall和Hallam, 1992; Zheng等, 2022）。地球化学指标大致可分为全球型和区域型。全球型指标包括铀同位素（Brennecka等, 2011; Zhang等, 2018a, Zhang等, 2018b）。区域型指标则更为多样，包括铈异常（Algeo等, 2007; Song等, 2012b; Li等, 2017; Zhang和Shields, 2022; Müller等, 2023）、黄铁矿帧（Wang等, 2016; Chen等, 2022）、铈同位素（Zhang等, 2026）、硫同位素（Zhang等, 2017; Rashid等, 2022; Zheng等, 2024）、生物标志物（Grice等, 2005）、U/Al和Mo/Al比值（Takahashi等, 2021）以及Th/U比值（Wignall和Twitchett, 1996; Song等, 2012b）。在众多氧化还原指标中，铈（Ce）异常常被用于研究碳酸盐岩样品中海水的氧化还原条件（Goldberg等, 1963; Loope等, 2013; Zheng等, 2024）。

为从碳酸盐岩中提取地球化学信息，常用的方法包括使用全岩粉末样品的传统方法（Loope等, 2013; Müller等, 2023）和原位激光剥蚀电感耦合等离子体质谱（LA-ICP-MS）方法（Wallace等, 2017; Li等, 2019; Stacey等, 2024）。在使用碳酸盐岩粉末样品的传统方法中，获得的数据容易受到酸溶解过程中非碳酸盐相的污染。因此，通过调整酸的类型和每一步骤的持续时间，该方法一直在不断改进以最大限度地回收碳酸盐组分（Zhang等, 2015; Tostevin等, 2016）。与传统的粉末溶解方法相比，LA-ICP-MS作为一种定量微束技术，提供了一种有效的方法，能够快速准确地测定各种靶材中ppb级别的微量元素浓度（Liu等, 2008），并且还能对微小样品进行原位分析（Chen等, 2011），包括单个牙形石（Song等, 2012b; Li等, 2017）、鲕粒（Li等, 2019）以及特定矿物（Stacey等, 2023），例如低镁方解石的微晶。碳酸盐岩样品的LA-ICP-MS分析获得的稀土元素及镓（REY）配分模式与粉末样品的结果一致，尽管绝对浓度略高（Chen等, 2011; Wang等, 2018）。通过岩相学和阴极发光筛查可以识别出未受硅质碎屑或成岩改造影响的胶结物区域，随后可使用LA-ICP-MS获取主量、微量和REY元素数据以重建古环境（Wallace等, 2017; Stacey等, 2024）。因此，LA-ICP-MS可以获取样品中碳酸盐部分化学元素的浓度，而这一目标在全岩粉末消化法中难以实现。

本研究采用LA-ICP-MS从华南地区三个横跨二叠纪-三叠纪边界（PTB）的剖面（羊油、七里和大江剖面）碳酸盐岩样品的微晶基质中获取主量和微量元素信息。这为了解从晚二叠世到早三叠世这一关键时期浅水碳酸盐岩相的氧化还原条件提供了洞察。这三个剖面已经进行了详细研究，包括生物地层学（Zhu等, 1994; Zhu, 1999; Wang等, 2009; Sun等, 2012a; Jiang等, 2014; Wang等, 2016）、碳酸盐微相（Tian等, 2014; Deng等, 2017; Zhu等, 2023）、碳同位素分析（Song等, 2012a; Luo等, 2014; Li, 2017; Huang等, 2022）、地球化学分析（Loope等, 2013; Li等, 2017; Wang等, 2019）以及化石组合分析（Forel等, 2009; Song等, 2009; Qiu等, 2019; Sun等, 2021）。这些先前的综合分析为本研究的对比和比较提供了坚实的基础。

# 分段摘要

## 地质背景

华南地块在二叠纪-三叠纪过渡期间位于古特提斯洋东部（图1A）。扬子台地以碳酸盐岩沉积为特征，占据华南地块中部（Yin等, 2014）。PTB全球边界层型剖面和点（GSSP）位于梅山，处于上斜坡相（Yin等, 2014）。羊油和七里剖面位于扬子台地，大江剖面位于一个孤立台地上。

## 样品采集与原位LA-ICP-MS处理

共从三个剖面采集了82个样品。其中，26个样品采集自羊油剖面的长兴虫带至Isarcicella isarcica带及上覆地层（样品层位见图3、图4）。27个样品采集自七里剖面从晚二叠世长兴组到早三叠世大冶组（样品层位见图3、图5）。29个样品在大江剖面从晚二叠世到早三叠世采集。

## 主量元素组成

三个剖面显示出明显的成分变化差异。CaO范围为22%至55%，MgO为0.15%至22%，SiO2为0.006%至11%（图3）。

在羊油剖面，CaO在上二叠世长兴虫带上部从54%骤降至28%，随后基本保持稳定直到跨越PTB，然后急剧上升至三叠纪底部的52%。相比之下，MgO在长兴虫带上部从0.5%突增至12.5%，随后从16%显著下降。

## 晚期成岩效应评估

碳酸盐岩对环境条件敏感，容易受到沉积后改造的影响，如白云岩化，这些改造可以覆盖其原始地球化学特征，削弱其作为沉积海水化学记录的可靠性（Banner等, 1988; Luo等, 2021; Lau和Hardisty, 2022）。相比之下，稀土元素和镓（REE+Y）通常对成岩重置具有抵抗力，能够保留原始成分（Banner等, 1988; Webb

## 结论

本研究采用原位LA-ICP-MS方法分析了华南地区三个浅水二叠纪-三叠纪剖面碳酸盐岩样品中的微晶组分。分别对不同岩相绘制了铈异常图，铈异常与沉积物输入和晚期成岩改造的常见指标之间的相关性可以忽略不计。这些观察结果共同验证了使用铈异常作为评估三个剖面水柱氧化还原条件变化的可靠指标的合理性。

# CRediT作者贡献声明

陈汉超：撰写——原稿，资源，方法论，调查，正式分析，数据管理。
蒋海树：撰写——审阅与编辑，撰写——原稿，验证，监督，项目管理，调查，经费获取，正式分析，概念化。
陈燕：撰写——审阅与编辑，资源，方法论，调查，正式分析。
罗桂悦：资源，方法论。
袁宇：资源，方法论。
吴先朗：资源，方法论。

# 未引用参考文献

Gliwa等, 2021

# 利益冲突声明

作者声明他们不存在任何可能影响本文所报告工作的已知的财务利益冲突或个人关系。

# 致谢

本研究受国家自然科学基金资助（批准号42372035、42302019、42372005、41972033、41830320）。我们非常感谢中国地质大学（成都）访问教授James G. Ogg提供有益讨论并协助英文表述。感谢两位匿名审稿人提出的有益评论和建设性建议。

陈汉超 | 蒋海树 | 陈燕 | 罗桂悦 | 袁宇 | 吴先朗