微米級花粉化石告訴你2億年前四川盆地發(fā)生了什么

約2億年前，地球發(fā)生了一次十分重要的演化事件。原本相連的歐洲—北美—南美—非洲聯(lián)合古陸解體，中間出現(xiàn)大西洋開裂。滔滔海水之中，冒出綿延上百公里的火山群，它們夜以繼日地噴發(fā)，濃煙和火山灰遮天蔽日，地質(zhì)歷史上三疊紀(jì)末的生物大滅絕事件就此拉開序幕。

過去，科學(xué)界對三疊紀(jì)末生物大滅絕造成的海洋生物重創(chuàng)已形成了共識。但是，對于廣袤陸地生態(tài)的變化卻是眾說紛紜，莫衷一是。科學(xué)家們在歐洲、美洲僅找到少數(shù)保存較好的連續(xù)陸相沉積地層，支離破碎的化石證據(jù)讓三疊紀(jì)末生物大滅絕事件疑點(diǎn)重重，究竟是區(qū)域性的陸地生物更替，還是全球性的陸地生態(tài)變化，讓人困惑不已。

從2007年起，中國科學(xué)院南京地質(zhì)古生物研究所王永棟研究員帶領(lǐng)中生代植物與環(huán)境科研團(tuán)隊，在四川盆地三疊系—侏羅系地層開展了多學(xué)科的深入研究，陸續(xù)取得了系列新進(jìn)展。

近日，國際地學(xué)學(xué)術(shù)刊物《三古》刊發(fā)了一項重要研究成果：中國科學(xué)院南京地質(zhì)古生物研究所李麗琴博士、王永棟研究員與國外同行合作，在四川盆地東北緣的宣漢七里峽剖面發(fā)現(xiàn)了豐富的孢子花粉化石。恰恰是這些用肉眼無法直接看到的微體化石，從中獲得的相關(guān)信息與全球多個剖面的研究結(jié)果一致，這些研究正在揭開三疊紀(jì)—侏羅紀(jì)之交的古植被演替和古氣候變化之謎。

1、晚三疊紀(jì)四川盆地曾生機(jī)盎然

三疊紀(jì)距今2.5億年～2.01億年，是中生代的第一個紀(jì)，爬行動物是該時期的主宰者，裸子植物也迅速興起。

40億歲的地球，從它誕生的那一天起，板塊運(yùn)動就沒有停止過，分分合合之中，讓大陸的形態(tài)與地球的生態(tài)不斷地重構(gòu)。

2億多年前的三疊紀(jì)，東亞大陸與歐洲大陸并未相連，它們中間隔著浩瀚的特提斯洋。海西運(yùn)動以后，許多地槽轉(zhuǎn)化為山系，陸地面積擴(kuò)大，地臺區(qū)產(chǎn)生了一些內(nèi)陸盆地。位于我國華南地區(qū)的四川盆地和西北地區(qū)的新疆準(zhǔn)噶爾盆地都位于特提斯洋的東緣，并且華北板塊與華南板塊中間也有一片廣袤的水域。

四川盆地和準(zhǔn)噶爾盆地就是那一時期的典型代表，這些盆地的地理條件導(dǎo)致沉積相及生物界產(chǎn)生了進(jìn)一步的變化。

“這兩大盆地雖然緯度不同，但是都有著濕潤的氣候、肥沃的水土，這里草木茂盛，高大的裸子植物和低矮的蕨類植物在此繁衍出龐大的家族，比如新蘆木、雙扇蕨、蘇鐵、蘇鐵杉等，還有一些苔蘚、石松植物也在森林中出現(xiàn)。”李麗琴告訴筆者，這些植物經(jīng)歷了上億年的地質(zhì)運(yùn)動后，被埋藏在地下數(shù)百米甚至上千米處，最終形成了煤炭。

蕨類植物又稱羊齒植物，屬于孢子植物。世界現(xiàn)存蕨類植物約12000種，廣泛分布在世界各地，尤以熱帶、亞熱帶地區(qū)種類繁多。我國約有2600種，主要分布在長江以南各省區(qū)。最早的裸子植物可追溯到3.4億年前至3.95億年之間的泥盆紀(jì)，它們主要依靠風(fēng)傳粉繁育后代，少數(shù)有昆蟲傳粉。

常見的蕨類植物大多外形低矮，而銀杏、松柏、蘇鐵等祼子植物則是多年木本植物，大多是高大的喬木，兩者對環(huán)境的要求各不相同。裸子植物中的松柏類主要分布于溫帶和寒帶，蘇鐵類屬于熱帶、亞熱帶植物，而銀杏植物多喜亞熱帶溫涼環(huán)境。多數(shù)蕨類植物喜歡溫暖濕潤的環(huán)境，少數(shù)則耐干旱。總的來說，蕨類植物的生命力更為頑強(qiáng)，對于極端環(huán)境的耐受力更強(qiáng)。

“我們研究發(fā)現(xiàn)，四川宣漢、廣元、合川等地當(dāng)時河流、淺灘和泥炭沼澤環(huán)境密布，周期性的水漲潮退，讓許多植物的孢子、花粉飄落在水中，并匯集在一起，這為我們研究當(dāng)時的陸地植物生態(tài)提供了很好的條件。”李麗琴說。

2、微米級孢粉化石揭示古環(huán)境變化

距今2億年前的三疊紀(jì)—侏羅紀(jì)之交發(fā)生了顯生宙五大生物滅絕事件之一，全球海陸生態(tài)系統(tǒng)受到重創(chuàng)。相比于海洋而言，對陸地生態(tài)系統(tǒng)三疊紀(jì)—侏羅紀(jì)之交重大生物事件的探究相對薄弱，特別是針對處于東特提斯洋的東亞地區(qū)陸地生態(tài)系統(tǒng)響應(yīng)的研究甚少。重要原因就是海相地層相對陸相地層更為連續(xù)完整，并且植物化石保存條件更為苛刻，科學(xué)家有時候很難只通過大型植物化石還原當(dāng)時的陸地生態(tài)環(huán)境變化。

研究人員們在野外考察時，對須家河組—珍珠沖組的地層進(jìn)行了詳細(xì)的調(diào)查，把地層中的巖石取樣后帶回實(shí)驗室分析和觀察。

“孢子和花粉之所以能夠得到較好的保存，是因為它們非常小，而且外壁足夠堅硬，再加上水流將它們沖刷匯聚到一起，很容易被水下的沙土掩埋保存下來。”李麗琴解釋說。

這些孢子和花粉大的不到100微米，小的僅有30微米左右，必須借助400倍的顯微鏡才能看清楚，放大600倍后才能清晰地成像拍照。但就是這些微體化石卻成為揭秘遠(yuǎn)古環(huán)境的解碼器。

“我們注意到，雖然四川盆地距今2億年左右的環(huán)境總體來說是溫暖濕潤的，但是在不同地層中，蕨類植物的孢子與祼子植物的花粉數(shù)量和種類卻出現(xiàn)大幅波動，這說明兩者在不同時期是分別占有優(yōu)勢地位的。”王永棟說道。

經(jīng)過進(jìn)一步的詳細(xì)地質(zhì)調(diào)查和化石標(biāo)本分析，他們總結(jié)出一個規(guī)律：在晚三疊世，真蕨植物占絕對優(yōu)勢并以雙扇蕨科為代表，松柏類植物和蘇鐵類、銀杏類植物繁盛，還有少量的種子蕨類、石松類、苔蘚類和楔葉類植物等。在晚三疊世末，松柏類和蘇鐵、銀杏類植物占優(yōu)勢，松柏類的掌鱗杉科開始出現(xiàn)，蕨類植物較少。到了三疊紀(jì)—侏羅紀(jì)過渡期，植物多樣性較低，僅以少數(shù)蕨類植物占優(yōu)勢。進(jìn)入早侏羅紀(jì)后，蘇鐵、銀杏類植物復(fù)蘇，松柏類掌鱗杉科豐富，蕨類植物以桫欏科/蚌殼蕨科為代表。

3、三疊紀(jì)末全球氣候出現(xiàn)劇變

“過去許多人認(rèn)為，三疊紀(jì)末期地球開始出現(xiàn)溫室環(huán)境，導(dǎo)致大量動植物滅亡。而我們的調(diào)查研究更加精準(zhǔn)地分析了大滅絕前600萬年的氣候變化，發(fā)現(xiàn)當(dāng)?shù)亟?jīng)歷了溫暖濕潤（短期變涼）—干涼—溫度回升的曲線波動。”王永棟告訴筆者。

王永棟介紹道：“三疊紀(jì)末期，特提斯洋西岸的歐洲大陸和非洲大陸出現(xiàn)了大區(qū)域的火山集中噴發(fā)活動，這些地區(qū)籠罩在遮天蔽日的火山灰下，大量的二氧化硫進(jìn)入大海，造成海水酸化和缺氧，90%以上的海洋生物因此而滅絕，陽光被煙塵和火山灰遮擋導(dǎo)致氣溫迅速下降，而后由于火山排放出的二氧化碳不斷在大氣層中累積，又讓氣溫在短時間內(nèi)快速回升。”

我國的四川盆地和準(zhǔn)噶爾盆地雖處在特提斯洋東岸，但是火山灰也逐漸飄散到這里，導(dǎo)致這些地區(qū)的氣候出現(xiàn)驟變，進(jìn)而影響到了陸地生態(tài)系統(tǒng)。

該研究發(fā)現(xiàn)的三疊紀(jì)—侏羅紀(jì)過渡期顯著蕨類三縫孢子峰值、晚三疊紀(jì)末短期變冷以及早侏羅世變暖的古氣候變化趨勢，與全球多個代表剖面尤其是特提斯洋西緣地區(qū)的研究結(jié)果相吻合，揭示了三疊紀(jì)—侏羅紀(jì)之交全球性陸地古植被和古氣候演替變化。

這次研究是我國華南地區(qū)三疊紀(jì)-侏羅紀(jì)之交孢粉植物群研究最為翔實(shí)的高分辨率記錄，并為三疊紀(jì)—侏羅紀(jì)之交重大地質(zhì)事件的陸地生態(tài)系統(tǒng)響應(yīng)提供了來自古特提斯洋東緣東亞低緯度地區(qū)的重要證據(jù)。