【前沿報導】Science Advances：中奧陶世生物大輻射的觸發機制——來自L型球粒隕石的證據
關於奧陶紀生物大輻射事件（GOBE）的成因，目前存在兩種觀點。一種觀點認為中奧陶世動物群落及氣候的變化與一顆直徑約150 km的L型球粒隕石母體（LCPB）的裂解有關。而且，這次裂解也是地球過去30億年來所記錄的最大一次隕石裂解事件。中奧陶世沉積物中普遍存在的隕石顆粒（直徑1-20 cm）就是這次隕石母體裂解的證據。另一種觀點是通過牙形石氧同位素古溫度計的推算來揭示奧陶紀全球氣候表現為一個不斷趨冷的過程，並以此來解釋這次生物大輻射事件(Trotter et al., 2008)。
目前，支持宇宙因素觸發GOBE的證據有：已有的鉻尖晶石數據支持這次裂解發生的時間為～466 Ma。在瑞典Hallekis-Thorsberg剖面中存在一套厚約5 m的地層（當地居民稱作Arkeologen層），在其中發現了超過130顆隕石，且均為L型球粒隕石。通過測量這些隕石中的鉻鐵礦顆粒的21Ne數據，將這一裂解事件發生的時間約束在距離Arkeologen層底界之下～0.4-1.2 m之間。關於LCPB裂解和GOBE事件是否存在因果關係的爭論的原因在於缺少高解析度的證據來限定這次裂解事件發生的精確時間。
為了解決這一問題，來自瑞典隆德大學的Schmitz教授及其合作者近期在Science Advances上發表了他們的研究成果，他們選取位於瑞典南部Kinnekulle的Hallekis-Thorsberg剖面（圖1）和俄羅斯聖彼得堡附近的Lynna River剖面，利用高解析度、多指標（鉻尖晶石、3He和187Os/188Os）的證據來限定地層序列中與這一裂解事件相對應的確切位置。
圖1 瑞典南部中奧陶世Hallekis剖面。紅線代表了LCPB裂解的時間（文中所指的-1 m）。在該界面之上，球粒隕石的種類全為L型球粒隕石，該界面之上生物碎屑的顆粒大小變粗，指示全球海平面下降。Taljsten層為一套低位沉積，全球可追蹤對比（Schmitz et al., 2019）
他們的研究結果表明：Hallekis剖面的各種分析指標均指示LCPB裂解事件發生的時間對應於距離Arkeologen層底界之下1m（即-1 m）處。該界面之上，來自宇宙中的鉻鐵礦顆粒數量顯著增加，這種增加可至少向上延伸8m，時間相當於2-4 Ma。此外，隕石的類型也由界面之下不同種類的隕石變為界面之上單一的L型球粒隕石（圖2）。3He在該界面處發生劇增，指示LCPB裂解產生的塵埃首次到達地球（時間誤差±50 ka）。187Os/188Os的證據也表明從這一層位處開始地外物質進入海底的數量增加（圖3）。作者又對現今南極隕石中的鉻鐵礦顆粒進行分析，結果表明該界面之上地層所含有的粒徑>32 μm的鉻鐵礦顆粒就是從這次LCPB裂解事件產生的。此外，作者發現這次裂解事件產生的鉻尖晶石通量要比顯生宙其他時期高出2-3個數量級。
圖2 Hallekis-Thorsberg剖面中平衡態普通球粒鉻鐵礦顆粒（EC）的分布特徵。TS：Taljsten低位沉積（Schmitz et al., 2019）
基於以上證據，作者認為中奧陶世的這次冰期是由LCPB的裂解所觸發（或加強）的。在今天地球的大氣層中，來自宇宙空間的塵埃只佔據了平流層中塵埃總量的1%，不足以對地球的氣候產生顯著的影響。相反，如果在大氣層中塵埃的數量增加了2個數量級以上，且持續了數十萬年，必然會導致全球降溫。LCPB的裂解不僅影響地球的大氣圈，也使得整個太陽系空間變得充滿塵埃，這也會遮蔽照向地球的陽光。與此同時，LCPB裂解產生的塵埃會將生物必需的營養元素帶入海洋，提高古海洋生物的初級生產力，從而導致大氣中CO2濃度降低。
從沉積學角度來看，證明這次冰期存在的沉積記錄是「Taljsten層」，它一直被解釋為Kunda沉積旋迴的低位體系域。這套低位體系域在波羅的海、勞倫大陸、西伯利亞、岡瓦納大陸和中國揚子臺地均可追蹤。在Hallekis剖面，構成「Taljsten低位沉積」的灰巖中生物碎屑在整個剖面中是最粗的，指示很強的水動力條件。此外，該突變界面之上的灰巖Al2O3的含量較低，說明灰巖中粘土含量低，質地乾淨，這也從側面反映了這次裂解事件的存在。基於對Lynna River Valley剖面腕足動物群的研究，古生物家發現LCPB裂解產生的塵埃在剖面中的首現層位對應著淺水腕足群落對深水腕足群落的替換（Rasmussen et al., 2016）。我國華南宜昌普溪河剖面也存在這種變淺的沉積學證據（Heck et al., 2010）。除此之外，證明這套淺水沉積的古生物學證據還包括：淺水腹足、棘皮和介形蟲等化石。因此，作者認為困擾地質學家長達一個多世紀的「Taljsten低位沉積」是在中奧陶世冰川作用導致的全球海平面下降時期沉積的。
圖3 Hallekis剖面下部平衡態普通球粒鉻鐵礦顆粒（EC）全巖豐度、3He、Al2O3含量以及187Os/188Os比值，生物骨骼碎屑顆粒的豐度（據Lindskog et al., 2014, 2017)
本研究通過解釋上述LCPB裂解與中奧陶世冰期、生物大輻射等事件存在的因果關係，解釋了為何在一個溫室條件下會存在冰期，這也為我們今天如何應對溫室效應提供了一定的參考價值和指導意義。
參考文獻
1.Heck P R, Ushikubo T, Schmitz B, et al. A single asteroidal source for extraterrestrial Ordovician chromite grains from Sweden and China: High-precision oxygen three-isotope SIMS analysis[J]. Geochimica et Cosmochimica Acta, 2010, 74 (2): 497-509.
2.Rasmussen C M A, Ullmann C V, Jakobsen K G, et al. Onset of main Phanerozoic marine radiation sparked by emerging Mid Ordovician icehouse[J]. Scientific Reports, 2016, 6(18884): 18884.
3.Schmitz B, Farley K A, Goderis S, et al. An extraterrestrial trigger for the mid-Ordovician ice age: Dust from the breakup of the L-chondrite parent body[J]. Science Advances, 2019, 5(9): eaax4184.
4.Trotter J A, Williams I S, Barnes C R, Christophe L, et al., Did cooling oceans trigger Ordovician biodiversification? Evidence from conodont thermometry[J]. Science, 2008, 321(5888): 550-554.
（撰稿：劉康，江茂生/油氣室）
美編：徐海潮
校對：黃志偉