《地球科学进展》读书报告

地球科学进展读书报告报 告 名 称 地史上的集群灭绝与全球环境变化专业：矿产普查与勘探姓名：辛 治 国学号：B06223导师：黄文辉生物圈和生命的发展史具有不连续性，生物多样性的变化反映了这种不连续性。地史过程包含着生物进化过程，生物多样性变化总是伴随新的栖息地的形成和灾难性事件的出现。生物集群灭绝是指在一个相对短暂的地质时段中，在一个以上地理区域范围内，数量众多的生物突然死亡，从而造成生物物种数短时间突然下降。生物集群灭绝要满足四个条件：量值：达到具有实质意义的绝灭量值。广度：具有全球范围内的广度。 幅度：涉及广泛的不同分类单元。时续：限于相对短暂的地质时隔。地球上生命的起源至少可以追溯到35亿年前,但在很长一段时间里,地球上的生命形式只有微生物和细菌，这一现象一直维持到距今约5.3亿年前的寒武纪早期。在寒武纪,多细胞动物突发性地在海洋中出现。据统计，自寒武纪以来,明显的生物灭绝事件发生了15次。其中地史过程中有五大灭绝事件（图1），对生物进化过程有非常重大的影响。图1 地史过程中生物种类演化一、奥陶纪-志留纪之交大灭绝 时间：4.39亿年前 原因：全球气候变冷 后果：约有100个科的生物灭绝这一时期大多数生物的机体是软体组织,形成化石的几率很小,只有那些具有壳或硬组织的动物才留下了比较多的线索,因而目前无法弄清楚当时到底发生了什么以及都有哪些物种受到了影响。据估计,大约有100个科的生物灭绝了,在属种级别上灭绝率更高,如腕足类属的灭绝率为60%,种的灭绝率可达85%。三叶虫类在这次灭绝中元气大伤,此后再也无法恢复前期的繁荣。此次灭绝事件对低纬度热带地区生物的影响较大,而对高纬度地区和深水区生物的影响相对较小,是地球史上第三大物种灭绝事件。此时期集群灭绝事件之起因，以冰盖说最为广泛接受（Brenchley，1984；Brenchley and Newall，1984；Rong and Harper，1988），大量的陆表水以冰盖凝聚的方式盖覆于当时南半球极区，造成全球海退及温度梯度增强、海水盐度变化、缺氧、水体分层等多重灾变环境，而Hirnantian后期冰川迅速消融、全球性海进,导致了Rawtheyan末和Hirnantian末两幕起因不同的生物灭绝事件（陈旭等，1990）。第一幕，即高潮幕，是以冰盖的逐渐凝聚、海平面持续下降而导致浅水相至较深水相笔石的不断衰减，深水相的Folimena动物群也可能在此事件中灭绝；第二幕以第一幕后广布的浅水相Hirnantia动物群灭绝为终结（Rong and Harper，1999）。从第一幕的灭绝事件后接踵而来的Hirnantia动物群在Ashgill末期，即Hirnantian期的广泛分布，可推知两幕事件之间的陆表海环境曾经一度趋于缓和。二、晚泥盆纪弗拉斯期-法门期之交大灭绝 时间:3.67亿年前 原因:浅水中含氧量下降后果:70%物种消失,海洋中无脊椎动物损失惨重经过这次灭绝,70%的物种消失了。海洋中的物种比淡水中的物种受到的影响更大,珊瑚、腕足动物、菊石、海百合等许多无脊椎动物损失惨重。而在陆地上,正在不断衍生出新种的植物。对于这次灭绝的起因我们知之甚少,从暖水海洋中物种不成比例的消失来看,全球变冷可能是一个重要的因素,同时还有迹象显示当时比较浅的水域里氧气含量也下降了。本期大灭绝事件有3个特点：一是影响大，尤其是对浅海底栖壳相生物的影响最大，经历了F-F事件之后，泥盆纪生物礁和泥盆纪特征的珊瑚、层孔虫、苔鲜虫等基本灭绝，全球151种珊瑚全遭劫难，47个浅海相珊瑚属中也只有23个属尚能残存下来，此外，F-F事件之前珊瑚骨骼及其微细结构都是属于泥盆纪类型，而F-F事件之后则属于石炭纪或接近石炭纪类型.全部的竹节石和3个科和1个亚科的三叶虫（Tropidocoryphidae, Scutelluidae, Odontopleuridae, Asteropyginae）以及几个超科的腕足类(如五房贝超科和无洞贝超科等)也都相继消失，菊石也发生了很大的变化（如manticoceratids被clymenids所代替）；二是同时性，即发生在晚泥盆世弗拉期与法门期之间（即牙形类动物linguiformis带与triangularis带之间，相当于德国的Kellwasser事件）；三是全球性，目前已在亚洲、欧洲、北美、澳大利亚等地均证实它的存在。虽说科学家可以确定在晚泥盆纪弗拉斯期法门期之交发生了大灭绝,但究竟持续多长时间却并不清楚,可能持续了50万年,也可能是150万年。而且我们也不清楚到底是发生了一个大灭绝还是几个连续稍小的灭绝,专家对当时几个重要事实也还没有达成共识。对于造成F-F生物集群灭绝事件的原因，目前仍存在着不同的解释，归纳起来主要有地内(terrestrial)和地外(extra-terrestrial)说两种笔者认为，情况是相当复杂的，可能不是由某一个简单的因素造成的。大型陨石的撞击、缺氧环境、海平面升降、食物链中断等等都有可能引起生物的集群灭绝，但从晚泥盆世的沉积环境和气候梯度变化来看，全球性气候变冷和大陆冰川的出现或者火山活动加剧等原因从而引起晚泥盆世F-F生物集群灭绝的可能性并不大。北京大学白顺良救授在“泥盆纪弗拉斯期与法门期之交(FF)的事件序列和全球环境变化”的研究中指出FF事件由三幕构成，持续时间约30万年，Ni-Ir、Cu-Pb-Zn等元素超量聚集使海洋水化学异常是生物集群绝灭的重要原因。涂光炽以最新资料提出看法，认为中一晚泥盆世陆生植物繁盛，使得当时大气的二氧化碳浓度大幅度降低。 三、二叠纪-三叠纪之交大灭绝 时间:2.45亿年前 原因:气候变化 后果:物种数减少90%以上到了二叠纪，地球上一派欣欣向荣景象，海百合、菊石、珊瑚和鱼类在海洋中异常繁荣，两栖动物以及爬行动物进一步深入内陆活动，这段相对稳定的时期持续了大概1亿年。到了二叠纪末期，大约在2.45亿年前，地球历史上最大的一次集群灭绝事件发生了。据统计，这次灭绝事件导致生物科数减少了52%，物种数减少了90%以上，受影响最大的是海洋生物，特别是底栖生物和窄盐性生物。超过3/4的脊椎动物消失了，蜥蜴类、两栖类、兽孔目爬行类也急剧衰落。对此，科学家们提出了多种解释：海平面波动、海洋中盐度变化、火山活动。而最重要的影响因素似乎还是气候变化。中科院南京地质古生物所金玉干研究员在“二叠纪乐平世(258250Ma)地球环境演变的极端阶段”的研究中阐述了二叠纪末期全球古地理格局的重组、海平面变化、气候异常、Sr、S、C、Ce等同位素异常、生物的集群绝灭等问题。金玉干指出中国乐平世是一个完整的地质纪录，乐平世正处于二叠纪末古地理格局重组的关键时期；是海平面下降幅度最大的一次海退。他认为，乐平世环境的突变，是导致二叠纪末生物大灭绝的根本原因，并将二叠纪末期地球环境演变的极端阶段命名为乐平世。 研究发现在我国湖南中部和贵州南部F/F灭绝事件层的上、下也出现过海水突然变浅的情况.因此大规模海平面的突然下降很可能是造成晚泥盆世F-F生物集群灭绝事件的重要因素之一。 在我国湖南省锡矿山老江冲剖面的F-F事件层则表现为一层黑色页岩，黑色页岩往往代表一种缺氧环境，在黑色页岩之下存在有礁灰岩、大量珊瑚和腕足类无洞贝（Atrypa）等而黑色页岩之上珊瑚、无洞贝和生物礁则基本绝迹，因此黑色页岩缺氧事件也可能是F-F生物集群灭绝的另一种重要的因素。 四、三叠纪-侏罗纪之交大灭绝 时间:2.08亿年前 原因:起因不详 后果:灭绝程度相对较小，恐龙崛起虽然三叠纪末大灭绝造成的影响相对轻微，是5次大灭绝中最弱的，但1/3 的科是在此时期灭绝的。其中海洋生物有60个科的海洋生物灭绝，占总科目的20，陆地上大多数非恐龙类的古蜥目、兽孔目爬行动物和一些大型两栖动物都灭绝了。这次大灭绝事件发生在一个气候长期变化、海平面快速波动，并伴有发生地内外灾难的背景下。晚三叠世联合古陆上许多地区出现的干旱，无疑在这次大灭绝中扮演了重要的角色，但灭绝的突然性表明干旱并非造成灭绝的直接原因。一次快速而大幅度的海退-海进旋回可能会造成海洋生物的大灭绝，海平面下降导致生境缩小，紧接着快速上升又导致海洋缺氧，但这个假说无法解释近乎同时发生的陆生生物的灭绝。有人曾用流星撞击地球来解释这场灾难，但对流星撞击所留下的陨石坑测年发现，其时间远在三叠纪-侏罗纪之前。还有人认为是中大西洋的玄武岩浆大规模喷发造成这一结果，广泛的火山喷发释放出大量气体，致使大气中二氧化碳含量迅速增加，导致全球变暖。但对古土壤的研究表明，当时二氧化碳的增加量被高估了，与火山活动有关的原因仍待进一步研究。还有研究认为,在三叠纪末期至少有两次灭绝时期,相隔12001700万年。但不论是单一的大灭绝还是几个连续稍小的灭绝,在这一时期里,牙形石类全部灭绝,菊石、海绵动物、头足类动物、腕足动物、昆虫及陆生脊椎动物中的多个门类，都走到了进化的终点。虽然这次大灭绝的损失相对较小,但它却腾出了许多“生态位”,为很多新物种的产生提供了有利条件,恐龙就是从此开始了它们统治大地的征程。 五、白垩纪-第三纪之交大灭绝 时间:6500万年前 原因:小行星或彗星坠落地球后果:恐龙时代在此终结在两亿多年前的中生代，大量的爬行动物在陆地上生活，因此中生代又被称为“爬行动物时代”，大地第一次被脊椎动物广泛占据。那时的地球气候温暖，遍地都是茂密的森林，爬行动物有足够的食物，逐渐繁盛起来，种类越来越多。它们不断的分化成各种不同种类的爬行动物，有的变成了今天的龟类，有的变成了今天的鳄类，有的变成了今天的蛇类和蜥蜴类，其中还有一类演变成今天遍及世界的哺乳动物。恐龙是所有爬行动物中体格最大的一类，很适宜生活在沼泽地带和浅水湖里，那时的空气温暖而潮湿，食物也很容易找到。所以恐龙在地球上统治了几千万年的时间，但不知什么原因，它们在6500万年前很短的一段时间内突然灭绝了，今天人们看到的只是那时留下的大批恐龙化石。 此次灭绝是地球历史上第二大集群灭绝事件，而恐龙时代就是在此终结。据统计，在白垩纪末，生物圈有2868个属，到了第三纪初就只剩下1502个属，受影响最大的是陆地上的恐龙和海洋生物界的浮游生物。除了恐龙灭绝之外，曾在前4次大灭绝中都得以幸存的菊石最终还是灭绝了。而由于某种原因，某些物种却基本没有受到影响，鳄鱼、海龟、蜥蜴、哺乳动物以及鸟类都顺利地应付了这场危难。恐龙及其同类的消失为哺乳动物及人类的登场提供了契机。关于恐龙灭绝的原因，人们仍在不断地研究之中，迄今为止，科学家们提出的对于恐龙灭绝原因的假想已不下十几种，目前主要有3种灭绝猜想。第一种是“陨石碰撞”假说：长期以来，最权威的观点认为，恐龙的灭绝和6500万年前的一颗大陨星有关。据研究，当时曾有一颗直径7-10公里的小行星坠落在地球表面，引起一场大爆炸，把大量的尘埃抛如大气层，形成遮天蔽日的尘雾，导致植物的光合作用暂时停止，恐龙因此而灭绝了。 小行星撞击理论，很快获得了许多科学家的支持。1991年，在墨西哥的尤卡坦半岛发现一个发生在久远年代的陨星撞击坑，这个事实进一步证实了这种观点。今天，这种观点似乎已成定论了。但也有许多人对这种小行星撞击论持怀疑态度，因为事实是：蛙类、鳄鱼以及其他许多对气温很敏感的动物都顶住了白垩纪而生存下来了。这种理论无法解释为什么只有恐龙死光了。1980年，美国科学家在6500万年前的地层中发现了高浓度的铱，其含量超过正常含量几十甚至数百倍。这样浓度的铱在陨石中可以找到，因此，科学家们就把它与恐龙灭绝联系起来了。根据铱的含量还推算出撞击物体是相当于直径10公里的一颗小行星。这么大的陨石撞击地球，绝对是一次无与伦比的打击，以地震的强度来计算，大约是里氏10级，而撞击产生的陨石坑直径将超过100公里。科学工作者用了10年的时间，终于有了初步结果，他们在中美洲犹加敦半岛的地层中找到了这个大坑。据推算，这个坑的直径在180公里到300公里之间。现在，科学工作者们还在对这个大坑做进一步的研究。据研究6500万年前恐龙们还在地球乐园中无忧无虑地尽情吃喝，突然天空中出现了一道剌眼的白光，一颗直径10公里相当于一座中等城市般大的巨石从天而降。那是一颗小行星，它以每秒40公里的速度一头撞进大海，在海底撞出一个巨大的深坑，海水被迅速气化，蒸气向高空喷射达数万米，随即掀起的海啸高达5公里，并以极快的速度扩散，冲天大水横扫着陆地上的一切，汹涌的巨浪席卷地球表面后会合于撞击点的背面一端，在那里巨大的海水力量引发了德干高原强烈的火山喷发，同时使地球板块的运动方向发生了改变。那是一场多么可怕的灾难啊。陨石撞击地球产生了铺天盖地灰尘，极地雪融化，植物毁灭了，火山灰也充满天空。一时间暗无天日，气温骤降，大雨滂沱，山洪暴发，泥石流将恐龙卷走并埋葬起来。在以后的数月乃至数年里，天空依然尘烟翻滚，乌云密布，地球因终年不见阳光而进入低温中，苍茫大地一时间沉寂无声。生物史上的一个时代就这样结束了。 但是对此也有较大争议，焦点集中于恐龙是否“瞬间”灭绝？对上述假说的疑惑，来自五个方面：其一，“陨石(彗星)撞地”，属于一种“瞬间型”灾难。它的发生是“瞬间”的，它发生以后造成的环境灾害，也是“瞬间”的(即其所引发的烟尘也好，大火也好，“热空气”也好，氰污染也好，只能持续十年八年，最多存在百年千年，相对于以亿年计的地质纪年，实为“一瞬间”的事)。而恐龙和其他众多生物的实际灭绝，是发生在那可以发掘到大量动物遗骸的C29R期地层的整个形成期。放射性同位素测定和磁性地层学证实：该地层形成的时间跨度为50万年。一块大石头，砸在地球上，即使其“撞击能”达到200亿颗广岛原子弹爆炸那样的量级吧，但该“超巨型原子弹”引发的能量灾害能在地球上持续50万年之久，使该C29R地层在50万年的时间内，始终在陆续地接受恐龙和其他生物的大量遗体，这可能吗？其二，“铱异常”为标志的“天体撞地”灾难属“瞬间灾害”，它发生在C29R地层所代表的50万年间的某一短暂时间里，而由该灾害形成的“铱异常”地层，却仅属该弱磁地层中一个薄薄的小层次。如果天体撞地这一“瞬间灾害”，是发生在C29R地层形成的后期，那么，在该“瞬间灾害”及其“铱异常”尚未出现之前的C29R地层期前期，那许多已被灭绝的生物，又是什么原因造成的？ 其三，在地层发掘中，有一个事实是人们清楚的，即：造成“大灭绝”，使C29R地层接受到恐龙和其他生物大量遗骸的沉积时间，是在“铱异常”地层出现之前，而此时沉积地层中的铱含量却很低(实际测定值为0.3p.p.m.，与深海沉积物中“宇宙铱”背景值相同)。如果说，“瞬间灾害”的发生时间是在整个C29R地层期的前期，是这灾害在前期即杀灭了恐龙等生物，尔后，待恐龙等大量生物均已死绝，海洋中那标志“生命死寂”时期的鱼黏土层沉积期也开始来临，飘浮在空中的大量含铱烟尘才陆续沉降，从而最终形成了铱含量特高(高出正常值几万倍)的那一厘米厚的鱼黏土层，那么，令人费解的是，这烟尘为什么死死地停留在空气中，始终不降落到地面上来，直待地面上的恐龙和其他大量生物于若干万年时间里死绝了，它才优哉游哉地一股脑儿落地，并仓促地于一万年时间内形成了那薄薄的鱼黏土层呢？也就是说，它为何要在空中悬浮若干万年甚至数十万年之久，不随恐龙尸体一起沉积呢？这，不是太神奇，太不可思议了吗？其四，地球上的生物大灭绝，发生过不止一次。资料显示：距今5.05亿年前的寒武纪末，浅海底栖爬行或游泳的三叶虫的60个科，有三分之二突然灭绝；4.4亿年前奥陶纪将要结束时，几乎所有的珊瑚和鱼类以及25的物种灭绝；3.7亿年前的泥盆纪行将结束时，许多鱼类和70的海洋无脊椎动物消失了；2.48亿年前的二叠纪末，海洋生物的50的科、75的两栖类的科和80的爬行类遭到了灭绝厄运；更有资料说，二叠纪向三叠纪过渡时竟有多达95的古生物被一扫而光。而在更早的前寒武纪后期，也曾发生过生物大规模灭绝事件，其时，繁荣的五彩缤纷的埃迪卡拉动物群的绝大部分，被突然消灭。假如是“天外来客”一次次毁灭了地球上的生命，则造成这么多次生命毁灭的“天外来客”，它们又都落在地球的什么地方了呢？“撞击说”学者们能在地球上找到一些相应的“撞击坑”，给我们具体地指出来吗？ 而且，更为重要的是：为什么地史上的物种大量灭绝，总是发生在地壳变动和地史纪年的转换期？难道，那些总爱造访地球的“天外来客”，也懂得“挑日子”来拜访地球吗？ 其五，生物遗骸形成化石埋藏需要地层快速封掩而形成“绝氧”的地质条件(按：该条件还必须是软性的泥沙质覆盖物而不能是大石块类的，否则，诸如恐龙蛋之类化石便不可能获得保存)。试想，那天外来客撞到地面后即使掀起了“万丈烟尘”和八九级大地震，那灾害的“主灾区”也仅涉被砸的地球半球，它绝不能在全球范围造成生物灭绝及相应地表“快速封掩”的地层活动。只要这地层(主要是泥沙)的“快速封掩”不能及时出现，即使大量生物被“热空气”或“氰化物毒化了的水和空气”杀死了，那暴露于空气中的尸体也会迅速氧化、腐烂，形成不了化石。可是，现在的古生物发掘，不仅在被撞击论者视为大陨石降落地的地中海(或墨西哥湾)所在地区的地球一侧，发现了大量恐龙化石(如非洲、欧洲、北美洲等地)，而且，与之相对的中国、日本、澳大利亚等地球的另一侧，也发现了大量的白垩纪恐龙(包括恐龙蛋)与古生物化石埋藏，这是为什么？第二种是“地球膨胀”假说但凡生物大灭绝发生的时候，必是地球上那一时期造山运动正盛的时候，大洋发生膨胀达到高潮的时候，全球气候正处高温“间冰期”的时候；而但凡新物种产生的时候，又必是那一时期全球造山运动高潮过去，地球进入大地构造运动相对静止，大洋扩张也趋平静，全球气候进入低温大冰期的时候。白垩纪晚期达到最高潮的地球第八膨胀期“中大西洋膨胀期”膨胀高潮的到来。该期膨胀在全球各大洋胀出了大量的新地表，剧烈海底扩张所带来的大面积海底熔岩出露和陆地的火山喷发，造成了全球从陆上到海洋的生态环境大灾难，在持续了数十至上百万年的膨胀高潮期内，陆续杀死了众多物种(包括恐龙)。其后，膨胀高潮期过去，被海底熔岩毒化和搅动的海水逐渐冷却，地面和空气也得以降温，于是低温期到来，恢复平静的海水也迅速将所含各种熔岩喷发物(包括由岩浆上涌带来的高含量铱元素)沉淀。从而，一个含铱量奇高的“鱼黏土层”才得以在全球海洋中形成。而那时，陆上也好，海洋中也好，大量生物早已死绝，故其沉积下来的薄薄一厘米厚鱼黏土中，除了一些早先死去的、零碎的鱼骨头外，什么生命也没有，只能如实地记录着一个“死寂的海洋”。第三种是“植物杀害恐龙”假说古生物学家选取了五十多个埋藏在四川盆地中部、北部和南部的侏罗纪不同时代的恐龙骨骼化石样本，并对照同时代的鱼类、龟类及植物化石进行了中子活化分析，发现恐龙骨骼化石中存在微量元素异常。主持这项工作的成都理工学院博物馆长李奎说：“这些恐龙化石中砷、铬等元素的含量明显偏高，有可能是恐龙生前过多食用高砷、铬植物，生命代谢使砷、铬沉淀在骨骼中的结果。”对恐龙化石埋藏地的植物化石研究表明，植物化石中含砷量也非常高。砷即是砒霜，过量摄入会导致生物死亡。科学家自70年代以来，在四川盆地发现了大批恐龙神秘集群死亡的现象。其中，自贡市一处3 平方公里的范围内，就发现了100多头恐龙的化石，它们大部分是素食恐龙。除了上述假说以外，关于恐龙灭绝还有以下几种观点：一、气候变迁说。6500万年前，地球气候陡然变化，气温大幅下降，造成大气含氧量下降，令恐龙无法生存。也有人认为，恐龙是冷血动物，身上没有毛或保暖器官，无法适应地球气温的下降，都被冻死了。 二、物种斗争说。恐龙年代末期，最初的小型哺乳类动物出现了，这些动物属啮齿类食肉动物，可能以恐龙蛋为食。由于这种小型动物缺乏天敌，越来越多，最终吃光了恐龙蛋。 三、大陆漂移说。地质学研究证明，在恐龙生存的年代地球的大陆只有唯一一块，即“泛古陆”。由于地壳变化，这块大陆在侏罗纪发生的较大的分裂和漂移现象，最终导致环境和气候的变化，恐龙因此而灭绝。 四、地磁变化说。现代生物学证明，某些生物的死亡与磁场有关。对磁场比较敏感的生物，在地球磁场发生变化的时候，都可能导致灭绝。由此推论，恐龙的灭绝可能与地球磁场的变化有关。 五、酸雨说。白垩纪末期可能下过强烈的酸雨，使土壤中包括锶在内的微量元素被溶解，恐龙通过饮水和食物直接或间接地摄入锶，出现急性或慢性中毒，最后一批批死掉了。参考文献1 戎嘉余,詹仁斌.奥陶纪末集群灭绝后腕足动物复苏的主要源泉J.中国科学（D辑),1996,29(3):2322392 戎嘉余,方宗杰,陈旭等.生物复苏大灭绝后生物演化历史的第一幕J.古生物学报,1996,35(3):2592713 JablonskiD.Causesand consequences of mass extinctions: acomparative approach. 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