DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-98455-5
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40346290
تاريخ النشر: 2025-05-09
المؤلف: Tastulek Haserbek وآخرون
الموضوع الرئيسي: علم الحفريات والطبقات الأحفورية
نظرة عامة
يمثل حدث المطر الكارني (CPE) فترة متأخرة من العصر الترياسي تتميز بتغيرات بيئية عالمية وتقلبات بيولوجية، ترتبط بشكل أساسي باضطرابات دورة الكربون والاحترار العالمي. تقدم هذه الدراسة أول سجل شمالي عالي العرض لـ CPE من قسم دالونغكو في حوض جونغار (شينجيانغ، شمال غرب الصين)، الواقع عند حوالي 60° شمالاً خلال العصر الترياسي المتأخر. يكشف تحليل نظائر الكربون في المواد العضوية وتركيزات الزئبق (Hg) عن اتجاه إيجابي لنظائر الكربون مقطوع بأربع انحرافات سلبية لنظائر الكربون (NCIEs)، والتي تتوافق مع سجلات نظائر الكربون العالمية. من الجدير بالذكر أنه تم تحديد مرحلتين من زيادة ترسيب الزئبق، حيث ترتبط المرحلة الأولى بالنشاط البركاني و/أو أكسدة المواد العضوية، بينما تتوافق المرحلة الثانية مع زيادة إدخال المواد العضوية من النباتات العليا.
تشير النتائج إلى أن NCIE الأول يتزامن مع تغييرات ليثولوجية وماكروفورية كبيرة، مما يشير إلى انتقال إلى مناخ أكثر رطوبة. يتماشى الاتجاه الإيجابي لـ δ¹³C TOC مع الانحراف الإيجابي لنظائر الكربون العالمي في أواخر اللادينيان-بداية الكارني، مما تدعمه البيانات البيوستراتغرافية. تستنتج الدراسة أن اضطرابات دورة الكربون خلال CPE لم تؤثر فقط على الهيدرولوجيا الإقليمية ولكن أيضًا دفعت إلى إعادة تنظيم كبيرة للنباتات في المناطق الشمالية العالية العرض، كما يتضح من ظهور النباتات الرطبة والتحولات الرسوبية من الظروف الجافة إلى الرطبة. تعزز هذه الأبحاث فهمنا لتأثير CPE على البيئات ذات العرض العالي واستجابتها البيئية للتغيرات المناخية.
الطرق
في هذه الدراسة، تم تحليل ما مجموعه 175 عينة من الطين والحجر الرملي لمجموعة متنوعة من المعلمات الجيوكيميائية، بما في ذلك نظائر الكربون العضوي الكلي ($\delta^{13}C_{TOC}$)، وتركيز الزئبق (Hg)، والكربون العضوي الكلي (TOC)، والنيتروجين الكلي (TN)، والكبريت الكلي (TS). خضعت العينات لعملية تحضير صارمة، تضمنت تقليمها لإزالة الأجزاء المتآكلة، والغسل، والسحق إلى حوالي 200 شبكة. بالنسبة لتحليلات $\delta^{13}C_{TOC}$ وTOC، تم معالجة 1-2 جرام من كل عينة مع 10% HCl لمدة 24 ساعة لإزالة محتوى الكربونات، تلاها شطف بالماء المنزوع الأيونات وتجفيف عند 40 درجة مئوية. تم قياس قيم $\delta^{13}C_{TOC}$ باستخدام مطياف الكتلة لنسبة النظائر Thermo Fisher Delta V Advantage، بدقة تحليلية أفضل من 0.2‰ (1σ).
بالنسبة لتحليلات TOC وTN وTS، تم تعبئة حوالي 20 ملغ من المسحوق الذي تم إزالة الكربونات منه في أكواب من القصدير وتم قياسه باستخدام جهاز Elementar Unicube في وضع CNS. وُجدت الانحرافات المعيارية النسبية (RSD) لهذه القياسات 1.36% لـ TOC، و2.73% لـ TN، و6.38% لـ TS، استنادًا إلى تحليل متكرر لمعيار داخلي. بالإضافة إلى ذلك، تم تحديد تركيزات Hg باستخدام محلل الزئبق Lumex RA-915 المرتبط بجهاز PYRO-915 Pyrolyser، بدقة تحليلية تقل عن 8% تم حسابها من تحليلات متكررة لمعيار التربة. تضمن المنهج المستخدم دقة عالية وموثوقية في التوصيف الجيوكيميائي للعينات.
النتائج
تكشف نتائج الدراسة عن تباينات كبيرة في تركيبات نظائر الكربون للجزء العضوي الكلي (δ¹³C TOC) عبر القسم الجيولوجي الذي تم فحصه، حيث تتراوح من -30.2‰ إلى -22.6‰، بمتوسط -25.78‰. لوحظ اتجاه إيجابي طويل الأمد في قيم δ¹³C TOC في تشكيل كراماي السفلي، يمتد من 0 إلى 120 م. يتبع هذا الاتجاه بدء أربع انحرافات سلبية لنظائر الكربون (NCIEs I-IV) عند 120 م، والتي تستمر حتى حوالي 472 م داخل تشكيل هوانغشانجي، مع ظهور مقادير تتراوح بين 2-4‰. بعد آخر NCIE، تستقر قيم δ¹³C TOC عبر تشكيل هوانغشانجي حتى قمة القسم المقاس في تشكيل هاوجياغو.
يتفاوت محتوى الكربون العضوي الكلي (TOC) بشكل كبير، حيث تتراوح القيم من 0 إلى 9.26 wt.% بمتوسط 0.85 wt.%. من الجدير بالذكر أن 150 عينة تظهر TOC < 1 wt. %، بينما تم تحديد ثلاث فترات رئيسية من TOC المرتفع (> 1 wt.%) عند أعماق 174-180 م، 273-336 م، و443-458 م، تتوافق مع نسب TOC:TN العالية (> 20). كما تظهر تركيزات الزئبق (Hg) أيضًا تباينًا كبيرًا، حيث تتراوح من 0 إلى 689 ppb، بمتوسط 33.9 ppb، ولا تتوافق مع الكبريت الكلي (TS) (r = 0.02). ومع ذلك، توجد علاقة معتدلة بين TOC وHg (r = 0.55). ترتبط الارتفاعات الكبيرة في Hg وHg/TOC بالفترات التي تحتوي على CIEs، مع حدوث الزيادات الملحوظة الأولى عند 129 م، بعد فترة وجيزة من بدء NCIE I، وآخر الارتفاعات الكبيرة التي تم اكتشافها عند قاعدة تشكيل هوانغشانجي، بالتزامن مع CIE النهائي.
المناقشة
تركز قسم المناقشة في ورقة البحث على الإعداد الجيولوجي وقيود العمر للتتابع الأرضي في حوض جونغار، شينجيانغ، الصين، مع التركيز بشكل خاص على قسم دالونغكو. يتميز هذا القسم بتتابع محفوظ جيدًا من العصر البرمي-الترياسي، حيث يكشف تشكيل كراماي (Fm.)، وتشكيل هوانغشانجي، وتشكيل هاوجياغو عن سجل أحفوري غني يدل على بيئة نهرية-بحيرية. يتم تحديد عمر هذه التشكيلات من خلال التوافقات البيوستراتغرافية، حيث يتم تعيين تشكيل كراماي بشكل أساسي إلى الكارني، بينما يتم تأريخ تشكيل هوانغشانجي وتشكيل هاوجياغو إلى فترات الكارني-النوريان والنوريان، على التوالي. تشير التجمعات الأحفورية، بما في ذلك أنواع مختلفة من النباتات والفقاريات، إلى انتقالات بيئية كبيرة خلال حدث المطر الكارني (CPE).
تناقش القسم أيضًا سجلات نظائر الكربون (C-isotope) وكيمياء الزئبق (Hg) من تتابع دالونغكو، والتي توفر أدلة على عدة انحرافات سلبية لنظائر الكربون (NCIEs) المرتبطة بـ CPE. تشير بيانات δ¹³C TOC إلى اتجاه إيجابي يتماشى مع سجلات نظائر الكربون العالمية، تليها أربع NCIEs، تتوافق مع تغييرات بيئية كبيرة. تحدد الدراسة مرحلتين من ترسيب الزئبق: المرحلة الأولى، التي تتميز بانخفاض الارتباطات مع المواد العضوية (OM)، تشير إلى إدخالات الزئبق البركانية والأرضية، بينما تظهر المرحلة الثانية ارتباطات أقوى مع زيادة OM من النباتات العليا C3، مما يشير إلى تحول نحو ظروف أكثر رطوبة. تسلط النتائج الضوء على انتقال من المناخ الجاف إلى الرطب، والذي يتميز بظهور نباتات معينة وتغيرات رسوبية، مما يبرز دور CPE في إعادة تشكيل الغطاء النباتي والهيدرولوجيا في المناطق الشمالية العالية خلال العصر الترياسي المتأخر.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-98455-5
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40346290
Publication Date: 2025-05-09
Author(s): Tastulek Haserbek et al.
Primary Topic: Paleontology and Stratigraphy of Fossils
Overview
The Carnian Pluvial Episode (CPE) represents a significant Late Triassic period characterized by global environmental changes and biological turnovers, primarily associated with carbon cycle perturbations and global warming. This study presents the first northern high latitude record of the CPE from the Dalongkou section in the Junggar Basin (Xinjiang, Northwestern China), located at approximately 60° N during the Late Triassic. The analysis of organic matter carbon isotopes and mercury (Hg) concentrations reveals a positive carbon isotope trend interrupted by four negative carbon isotope excursions (NCIEs), which correlate with global C-isotope records. Notably, two phases of enhanced Hg deposition are identified, with Phase I linked to volcanic activity and/or oxidation of organic matter, while Phase II corresponds to increased input of organic matter from higher plants.
The findings indicate that the initial NCIE coincides with significant lithological and macrofloral changes, suggesting a transition to a more humid climate. The positive δ¹³C TOC trend aligns with the global late Ladinian-early Carnian positive C-isotope excursion, corroborated by biostratigraphic data. The study concludes that the C-cycle perturbations during the CPE not only influenced regional hydrology but also prompted a substantial reorganization of flora in the northern high latitudes, as evidenced by the emergence of hygrophytic vegetation and sedimentological shifts from arid to humid conditions. This research enhances our understanding of the CPE’s impact on high latitude environments and their ecological responses to climatic changes.
Methods
In this study, a total of 175 mudstone-siltstone samples were analyzed for various geochemical parameters, including bulk organic carbon isotopes ($\delta^{13}C_{TOC}$), mercury (Hg) concentration, total organic carbon (TOC), total nitrogen (TN), and total sulfur (TS). The samples underwent a rigorous preparation process, which involved trimming to remove weathered sections, washing, and crushing to approximately 200 mesh. For the $\delta^{13}C_{TOC}$ and TOC analyses, 1-2 g of each sample was treated with 10% HCl for 24 hours to eliminate carbonate content, followed by rinsing with deionized water and drying at 40 °C. The $\delta^{13}C_{TOC}$ values were measured using a Thermo Fisher Delta V Advantage isotope ratio mass spectrometer, with an analytical precision of better than 0.2‰ (1σ).
For the analyses of TOC, TN, and TS, approximately 20 mg of the decarbonated powder was packed in tin cups and measured using an Elementar Unicube in CNS mode. The relative standard deviations (RSD) for these measurements were found to be 1.36% for TOC, 2.73% for TN, and 6.38% for TS, based on repeated analysis of an internal standard. Additionally, Hg concentrations were determined using a Lumex RA-915 Mercury Analyser coupled with a PYRO-915 Pyrolyser, with an analytical precision of less than 8% calculated from repeated analyses of a soil standard. The methodology employed ensures high accuracy and reliability in the geochemical characterization of the samples.
Results
The results of the study reveal significant variations in carbon isotope compositions of the bulk organic carbon fraction (δ¹³C TOC) across the examined geological section, ranging from -30.2‰ to -22.6‰, with an average of -25.78‰. A notable long-term positive trend in δ¹³C TOC values is observed in the lowermost Karamay Formation, extending from 0 to 120 m. This trend is followed by the onset of four negative carbon isotope excursions (NCIEs I-IV) at 120 m, which persist until approximately 472 m within the Huangshanjie Formation, exhibiting magnitudes between 2-4‰. Post the last NCIE, δ¹³C TOC values stabilize throughout the Huangshanjie Formation up to the top of the measured section in the Haojiagou Formation.
The total organic carbon (TOC) content varies significantly, with values ranging from 0 to 9.26 wt.% and an average of 0.85 wt.%. Notably, 150 samples show TOC < 1 wt.%, while three main intervals of elevated TOC (> 1 wt.%) are identified at depths of 174-180 m, 273-336 m, and 443-458 m, correlating with high TOC:TN ratios (> 20). Mercury (Hg) concentrations also exhibit considerable variability, ranging from 0 to 689 ppb, with an average of 33.9 ppb, and are not correlated with total sulfur (TS) (r = 0.02). However, a moderate correlation exists between TOC and Hg (r = 0.55). Significant spikes in Hg and Hg/TOC are associated with the intervals containing the CIEs, with the first notable increases occurring at 129 m, shortly after the initiation of NCIE I, and the last significant spikes detected at the base of the Huangshanjie Formation, coinciding with the final CIE.
Discussion
The discussion section of the research paper focuses on the geological setting and age constraints of the terrestrial succession in the Junggar Basin, Xinjiang, China, particularly examining the Dalongkou section. This section features a well-preserved Permian-Triassic succession, with the Karamay Formation (Fm.), Huangshanjie Fm., and Haojiagou Fm. revealing a rich fossil record indicative of a fluvial-lacustrine environment. The age of these formations is established through biostratigraphic correlations, with the Karamay Fm. primarily assigned to the Carnian, while the Huangshanjie and Haojiagou Fms. are dated to the Carnian-Norian and Norian periods, respectively. The fossil assemblages, including various plant and vertebrate species, suggest significant ecological transitions during the Carnian Pluvial Episode (CPE).
The section further discusses the carbon isotope (C-isotope) records and mercury (Hg) geochemistry from the Dalongkou succession, which provide evidence for multiple negative carbon isotope excursions (NCIEs) associated with the CPE. The δ¹³C TOC data indicate a positive trend consistent with global C-isotope records, followed by four NCIEs, correlating with significant environmental changes. The study identifies two phases of Hg deposition: Phase I, characterized by low correlations with organic matter (OM), suggests volcanic and terrestrial Hg inputs, while Phase II shows stronger correlations with increased OM from C3 higher plants, indicating a shift towards more humid conditions. The findings highlight a transition from arid to humid climates, marked by the appearance of specific flora and sedimentological changes, underscoring the CPE’s role in reshaping the vegetation and hydrology of the high northern latitudes during the Late Triassic.