大規模火山活動擾動了石炭紀-二疊紀的冰室氣候

地球環境的演變強烈影響著各種生物的繁衍生息，制約著人類文明的形成和發展。地球有自己的喜怒哀樂，也非常容易情緒化，發起怒來就會給環境帶來巨大的改變。在地球情緒不平穩時，就會以地震、火山等多種方式來表達自己內心的憤怒。火山噴發是地球向外釋放能量和物質的重要途徑，維繫著地球的內部與表層的動態平衡。有詳細文字記載的火山爆發可以追溯到公元79年義大利的維蘇威火山(Vesuvius)，其導致的結果就是大家所熟知的、被埋沒的龐培古城。人類觀察到的最為猛烈的火山噴發是1815年蘇門答臘島的坦博拉(Tambora) 火山(圖1)，這次火山爆發使次年 (1816年) 成為「無夏之年」，被認為改變了世界近現代的政治和文明演化。第四紀地質記錄表明，發生在7.4萬年前的託巴 (Toba) 火山則是人類史上的一次超級大火山噴發，這次大規模的火山活動導致地球氣候環境的顯著變化，讓地球平均氣溫降低了~5 ℃，持續了約6年時間，可能使地球進入了新的冰川期，也可能導致了當時地球上人類的大規模死亡(Ambrose, 1998)。

圖1 蘇門答臘島1815年坦博拉火山噴發素描圖（引自網絡https://www.sohu.com/a/216514796_608912）

火山活動主要通過巖漿釋氣作用和矽酸鹽化學風化作用來驅動氣候的變化(圖2)。巖漿噴發形成大量火山灰，並釋放CO2、SO2、H2S等氣體。劇烈的火山噴發可以將含硫氣體和灰塵輸送到高空中，含硫氣體最終在大氣中轉變為硫酸鹽氣溶膠，可以阻擋太陽光的輻射，導致地球發生幾周到幾年的氣候變冷，形成火山冬天。玄武巖噴發和巖漿作用釋放大量CO2氣體可提高大氣中CO2的濃度，因溫室效應會使地球發生幾年到幾千年的氣候變暖。持續的、大規模的火山巖漿釋氣是導致地球氣候變化的重要因素。在另一方面，火山活動為地錶帶來了大量新鮮的火山巖，這些火山巖特別是玄武巖具有比花崗巖更高 (>5-10倍，Dessert et al., 2001) 的化學風化速率。矽酸鹽礦物如長石，它們在化學風化過程中會消耗CO2氣體，快速的化學風化可以使大氣CO2濃度降低，從而導致長時間尺度(>105年)的氣候變冷(圖3)。

圖2 火山向大氣中輸送的含硫氣體及其輻射效應 (修改自Robock, 2000)

根據地質學家的研究，大規模火山巖漿活動可以發生在洋中脊、大洋俯衝帶、裂谷、板內等多種構造環境，而對於短時間內（通常幾個百萬年內）的巨量（百萬平方公裡或百萬立方公裡尺度）火山噴發和巖漿侵入，被地質學家稱之為大火成巖省。在地球演化過程中，發生了多次的大火成巖省事件，比如16.5百萬前的Columbia River、66百萬年前的Deccan、201百萬年前的中大西洋巖漿省(CAMP)、251百萬年前的Siberian、260百萬年前的峨眉山等，導致了當時的氣候和環境的重大變革、甚至生物的大規模絕滅。科學家進一步研究發現，Columbia River、Deccan、CAMP和Siberian等大火成巖省的形成都對應於快速的氣候變暖，並且認為Deccan和CAMP等大火成巖省因玄武巖的快速化學風化最終導致了氣候變冷(Dessert et al., 2001; Schaller et al., 2012)。那麼，怎樣在地質記錄中識別大火成巖省驅動的快速氣候變化呢？最近，中國地質大學（武漢）楊江海博士及其合作者在EPSL上發表了一篇文章（Yang et al., 2020），揭示了3億年前的氣候波動及其與Skagerrak大火成巖省之間的成因聯繫。

圖3 不同氣候反饋機制的典型時間尺度（修改自Rohling et al., 2012）

讓我們回到3億年前石炭紀-二疊紀之交的地球。當時，高緯度地區覆蓋著茫茫白雪，凜冽的寒風呼嘯著，巨厚的冰川吞噬著大地，低緯度地區卻是鳥語花香、樹木繁茂。但在3億年前，地球的各個大陸是聚集在一起的，從南極一直可以連續延伸至北極附近，形成了面積巨大的Pangea超大陸。在這一時期，你可以從倫敦開車前往紐約開會，也可以從新德裡開車到雪梨觀看盛大演出。在這一時期，我們中國的華北和華南地區則是分散在熱帶海洋之中的兩個孤島（圖4），與Pangea超大陸間隔著一個被地質學家稱之為特提斯的海洋，要從北京到南京、或武漢、或成都則需要坐船乘風破浪、跨越海洋。科學家成功利用了海洋鈣質沉積物（碳酸鹽巖、生物殼等）的氧同位素組成來估算出海水的古溫度變化，相比而言定量約束陸地表層古溫度變化的難度要大很多。獲得地質歷史時期高分辨的陸地古溫度變化一直是地學的一大難題。楊江海等人研究了華北南部較為連續的石炭紀-二疊紀泥巖記錄，通過高精度CA-TIMS（化學剝蝕-熱電離質譜）鋯石U-Pb同位素定年建立了~302-290 Ma的精細地層格架（圖5），並通過泥巖化學風化指數重建了華北地區在石炭末-二疊紀早期的陸地古溫度變化。

圖4 （左）3億年前全球古地理和古板塊重建圖和（右）河南禹州剖面的本溪組和太原組

圖5 華北南部石炭-二疊紀之交的高精度年代地層格架

泥或者泥巖主要來源於陸地表層土壤的風化剝蝕，其化學風化指數（如化學蝕變指數CIA、Na風化指數αAlNa、Na虧損指數τNa）被用來定量示蹤物源區的化學風化強度。現代大型河口泥質沉積物的研究表明，其化學風化指數所指示的化學風化強度與流域的緯度和表層溫度具有很好的相關性 (Li and Yang , 2010)，即流域的緯度越低、表層溫度越高，所產生的河口泥的化學風化強度越高。關鍵帶的實驗數據和模型分析發現，在低山丘陵剝蝕區，花崗質巖石基本遵循供給限制型風化機制 (Ferrier et al., 2016 )，其表層土壤的化學風化強度不受剝蝕速率的約束，而與氣候條件有很大的關係。基於全球花崗質基巖表層土壤風化強度、剝蝕速率氣候條件即溫度和降雨量等數據收集和分析，Yang et al. (2016) 研究發現，在剝蝕速率<100米/百萬年和降雨量>400毫米/年的地區，表層土壤的化學風化強度τNa與陸表溫度MAT呈正相關關係，建立了MAT = -24.2 × τNa - 0.9陸表溫度重建的經驗公式。綜合現代河口-濱岸沉積和關鍵帶風化研究成果綜合來看，可以通過河口-濱岸泥質記錄的τNa值來示蹤對應流域表層土壤的化學風化強度，進而依據τNa-MAT的轉換方程來定量估算物源區的陸地表層古溫度。華北石炭紀末-早二疊世的泥巖主要沉積於濱岸-三角洲環境，由河流從臨近的洩水區搬運而來，基於泥質巖化學風化強度與陸地溫度之間的關係，楊江海等人重建了華北南部三億年至兩億九千萬年約一千萬年的陸地表層古溫度（圖6）。

圖6 華北永城盆地石炭紀末-早二疊世的化學風化趨勢、陸地古溫度及其與同期南非Karoo盆地沉積序列、熱帶海水O-Sr同位素和Skagerrak大火成巖省(LIP)形成時代對比

在高精年代地層格架下，重建的陸地古溫度變化顯示了在石炭紀末-二疊紀初（~299.5-296.5 Ma期間）發生了快速的先變暖、後變冷的氣候波動，形成 ~298.5-297.5 Ma的氣候暖期（climate optimum）。低緯和中高緯區的海洋化石組合、北美西南部的古土壤和華南牙形石氧同位素也表明在石炭-二疊紀之交發生了快速的氣候變暖。南美洲東部在~299-298 Ma結束了冰川活動，非洲南部在~299-297 Ma也發生了大規模的冰川消融，同時整個岡瓦納大陸在這一時期發生了廣泛的海侵，全球海平面在石炭-二疊紀之交也表現為快速海侵，形成~297.5Ma的高海平面。在隨後的氣候變冷時期，南非再次出現了冰磧沉積和冰川擴張，整個岡瓦納大陸迎來了早二疊世的冰川最強盛期，大陸冰蓋達到最大規模。石炭-二疊紀之交氣候變暖之後緊隨發生了氣候變冷，這與地質歷史時期其他大火成巖省噴發（如Deccan和CAMP大火成巖省）導致的氣候擾動很一致（Dessert et al., 2001; Schaller et al., 2012）。

在石炭-二疊紀之交，位於今天的歐洲西北部地區（大致對應於英國北部、法國、德國、挪威南部和瑞典南部等地）發生了大規模的玄武質火山、巖漿活動和酸性火山噴發。儘管有不同的認識，Ernst R.和Torsvik T.H.將這一地區石炭-二疊紀之交的火山、巖漿活動命名為Skagerrak或Skagerrak-Centered大火成巖省 (LIP)。根據現有的放射性同位素年齡，Skagerrak大火成巖省的巖漿活動形成於一個從石炭紀中期到早二疊世比較寬泛的時期內，但高精度U-Pb和Ar-Ar定年將Skagerrak大火成巖省玄武質火山、巖漿活動的主期約束在~300-298 Ma不到兩百萬時間內，與石炭-二疊紀之交的氣候變暖事件在時間上有很好的對應關係。地質時期火山噴發CO2的釋放量是很難進行精確估算的，通過體積類比發現Skagerrak大火成巖省玄武巖噴發可能釋放了1.4-2.1 × 103 GT的CO2氣體，而相伴發生的大規模基巖巖脈侵入可能會通過加熱圍巖富碳地層而釋放更多的CO2氣體。因此，Skagerrak大火成巖省可能通過火山、巖漿排放大量CO2溫室氣體，導致了石炭紀-二疊紀之交的氣候變暖。

那麼隨後的氣候變冷是否與Skagerrak大火成巖省玄武巖快速化學風化有關呢？首先，Skagerrak大火成巖省形成於北緯10度左右的熱帶潮溼氣候區；其次，前人研究的火山序列說明Skagerrak大火成巖省的玄武巖噴發後遭受了地表的風化剝蝕。因此，Skagerrak大火成巖省玄武巖在噴發後有可能發生了快速的化學風化。海水Sr同位素組成是熱液Sr和陸源Sr混合的結果，前人報導了早二疊世牙形石Sr同位素組成，指出海水Sr同位素組成在~298.5-298 Ma間發生了非常快速的降低，降低的速率是早二疊世海水Sr同位素比值降低速率的2-8倍。這一海水Sr同位素比值的快速降低很難用熱液非放射性成因Sr輸入的快速增大和陸源放射性成因Sr輸入的快速減少來解釋。有趣的是，這一海水Sr同位素比值的快速降低發生在Skagerrak大火成巖省玄武巖大規模噴發之後，且Skagerrak大火成巖省玄武巖具有非常低的87Sr/86Sr比值（0.703-0.705），因此Skagerrak大火成巖省玄武巖的快速化學風化可以很好地解釋早二疊世初期海水Sr同位素比值的快速降低。如果這一解釋正確，Skagerrak大火成巖省玄武巖噴發後的快速化學風化可以消耗CO2氣體，從而可能導致大氣CO2濃度的降低和氣候變冷。

這一研究從建立高精度年代地層格架和估算陸地古溫度出發，通過對比大火成巖省的CO2釋氣作用和玄武巖化學風化作用，揭示了迄今3億年前的地球冰期氣候變化與Skagerrak大火成巖省之間的成因聯繫，支持大火成巖省可以導致顯著氣候變化的觀點和認識。

本文作者 楊江海，系中國地質大學（武漢）副教授

本文屬作者本人理解，欲知更多詳情，請進一步閱讀相關原始文獻。

知識BOX

化學風化指數是用來衡量風化殼、地表土壤/古土壤和陸源碎屑沉積物或巖等風化產物化學風化強度的指標。

風化產物的礦物組成也可以用來指示其化學風化強度，如高嶺石含量、高嶺石/蒙脫石含量比值、石英/長石含量比值等等；

風化產物的同位素組成也可以用來指示其化學風化強度，如鋰同位素（δ7Li）、鎂同位素（δ25Mg）、矽同位素（δ30Si）等；

但常用的化學風化指數一般由風化產物的元素含量來計算，包括易溶元素含量的加和，如Paker指數PIA、古土壤風化指數PWI等，包括簡單的元素含量比值，如K/Al、Rb/Sr、Na/K等，也包括按照特定公式計算的元素含量比值，如化學蝕變指數CIA及其多種變形、Na風化指數αAlNa、Na虧損指數τNa等。

有些化學風化指數的計算不需要知道母巖的化學組成，如CIA等，而有些化學風化指數則需要母巖的化學組成才能計算出來，如αAlNa、τNa等。不過，應用化學風化指數來示蹤化學風化強度需要綜合考慮成巖蝕變、水力分選、沉積再旋迴、源巖組成等影響因素。

主要參考文獻

【1】Ambrose S.H., 1998. Late Pleistocene human population bottlenecks, volcanic winter, and differentiation of modern humans. Journal of Human Evolution, 34, 623-651.

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【3】Ferrier K., Riebe C.S., Hahm W.J., 2016. Testing for supply-limited and kinetic-limited chemical erosion in field measurements of regolith production and chemical depletion. Geochemistry Geophysics Geosystems, 17, 2270-2285.

【4】Li C., Yang S., 2010. Is chemical index of alteration (CIA) a reliable proxy for chemical weathering in global drainage basins? American Journal of Science, 310, 111-127.

【5】Rohling E.J., Sluijs A., Dijkstra H.A., et al., 2012. Making sense of paleoclimate sensitivity. Nature, 491, 683-691.

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【8】Yang J., Cawood P.A., Du Y., et al., 2016. Reconstructing Early Permian tropical climates from chemical weathering indices. Geological Society of America Bulletin, 128: 739-751.

【9】Yang J,, Cawood P.A., Montañez I. P., et al., 2020. Enhanced continental weathering and large igneous province induced climate warming at the Permo-Carboniferous transition. Earth and Planetary Science Letters, doi.org/10/1016/j.epsl.2020.116074.