Geology:火山作用——晚古生代大冰期重要的驅動力

2020-12-05 中科院地質地球所

【前沿報導】Geology：火山作用——晚古生代大冰期重要的驅動力

火山噴發產生的硫酸鹽氣溶膠可以有效降低地球表面接收到的太陽輻射，從而引發晚古生代大冰期的出現。

晚古生代大冰期（LPIA，約360-260 Ma）是顯生宙以來規模最大的冰期事件。一般認為，冰期和間冰期與大氣中CO2濃度的高低有著密切的聯繫，當其含量較低時，氣候往往較寒冷，地球處於冰期；當其濃度較大時，氣候則較溫暖，地球處於間冰期。以往的研究（Martin, 1990; Archer, 2000）也認為大氣中的CO2濃度變化與地球冰期-間冰期的轉換具有一定的相關性。照此推論，在360-260Ma晚古生代大冰期最為發育的時候，地球大氣中的CO2含量應該最低，但是恢復出來的古大氣CO2濃度分布（Foster et al., 2017）與冰期沉積物的年齡分布並沒有很好的一致性（圖1B）。在約300Ma冰期沉積物數量最多、冰期最為發育的時候，對應的大氣CO2濃度並不是最低，冰期的出現明顯滯後於CO2濃度最低的時候（338-334Ma），這表明大氣中CO2的含量並不是決定冰期形成的唯一因素，僅靠低的CO2濃度並不足以觸發LPIA的形成。

Crowley and Baum（1992）指出假設太陽輻射強度不變，要使地球表面獲得的太陽輻射能降低，就需要地球-大氣系統的淨輻射強迫為負值（輻射強迫radiative forcing是指某一因子變化，如大氣中CO2濃度的增加，對地球-大氣系統能量平衡的影響程度。淨輻射強迫為正值時，會驅動地球表面變暖，反之則驅動地球表面變冷）。Zhuang et al. (2014)認為具有正輻射強迫效應的溫室氣體會使地球表面的冰融化成具有負輻射強迫效應的水，這樣能使地球表面溫度降低，從而維持較長時間的冰期。但通過冰川消融來維持冰期是一個難以讓人信服的悖論。除了水，還有哪些具有負輻射強迫效應的物質呢？

圖1 (A)晚古生代冰川沉積物年齡與火山建造年齡的對應關係圖；（B）晚古生代大氣

CO2濃度演化圖；（C）晚古生代火山建造數量分布圖；(D)晚古生代火山活動規模與2.5 Ma以來火山活動規模的對比

近日，美國俄克拉荷馬大學的Gerilyn S. Soreghan和其合作者在Geology上發文，報導了晚古生代不同緯度的火山建造的年齡分布峰值與同時期的冰期沉積物的年齡分布峰值具有較好的一致性(圖1A)，他們認為大規模的火山噴發注入平流層的具有負輻射強迫效應的硫酸鹽氣溶膠能有效降低地球表面接收到的太陽輻射能，從而啟動並維持近100Myr的晚古生代大冰期。

大氣中硫酸鹽氣溶膠主要來源於火山，其濃度與火山噴發的規模成正比，火山數量越多，規模越大，大氣中硫酸鹽氣溶膠的濃度就越高。Soreghan及其合作者整合了大量前人發表的晚古生代不同緯度的火山噴發沉積物的放射性同位素年齡數據並分析了這些年齡的頻數分布，結果發現火山噴發沉積物的頻數在300Ma左右達到最大，這表明這個時期火山活動最強烈，且這個時間正好跟冰期沉積物最為發育的時間基本一致。考慮到火山噴發物中硫酸鹽氣溶膠的負輻射強迫效應，經過校正，LPIA大氣中的CO2濃度可降低至560ppmv以下，並使得淨輻射強迫在340–260Ma之間一直保持負值，從而促使大冰期的形成並長期保持穩定（圖2）。

圖2 （A）經負輻射強迫硫酸鹽氣溶膠校正前的CO2濃度（黑線）與校正後的實際CO2濃度（紅虛線）對比圖；（B）CO2和火山的輻射強迫與冰期發育時間的對比圖，校正後的淨輻射強迫（黃線）在340-260 Ma期間一直保持負值，使得冰期得以長期保持穩定

值得注意的是，Soreghan等總結的晚古生代的火山建造年齡並不只有約300Ma這一個峰，260-240Ma期間也出現了峰值，但那時冰期並不發育。這表明火山噴發與冰期並不是簡單的、一一對應的關係。火山作用與氣候演化的相互關係仍然需要更多的研究工作進一步去論證，這也是火山學研究的重要任務之一。因此，火山學的研究依然任重而道遠。

文章數據來源：作者從近500篇文章中提煉出了全球晚古生代火山沉積物以及冰川沉積物的年齡等信息，本文用到的數據可以通過這個網址獲取。

參考文獻：

1.Archer D, Winguth A, Lea D, et al. What caused the glacial/interglacial atmospheric pCO2 cycles [J]. Reviews of Geophysics, 2000, 38(2): 159-189.

2.Crowley T J, Baum S K. Modeling late Paleozoic glaciation [J]. Geology, 1992, 20(6): 507-510.

3.Foster G L, Royer D L, Lunt D J. Future climate forcing potentially without precedent in the last 420 million years[J]. Nature Communications, 2017, 8: 14845.

4.Martin J H. Glacial-interglacial CO2 change: The iron hypothesis [J]. Paleoceanography, 1990, 5(1): 1-13.

5.Monta？ez I P, McElwain J C, Poulsen C J, et al. Climate, pCO2 and terrestrial carbon cycle linkages during late Palaeozoic glacial–interglacial cycles [J]. Nature Geoscience, 2016, 9(11): 824-828.

6.Soreghan G S, Soreghan M J, Heavens N G. Explosive volcanism as a key driver of the late Paleozoic ice age [J]. Geology, 2019.

7.Zhuang K, North G R, Giardino J R. Hysteresis of glaciations in the Permo-Carboniferous[J]. Journal of Geophysical Research: Atmospheres, 2014, 119(5): 2147-2155.

（撰稿：馬琳，郭正府/新生代室）

美編：徐海潮

校對：張 崧

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