构造-天文相互作用调控晚古生代气候与有机碳埋藏机制

《Nature Communications》：Tectonic–astronomical interactions in shaping late Paleozoic climate and organic carbon burial

本研究聚焦晚古生代（约360-250 Ma）地球系统演化中的关键科学问题：构造过程与天文轨道周期如何协同调控气候变率与有机碳埋藏。通过整合全板块构造重建、地球化学数据与碳循环模型（LOSCAR），研究人员发现构造活动强度显著影响气候系统对天文强迫的响应。在构造活跃期（Phase I和III），高CO2浓度加剧气候波动，削弱轨道信号在沉积记录中的保存；而在构造平静期（Phase II），低CO2与稳定环境促进天文周期驱动的韵律性沉积，进而推动全球有机碳大规模埋藏。该研究为深时碳循环与气候耦合机制提供了新范式。

　　

晚古生代（约3.6亿至2.5亿年前）是地球历史上一个充满变革的时期，超级大陆潘吉亚的拼合、大规模冰川作用以及全球气候与海平面的剧烈波动共同塑造了当时的地球环境。这一时代不仅见证了地表格局的重组，还形成了丰富的有机质富集页岩和煤层，这些沉积物作为重要的碳封存机制，可能驱动了大气CO₂的长期下降和全球变冷。然而，构造过程（如板块俯冲和洋中脊扩张）与天文轨道周期（如偏心率、斜度）如何相互作用以影响气候变率和碳循环，一直是学界争论的焦点。以往研究多孤立分析二者作用，缺乏对它们协同效应的系统评估，导致对沉积记录中轨道信号稳定性控制因素的理解存在空白。

为揭示这一复杂相互作用，任伟、金之钧等研究团队在《Nature Communications》发表最新成果，通过多学科交叉方法，首次构建了晚古生代构造-天文耦合框架。研究将晚古生代划分为三个构造阶段：Phase I（360-330 Ma）和Phase III（280-250 Ma）为构造活跃期，伴随高CO₂排放和强烈气候波动；Phase II（330-280 Ma）为构造平静期，以低CO₂浓度和清晰的天文轨道信号为特征。研究指出，构造背景通过调制气候系统对轨道强迫的敏感性，直接控制有机碳埋藏效率，为理解地球系统演化提供了新视角。

研究团队综合运用了全板块构造重建、地球化学代理指标（如锶同位素⁸⁷Sr/⁸⁶Sr和碎屑锆石年龄谱）、海平面变化分析以及碳循环模拟（LOSCAR模型）和气候模拟（CESM1.2.2模型）。其中，LOSCAR模型经改进后可处理随时间变化的碳排放通量与同位素组成，而CESM模拟涵盖了12个时间切片（每1000万年一个），通过固定轨道参数（如最大偏心率与斜度）对比不同CO₂浓度下的气候响应。此外，全球有机质富集沉积物数据来自多盆地记录，并利用GPlates平台进行古纬度校正。

构造阶段的划分与特征

通过整合俯冲带长度、洋中脊扩张速率、碎屑锆石峰值及⁸⁷Sr/⁸⁶Sr比值等指标，研究识别出晚古生代三个构造阶段。Phase I和III显示高构造活动性，伴随强烈的火山脱气和地壳增生，LOSCAR模拟显示碳输入速率分别达0.041 Pg C yr^-1和0.063 Pg C yr^-1；Phase II则呈现构造减速，⁸⁷Sr/⁸⁶Sr比值升高，碳输入速率低于0.02 Pg C yr^-1。这一划分揭示了构造强度与碳循环的动态关联。

天文信号的稳定性与遮蔽机制

海平面短周期循环分析显示，构造平静期（Phase II）的旋回持续时间更短且集中（1.44±0.61 Myr），而活跃期（Phase I和III）旋回更长且分散（1.85±1.00 Myr）。圆形谱分析（CSA）进一步证实，Phase II中0.5-2.0 Myr周期的轨道信号显著，而活跃期信号连贯性降低。这表明构造活动通过改变沉积盆地稳定性（如沉降速率和物源供给）干扰了轨道信号的保存。

晚古生代气候状态变率

CESM模拟表明，CO₂浓度是驱动全球平均表面温度（GMST）和降水（GMP）变率的主控因子。高CO₂情景下（如800 ppm），GMST变幅显著扩大，尤其在300 Ma时，轨道参数（如最大偏心率与斜度）的差异在高温下被放大。然而，250 Ma时潘吉亚闭合导致的低纬度水道消失，削弱了赤道热输送，部分抵消了高CO₂的变率增强效应。

冰期有机碳富集机制

有机质富集沉积频率在Phase II显著升高，主要分布在古纬度0°–40°区域。构造平静期的低气候变率和清晰轨道 pacing 促进了韵律性沉积，而活跃期的火山活动与地形改造则通过环境扰动（如温度波动和侵蚀作用）抑制有机质保存。天文轨道强迫通过调控冰盖体积与水文循环，在低构造背景下强化了碳埋藏节奏。

结论与意义

本研究揭示了构造活动与天文强迫的相互作用是晚古生代气候-碳循环耦合的核心机制。构造平静期通过稳定沉积环境与低CO₂浓度，增强轨道信号的表达，促进有机碳埋藏；而构造活跃期则通过高CO₂与地形扰动放大气候变率，破坏沉积连续性。该框架不仅深化了对地球系统演化的理解，也为评估其他冰期-间冰期旋回中的碳循环动态提供了类比依据。