石炭纪-二叠纪之交火山活动触发全球变冷：来自华北板块汞和碳同位素的证据

《Global and Planetary Change》：Two episodes of Gzhelian (latest Carboniferous) volcanism immediately predate Asselian (early Permian) cooling and glaciation

本研究针对晚石炭世Gzhel期火山活动与早二叠世Assel期全球变冷和冰川扩张的因果关系这一关键科学问题，通过系统分析华北河东煤田太原组的汞含量(Hg)、汞同位素(Δ199Hg)、有机碳同位素(δ13Corg)和化学风化指标(CIA)，首次识别出Gzhel早期和晚期两次火山活动事件。研究发现晚Gzhel期火山活动与大陆风化速率降低及随后全球变冷密切相关，表明Skagerrak-Centered大火成岩省(SCLIP)释放的硫酸盐气溶胶和海洋施肥效应可能是触发晚古生代冰期最盛阶段的关键机制。该成果为理解大火成岩省活动对地球气候系统的复杂影响提供了重要证据。

　　

在地球漫长的历史中，气候始终处于动态变化之中，而火山活动作为地球内部能量释放的重要方式，对全球气候系统产生了深远影响。晚古生代冰期(Late Paleozoic Ice Age)是地球历史上最显著的冰川事件之一，其鼎盛阶段出现在石炭纪-二叠纪(C-P)过渡时期。这一时期发生了深刻的环境变革：全球海平面显著下降，南半球冈瓦纳大陆冰川范围扩展，大气CO₂浓度处于相对较低水平(200-500 ppm)。与此同时，欧洲的Skagerrak-Centered大火成岩省(SCLIP)在约304-297百万年前活跃，其峰值活动时间(约300百万年前)与全球气候变冷和冰川扩张在时间上高度吻合。然而，SCLIP火山活动与同期全球环境变化之间的直接因果联系一直缺乏确凿的证据，这成为古气候研究领域的一个重要科学问题。

为了解开这一谜团，由中国矿业大学(北京)王晔和吕静领导的研究团队在《Global and Planetary Change》上发表了他们的最新研究成果。研究人员选择华北板块(NCP)河东煤田的扒楼沟剖面作为研究对象，该剖面保存了连续完整的晚石炭世-早二叠世海陆交互相沉积序列，是研究C-P过渡期环境变化的理想载体。

研究团队采用多指标综合分析方法，对扒楼沟剖面本溪组和太原组的38个泥岩样品进行了系统分析。关键技术方法包括：汞含量(Hg)和汞同位素(δ¹⁹⁹Hg)分析，用于识别火山活动信号；有机碳同位素(δ¹³C_org)分析，揭示碳循环扰动；化学蚀变指数(CIA)和修正化学蚀变指数(CIX)计算，重建古风化强度；主量元素和微量元素分析，评估物源变化和沉积环境。通过这些高精度地球化学指标的综合运用，研究人员能够精确识别火山活动事件并评估其环境效应。

4.1. 岩性特征

扒楼沟剖面太原组厚约70米，主要由黑色页岩、深灰色泥岩、灰白色砂岩和砾岩组成，沉积于潮坪-泻湖-浅海碳酸盐岩台地环境。剖面中包含两层凝灰质粘土岩和数层灰岩，为识别火山活动提供了直接的岩性证据。

4.2. 碳地球化学

总有机碳(TOC)含量变化范围为0.75-7.25%，在Gzhel期呈现增加趋势。有机碳同位素(δ¹³C_org)值介于-26.3‰至-23.2‰之间，在Gzhel早期(EG-NCIE)和Gzhel晚期(LG-NCIE)分别记录了两次负偏异常，其中晚Gzhel期的负偏幅度更大(~3.1‰)，持续时间更长。

4.3. 汞地球化学

汞含量变化范围为4-330 ppb，显示出两次明显的富集事件：Gzhel早期汞富集(EG-ME)和Gzhel晚期汞富集(LG-ME)。汞含量与TOC呈现显著正相关(r=+0.93)，表明汞主要赋存于有机质中。汞同位素Δ¹⁹⁹Hg值在两次富集事件期间接近零值(-0.18‰至0.04‰)，这是火山来源汞的典型特征。

4.4. 元素地球化学

化学蚀变指数(CIA)变化范围为80.47-98.74%，从Kasimov中期到Gzhel期保持高值，表明强烈的化学风化作用；而在早Assel期，CIA值显著降低，反映风化强度减弱。基于CIA与地表温度(LST)的经验关系，估算出研究区温度从Gzhel期的24-30°C下降至早Assel期的19-25°C，降温幅度达10±5°C。

研究结果表明，Gzhel早期和晚期分别发生了两次火山活动事件，但只有晚Gzhel期火山活动与大陆风化速率降低和全球变冷密切相关。这一差异可能源于两次火山活动在强度、持续时间或喷发性质上的不同：晚Gzhel期火山活动可能更为强烈和持久，释放了大量硫酸盐气溶胶进入平流层，通过减少辐射强迫导致大气冷却；同时，火山活动释放的微量营养元素可能促进了海洋生物泵效率，加速了有机碳埋藏和大气CO₂的消耗。

该研究的创新性在于首次提供了SCLIP火山活动与C-P过渡期气候变化的直接地球化学证据，揭示了火山活动对晚古生代冰期鼎盛阶段形成的触发作用。这一认识不仅深化了我们对地球历史气候演变机制的理解，也为评估现代火山活动对全球气候系统的潜在影响提供了古气候学的参考依据。研究建立的汞-碳同位素耦合分析方法为识别地质历史中的火山活动事件提供了有效工具，有望应用于其他关键地质转折期的研究。

值得注意的是，晚Gzhel期大规模碳释放后出现的全球变冷现象表明，地球系统可能存在一种自我调节机制：火山活动初期释放的大量温室气体可能导致短期升温，但随之而来的海洋施肥效应、化学风化加强等过程可能促进碳汇形成，最终导致气候变冷。这种复杂的反馈机制提醒我们，在评估火山活动的气候效应时，需要综合考虑多种地球系统过程的相互作用。