火山活动与玄武岩风化驱动奥陶纪气候冷却：来自汞和同位素地球化学的证据

《Nature Communications》：Volcanism and basalt weathering drove Ordovician climatic cooling

本研究针对奥陶纪长期气候冷却、赫南特冰期、大奥陶纪生物辐射事件和晚奥陶纪大灭绝之间的因果关系争议，通过分析华南三条剖面和全球数据的牙形石氧同位素（δ18Oconodont）、汞地球化学（Hg/TOC、Δ199Hg、δ202Hg）和锶同位素（87Sr/86Srconodont），发现约470-445 Ma期间存在三期阶段性冷却事件（LFCE、LDCE和赫南特冰期），与大陆大火成岩省（LIP）驱动的玄武岩风化及大气pCO2下降同步，揭示了火山活动在生命-环境协同演化中的关键作用。

　　

在地球漫长的历史中，奥陶纪（485.4-443.8 Ma）是一个充满变革与谜团的时期。它的开端见证了大奥陶纪生物辐射事件（GOBE）的早期阶段，海洋无脊椎动物的物种和属级分类单元数量分别增长了约6倍和3倍，尤其是海洋浮游生物的繁盛，标志着“奥陶纪浮游革命”的到来。然而，临近尾声时，却发生了显生宙第一次重大生物危机——晚奥陶纪大灭绝（LOME），其物种灭绝率高达70-80%，并与赫南特冰期密切相关。是什么驱动了奥陶纪海洋生物的兴衰更替？长期的气候变化在其中扮演了怎样的角色？这些问题长期以来困扰着地质学家和古生物学家。

一个关键线索是，GOBE与一个长达约2500万年的全球气候冷却趋势在时间上吻合，牙形石氧同位素（δ¹⁸O_conodont）记录表明，从早奥陶世到晚奥陶世，海表温度（SST）下降了约10°C。然而，关于这一冷却趋势是连续过程还是阶段性事件，以及其驱动机制，学界一直存在争议。主流假说包括与最早陆地植物扩张相关的硅酸盐风化增强导致大气CO₂（pCO₂）下降，或海洋初级生产力提升导致有机碳埋藏增加。另一个备受推测但缺乏实证的假说则认为，火山活动可能通过促进玄武岩等易风化岩石的化学风化，最终导致pCO₂下降和气候变冷，但火山活动本身又会释放温室气体，其净效应究竟如何，亟需综合性的地质记录来检验。

为了解开这些谜团，由中国地质大学（武汉）的赵贺、张蕾（通讯作者）、Thomas J. Algeo等组成的研究团队，对华南宜昌地区三条具有高精度生物地层约束的奥陶纪海相剖面（黄花场、陈家河、王家湾）进行了系统的地球化学分析。他们创新性地将牙形石原位微区氧同位素（δ¹⁸O_conodont，作为古温度计）、汞（Hg）元素和同位素地球化学（作为火山活动指标）以及牙形石锶同位素（⁸⁷Sr/⁸⁶Sr_conodont，作为大陆风化指标）相结合，并汇编了全球已发表的同期数据，旨在重建奥陶纪火山活动、化学风化和气候变化的精细历史，从而检验“火山活动驱动奥陶纪长期冷却”这一假说。这项重要的研究成果最终发表在《自然-通讯》（Nature Communications）上。

研究人员运用了多项关键的技术方法来获取高质量的数据。他们首先从华南宜昌地区三条经典的奥陶纪剖面系统采集了碳酸盐岩和少量页岩样品。通过醋酸酸解法从样品中分离出牙形石个体，并针对其最致密的白色冠部（albid crown）进行原位微区分析，以最大程度减少组织效应和成岩蚀变的影响。海表温度（SST）通过二次离子质谱（SIMS）分析牙形石磷灰石的氧同位素（δ¹⁸O_conodont）进行重建。火山活动的示踪则综合运用了汞分析仪测定总汞含量（[Hg]），并计算了汞与总有机碳的比值（Hg/TOC）以及碳酸盐校正后的汞含量（[Hg_cf]），同时利用多接收器电感耦合等离子体质谱（MC-ICP-MS）测定了汞的同位素组成（Δ¹⁹⁹Hg, δ²⁰²Hg）。大陆风化强度通过激光剥蚀多接收器电感耦合等离子体质谱（LA-MC-ICP-MS）分析牙形石的锶同位素（⁸⁷Sr/⁸⁶Sr_conodont）来指示。此外，还辅以碳酸盐碳同位素（δ¹³C_carb）化学地层学来构建高分辨率的时间框架，并分析了主量、微量元素和总有机碳（TOC）含量以评估成岩作用和古环境条件。

结果

奥陶纪阶段性气候冷却事件的识别

研究团队新获得的牙形石氧同位素（δ¹⁸O_conodont）记录显示，从下奥陶统南津关组（+15-17‰）到中奥陶统大湾组—牯牛潭组（+16-19‰），再到上奥陶统五峰组（+18-20‰），存在一个长期的上升趋势，指示了海表温度（SST）的逐步下降。在排除了成岩作用、纬度变化等影响因素后，该记录清晰地揭示了奥陶纪存在三次主要的冷却事件：晚弗洛期冷却事件（LFCE，约473-468 Ma）、晚达瑞威尔期冷却事件（LDCE，约459-453 Ma）和赫南特冰期（约445-444 Ma）。通过与全球293个已发表牙形石氧同位素数据点的整合，进一步确认了LFCE和LDCE这两次阶段性冷却事件的全球性特征，而赫南特冰期在本次研究的全球平滑曲线中虽不显著，但与其它温度指标（如腕足动物、全岩碳酸盐氧同位素）的记录相符。

奥陶纪火山活动的汞地球化学证据

汞地球化学指标是识别古代火山活动的有力工具。研究发现，研究剖面中的汞含量（[Hg]）、Hg/TOC比值和汞富集因子（HgEF）在奥陶纪多数时间低于基线值，但在晚弗洛期、桑比期、中凯迪期以及晚凯迪期—早志留世则出现了明显高于基线的平台值，指示了多期的汞异常富集。通过与全球22个剖面/岩芯的1433个汞含量数据、1361个Hg/TOC数据以及近800个汞同位素数据的综合对比，确认了这些汞异常富集区间具有全球代表性，反映了全球性的火山活动增强。汞同位素（Δ¹⁹⁹Hg和δ²⁰²Hg）的变化为火山物质的来源和后期过程提供了更多信息。例如，近零的Δ¹⁹⁹Hg值通常指示火山来源的汞输入，而负的Δ¹⁹⁹Hg值则可能与海洋光层带硫化（PZE）环境下的光化学还原过程有关。

火山活动、玄武岩风化与气候冷却的耦合关系

综合牙形石锶同位素（⁸⁷Sr/⁸⁶Sr_conodont）和钕同位素（ε_Nd(t)）数据，研究发现奥陶纪，特别是中晚奥陶世，存在一个显著的锶同位素负偏（从~0.7090下降至~0.7080），这强烈指示了来自幔源或年轻玄武岩的风化输入增加。这种增强的玄武岩风化能够高效地消耗大气CO₂，是驱动长期气候冷却的关键机制。时间上的耦合关系清晰地显示，三次主要的气候冷却事件（LFCE, LDCE, 赫南特冰期）都与汞指标指示的火山活动增强期以及锶同位素指示的玄武岩风化加强期相吻合。研究人员认为，大陆大火成岩省（LIP，如中晚奥陶世的Alborz LIP）的幕式喷发，虽然短期内会释放CO₂，但长期来看，其产生的大量易风化的玄武岩在（亚）热带地区经历强烈的化学风化，是导致大气pCO₂持续下降和气候变冷的主要驱动力。此外，火山风化带来的营养盐（如磷）输入也可能刺激了海洋初级生产力和有机碳埋藏（由δ¹³C_carb正漂移指示），进一步加剧了CO₂的消耗和冷却效应。

讨论与结论

本研究通过多指标、高精度的地球化学记录，首次为“火山活动驱动奥陶纪长期气候冷却”这一假说提供了系统的实证支持。研究结果表明，奥陶纪长达约2500万年的气候冷却并非一个匀速过程，而是由晚弗洛期（LFCE）、晚达瑞威尔期（LDCE）和赫南特期三次主要的阶段性冷却事件构成，并最终导致了显生宙第一次大冰期——赫南特冰期。

驱动这一系列冷却事件的核心机制被归结为幕式的大陆大火成岩省（LIP）火山活动及其后续的玄武岩风化作用。尽管持续的俯冲带相关的大陆弧火山活动也为全球汞库和风化作用做出了贡献，但其时间分布模式与奥陶纪多期汞异常和冷却事件并不完全匹配。相比之下，LIP火山活动产生的巨大体积的玄武岩，由于其矿物组成更易与CO₂发生反应，在低纬度湿热气候条件下能够产生极强的CO₂消耗效应。本研究揭示的火山活动-玄武岩风化-气候冷却之间的时序耦合关系，强有力地支持了这一机制。

此外，研究还发现，在主要火山活动期期间或之后，海洋环境，特别是光层带，可能出现了阶段性硫化（PZE）条件，这由负的Δ¹⁹⁹Hg和正的δ²⁰²Hg信号所指示。PZE的形成可能与火山风化带来的营养盐输入导致的海洋生产力增高有关，而PZE环境本身又可能通过影响汞的生物地球化学循环，在沉积物中留下独特的同位素印记。

综上所述，这项研究重塑了我们对奥陶纪生命与环境协同演化的理解。它明确了火山活动，特别是大陆大火成岩省，在触发和维持奥陶纪长期冰室气候中的主导作用，将GOBE的生物辐射、长期气候冷却、幕式火山活动、增强的玄武岩风化和海洋环境变化（如PZE）有机地联系起来，为理解地球系统内部过程如何调控全球气候和生物演化提供了关键的古环境案例。未来的研究需要进一步寻找和精确厘定更多奥陶纪LIP的时代，并深化对海洋生物地球化学循环响应火山强迫的理解。