华北石炭-二叠纪之交化学风化指标揭示的古气候波动及其驱动机制

针对晚古生代大冰期(LPIA)气候波动驱动机制争议，中国科学院研究人员通过华北鄂尔多斯盆地泥岩的化学风化指标(CIA/LSTs)与全球同期数据对比，识别出301 Ma、299 Ma和296.5 Ma三次降温事件，发现前两次与全球基性岩风化及热带森林扩张导致的CO2下降相关，第三次受Skagerrak大火成岩省玄武岩风化加剧驱动，为理解石炭-二叠纪过渡期气候突变机制提供了新证据。

　　

晚古生代大冰期（LPIA）作为显生宙持续时间最长的冰室气候，其内部存在多次冷暖波动，但关于石炭-二叠纪过渡期气候突变的驱动机制长期存在争议。华北克拉通作为当时北半球低纬度（5–15°）的陆块，其沉积记录成为解码全球气候响应的关键。近期研究虽通过δ¹⁸O、δ¹³C等指标识别出298 Ma变暖等事件，但不同古纬度气候记录的差异性、以及火山活动与生态系统变化的协同作用机制仍不明确。

中国科学院团队在《Global and Planetary Change》发表的研究，通过鄂尔多斯盆地D53钻孔和保德剖面的45件泥岩样品，结合化学蚀变指数(Chemical Index of Alteration, CIA)和估算地表温度(Land Surface Temperatures, LSTs)重建了301–296.5 Ma的关键气候事件。研究整合了北美Midland盆地和冈瓦纳盆地的同期数据，采用LA-ICP-MS和CA-ID-TIMS锆石U-Pb定年构建高精度年代框架，通过主微量元素分析排除成岩作用和物源干扰，首次揭示三次全球性降温事件与不同CO²消耗机制的对应关系。

【地质背景】华北克拉通在石炭-二叠纪被古特提斯洋和泛大洋环绕，发育海陆交互相含煤地层。研究选取太原组/山西组的河湖相泥岩，其CIA值72.9–99.3反映从寒冷到温暖的气候梯度。

【结果1：气候波动识别】CIA曲线显示301 Ma（轻微）、299 Ma（强烈）和296.5 Ma（极端）三次低谷，对应LSTs下降4–8°C。这些事件在北美和冈瓦纳记录中同步出现，其中296.5 Ma事件使CIA骤降至72.9，标志LPIA冰期顶峰。

【结果2：驱动机制解析】301–299 Ma的降温与全球基性岩风化及热带森林扩张导致的CO₂持续消耗有关；而296.5 Ma的急剧冷却则与Skagerrak大火成岩省（LIP）玄武岩快速风化相关——计算显示其风化速率较正常硅酸盐岩高3–5倍，导致大气CO₂浓度短期内下降约200 ppm。

【讨论】该研究创新性提出LIP风化作用的"放大器效应"：当全球背景CO₂已处于低位时，大火成岩省活动通过两种途径加剧冷却——短期释放SO₂引发阳伞效应，长期则通过大面积玄武岩风化形成碳汇。这解释了为何296.5 Ma事件能推动LPIA达到冰期顶峰，而早二叠世其他LIP事件（如289 Ma的Tarim LIP）未引发同等强度响应。

该成果为理解地质历史中"冰室-温室"转换阈值提供了新范式，证实构造活动（LIP）、生物圈（森林扩张）和风化反馈的耦合效应可引发气候突变。现代全球变暖背景下，研究火山-风化-碳循环的相互作用机制，对预测长期气候演变具有重要启示。