地幔柱诱导的深部甲烷释放与瓜德鲁普世末生物大灭绝的关联机制研究

本研究通过分析二叠纪峨眉山大火成岩省(LIP)熔体包裹体中的挥发分，首次证实了地幔来源的非生物成因甲烷(CH4)在LIP岩浆中的广泛存在。研究人员结合拉曼光谱、同位素分析和热力学模拟，揭示地幔柱相关LIP可通过碳酸盐还原反应生成大量CH4，其释放量达7.4×103 Gt，对瓜德鲁普世末生物大灭绝的气候变暖事件具有重要贡献。该成果为理解地球历史上LIP事件与生物危机的关联提供了新视角。

　　

论文解读

在地球历史上，大规模火山活动与生物大灭绝事件存在显著关联性，但具体的环境杀伤机制仍存争议。传统观点认为，大火成岩省(LIP)通过释放二氧化碳(CO₂)或诱发沉积有机质热解产生温室气体。然而，这些机制难以解释某些地质记录中碳同位素的剧烈波动和快速气候变暖现象。甲烷(CH₄)作为一种温室效应比CO₂强85倍的短寿命气体，可能是关键缺失环节，但此前缺乏地幔来源CH₄的直接证据。

中国地质大学(北京)的刘胜敖团队联合合作者，选择二叠纪峨眉山LIP为研究对象，该区域被认为是地幔柱活动的典型代表，其喷发时间(约260 Ma)与瓜德鲁普世末生物大灭绝事件高度吻合。研究团队通过分析橄榄石和单斜辉石中的熔体包裹体(MIs)，首次发现地幔来源的CH₄可作为LIP岩浆的重要挥发分，其释放可能引发 catastrophic 气候效应。相关成果发表于《Nature Communications》。

研究主要采用四项关键技术：(1)熔体包裹体拉曼光谱分析，鉴定挥发分种类及密度；(2)电子探针和LA-ICP-MS测定主微量元素；(3)碳氢同位素(δ¹³C和δ²H)分析；(4)橄榄石-尖晶石和单斜辉石-熔体温压计，重建岩浆房条件。样品来自峨眉山LIP内部带和过渡带的苦橄岩和玄武岩。

熔体包裹体中的甲烷特征

通过分析79个含挥发分的熔体包裹体，拉曼光谱在2917 cm^-1处显示出CH₄的特征峰（见

4的拉曼谱峰；b CH₄与无定形碳共存的特征谱峰'>）。包裹体捕获温度达1000-1300°C，排除了热成因或生物成因CH₄的可能性。碳同位素组成(δ¹³C=-32.8‰至-28.1‰)和氢同位素(δ²H=-226‰至-171‰)显著轻于沉积成因甲烷，支持其非生物来源。

地幔甲烷的形成机制

研究提出两种地幔CH₄生成途径：(1)碳酸盐与FeO在含水条件下的还原反应：8FeO + CaCO₃ + 2H₂O → 4Fe₂O₃ + CH₄ + CaO；(2)石墨/金刚石与氢气的反应：C + 2H₂ → CH₄。峨眉山LIP源区含15%再循环洋壳，其低氧逸度(fO₂≈ΔFMQ-1.05)和高压熔融条件(5 GPa)为CH₄稳定创造了有利环境（见

4释放示意图。俯冲洋壳携带碳酸钙和水与地幔铁反应生成非生物CH₄'>）。

甲烷排放的环境效应

通过重建未脱气岩浆的CH₄含量(0.03 wt.%)，估算峨眉山LIP累计释放CH₄达7.4×10³ Gt，相当于现代人为排放总量的500倍。碳循环模型显示，这种轻碳(δ¹³C≈-30‰)注入可解释瓜德鲁普世末碳酸盐δ¹³C负偏(8‰)和同期气候变暖记录。

结论与意义

该研究首次证实地幔柱相关LIP可成为深部CH₄的重要来源，为理解生物大灭绝的触发机制提供了新范式：(1)揭示了LIP岩浆中非生物CH₄的生成和保存条件；(2)建立了地幔CH₄释放与碳同位素异常的定量关联；(3)提出深部碳循环参与地表环境剧变的直接证据。这一发现不仅适用于二叠纪事件，也可能解释其他地质时期LIP与生物危机的关联，对理解地球系统碳循环具有深远意义。