峨眉山大火成岩省（ELIP）衰退期碱性火山灰输入驱动吴家坪期（晚二叠世）有机碳埋藏与碳循环-气候波动

《Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology》：Emeishan Large Igneous Province waning stage eruptions linked to Wuchiapingian (late Permian) carbon cycle fluctuations and climate change

　　

峨眉山大火成岩省（ELIP）衰退期喷发与吴家坪期（晚二叠世）碳循环波动及气候变化相关联。ELIP衰退期火山作用可划分为早期、中期和晚期。ELIP衰退期火山灰覆盖了320万 km²的海岸与海洋环境。火山强度与有机碳埋藏速率及气候变化相关。火山灰输入水柱提高了生产力并诱导缺氧条件。碳埋藏增加与δ¹³C_org正偏移及气候变冷相关。

研究背景方面，已有关于ELIP（Emeishan Large Igneous Province，峨眉山大火成岩省）与气候变化、碳循环波动联系的研究主要集中于约260.55—259.1 Ma的主喷发阶段，而对主喷发后衰退期（约259.1—257.22 Ma，以碱性火山灰喷发为主）在气候变化和碳循环扰动中的作用及其驱动机制评价有限。已有研究提出主喷发阶段增强的化学风化可导致大气CO₂下降和快速变冷，但吴家坪期（Wuchiapingian）化学风化强度总体下降，气候却持续偏冷，硫酸盐气溶胶导致的冷却又难以解释整个吴家坪期约5.5 Ma的长期变冷，因此需要寻找其他驱动机制。同时，吴家坪期发育煤层、富有机质页岩和富有机质灰岩，显示存在显著有机碳埋藏，但吴家坪期变冷机制研究对有机碳埋藏关注不足；碱性火山灰层附近常伴有机质含量升高，但火山灰输入影响有机碳埋藏并联系气候变化的具體过程尚不清楚。

基于此，研究人员以贵州毕节纳雍县钻孔ZK10（WGS84：105.397107 E，26.612091 N）为对象，采集60件新鲜泥岩样品开展地球化学分析，并选取6件火山灰输入显著样品开展火山灰物源分析，结合自然伽马测井、岩石学与矿物学资料，重建吴家坪期水体氧化还原条件、古生产力和有机碳埋藏演化，并与ELIP活动、全球气候变化和碳同位素地层对比，评价ELIP衰退期碱性火山灰喷发与吴家坪期全球气候变化的关系。研究认为，ELIP衰退期多期火山灰输入水柱提高生产力、诱导缺氧并增强有机碳埋藏，进而促进大气CO₂下降和气候变冷，尤其早期吴家坪期表现显著。

关键技术方法不超过250字：研究以钻孔ZK10岩心为样本队列，采用自然伽马（GR）测井开展旋回地层学分析，使用Acycle 2.8软件进行多窗谱分析（MTM）、快速傅里叶变换（FFT）演化谱分析、相关系数分析（COCO）与演化相关系数分析（eCOCO）、高斯带通滤波和405 kyr长偏心率调谐，建立浮动天文时间尺度（ATS）；对样品开展主量元素、微量元素、总有机碳（TOC）、总硫（TS）、汞（Hg）浓度和有机碳同位素（δ¹³C_org）分析，并结合扫描电镜矿物学观察和火山灰物源判别。

研究结果部分：4.1 TS、TOC、TS/TOC与δ¹³C_org：TS为0—7.01%（均值1.53%），TOC为0.41—11.04%（均值3.63%），TS/TOC为0—2.72（均值0.46），δ¹³C_org为?27.9—?23.2‰（均值?24.33‰）。全样本TS与TOC相关系数为0.24，无相关；剔除TS<1%样品后相关系数增至0.51，呈显著正相关；TOC与δ¹³C_org无相关（r=0.04）。由此认为低硫条件下TS-TOC解耦，而在硫积累充分条件下TS-TOC协变增强。4.2 元素地球化学：Al₂O₃为21.86—44.76%（均值30.23%），P₂O₅为2.17—6.22%（均值3.80%），U为1.92—5.99 μg/g（均值3.85 μg/g），Mo为0.79—5.84 μg/g（均值3.14 μg/g），Mo_EF为0.48—3.29（均值1.52），U_EF为0.46—1.56（均值0.93），P_org为1.63—5.59%（均值3.26%），为氧化还原与古生产力重建提供参数。4.3 Hg、Hg/TOC、Hg/TS与Hg/Al₂O₃：Hg为0—210.4 ng/g（均值27.82 ng/g），Hg/TOC为0—72.14 ng/g/%（均值8.84 ng/g/%），Hg/TS为0—87.83 ng/g/%（均值15.83 ng/g/%），Hg/Al₂O₃为0—8.30 ng/g/%（均值1.69 ng/g/%）；Hg与TOC、TS、Al₂O₃相关系数分别为0.31、0.71、?0.15，表明Hg主要赋存于硫化物和有机质中，Hg/TOC和Hg/TS可用于识别火山灰输入。4.4 旋回地层学分析：GR测井多窗谱分析显著峰比值与405、125、95、40.6、33、20.7、19.7和17 kyr天文轨道周期比值接近；COCO与eCOCO显示最佳沉积速率约2—6 cm/kyr；以二叠纪—三叠纪界线年龄251.884±0.052 Ma为锚点，得到吴家坪阶终止年龄254.39 Ma、龙潭组上下段边界257.52 Ma、初始沉积年龄259.95 Ma，5层碱性火山灰锆石年龄为259.05、258.86、258.24、257.63和255.81 Ma，据此建立天文时间尺度并定年。

讨论部分总结：5.1天文尺度校准与验证认为研究区为海岸平原沉积，缺乏大型河流体系，地层间断和河流自旋回影响很小，以Chahe剖面二叠纪—三叠纪界线年龄锚定，405 kyr长偏心率稳定，综合不确定度为±0.41 Ma，所得吴家坪—长兴界线约254.39 Ma、瓜德鲁普—乐平界线259.95 Ma与已有放射性同位素年龄在误差范围内，时间框架可靠。5.2火山活动认为Hg主要赋存于有机质和硫化物，Hg/TS与Hg/TOC可指示火山灰输入，GR强正异常（>2.0 pA/kg）可指示碱性火山灰，GR异常与Hg比值及257—259 Ma锆石年龄一致，可识别可见和隐伏火山灰。5.3氧化还原条件、古生产力与碳埋藏认为U_EF、Mo_EF、TS/TOC及草莓状黄铁矿指示底部水体还原，P_org重建古生产力，火山灰含磷矿物且Hg与P正相关，TOC与P_org（r=0.57）、U_EF（r=0.54）、Mo_EF（r=0.58）显著正相关，说明碳埋藏受生产力和氧化还原共同控制。5.4吴家坪期碳同位素记录认为δ¹³C_org正偏移反映有机碳埋藏增强、CO₂下降和变冷，负偏移反映埋藏减少和变暖；C/N表明有机质以海相为主，类型非主控因素；早期259.95—257.52 Ma出现4.7‰正偏移且全球可比，中期257.52—255.98 Ma出现?2.5‰负偏移，与剥蚀率增加、降水增加、海平面下降和陆源有机质输入增加有关，晚期255.98—254.39 Ma多次波动并小幅正移。5.5火山灰物源及其输入认为Nb/Yb-Al₂O₃/TiO₂、Zr/TiO₂-Al₂O₃/TiO₂及锆石εHf(t)指示火山灰主要来自ELIP碱性喷发，以Nb-Ta矿化正长岩为主，少量富Nb-Ta流纹岩和粗面岩，古特提斯弧贡献很小；估算至少5次火山事件影响海洋约2×10⁶ km²，至少9次事件影响海洋与海岸平原约1.2×10⁶ km²，火山灰体积至少2.08×10¹² m³、质量约4.78×10¹² t，并输入P₂O₅约5.26×10⁹ t、Fe₂O₃约3.85×10¹¹ t，多期输入可增强碳埋藏。5.6火山活动与碳循环及气候变化联系认为ELIP主喷发期风化可降低CO₂，但吴家坪期CIA下降而持续变冷说明主导强迫发生转变；TOC与火山强度相关，早期火山强、缺氧硫化、生产力高、δ¹³C_org正移和碳埋藏高，中期火山减弱、氧化、生产力低、负移和埋藏低，晚期火山弱增强、缺氧和埋藏回升但原文解释为区域信号，全球气候和碳同位素无明显波动；ELIP衰退期多期火山灰输入提高生产力、诱导缺氧、增强有机碳埋藏，促进CO₂下降和变冷，短期硫酸盐气溶胶冷却叠加长期风化和有机碳埋藏。

研究结论翻译：吴家坪期ELIP衰退期喷发在扬子地块西部（WSCB）沉积了多层碱性火山灰。火山活动强度与WSCB碳循环波动及吴家坪期全球气候变化高度相关。吴家坪期火山活动、碳埋藏和碳同位素偏移可划分为三期：早期（259.95—257.52 Ma）、中期（257.52—255.98 Ma）和晚期（255.98—254.39 Ma）。主要喷发幕发生于早期，伴随显著δ¹³C_org正偏移和有机碳埋藏显著增加。中期火山活动减弱，伴随δ¹³C_org负偏移和有机碳埋藏减少。晚期火山活动小幅增强，由此引起的古生产力和碳埋藏上升被解释为区域信号，对全球气候变化和δ¹³C_org偏移影响较小。总之，吴家坪期ELIP衰退期喷发向水柱输送火山灰，提高生产力并诱导缺氧条件，导致碳埋藏增加、δ¹³C_org正偏移和全球气候变冷，尤其在早期吴家坪期表现明显。