晚古生代冰期—非冰期转换期间低纬度化学风化记录的磁性矿物变化

《Global and Planetary Change》：Low-latitude weathering recorded in magnetic mineral changes across the late Paleozoic glacial–nonglacial transition

　　

瓜达鲁普统P3与乐平统P4冰期之间的非冰期时段代表了晚古生代冰期(LPIA)由冰室向温室条件的关键转变，然而低纬度区域的响应机制仍存在争议。研究人员基于华南凤山剖面（瓜达鲁普统—乐平统界线标准辅助界线层型）的旋回地层与环境磁学分析，构建了跨越P3–P4转换的高分辨率环境重建记录。利用405-kyr长偏心率周期建立天文时间标尺(ATS)，并以赤铁矿(Hematite)浓度主导信号示踪大陆化学风化强度。综合研究表明，风化演化可划分为三个阶段，界线分别位于约262.2 Ma和约260.1 Ma：阶段I（P3冰期衰退期）以化学风化减弱、赤铁矿略有下降为特征；阶段II（非冰期）始于中等风化，随后出现快速波动，与海退及火山活动初始启动同步；阶段III（P4冰期初始）赤铁矿浓度突增3.5–4倍，指示峨眉山大火成岩省(ELIP)玄武岩剥蚀驱动的风化大幅增强。研究人员推断，峨眉山玄武岩的强烈化学风化而非火山CO2直接排放，可能放大了CO2消耗，促进全球降温并助益P4冰期启动。上述发现支持风化波动（最终关联深部地球过程）是晚古生代冰期—非冰期转换的重要促成因素。

研究背景与问题提出

晚古生代冰期(LPIA, ~340–254 Ma)是显生宙历时最长的冰期时段，其P3与P4冰期之间发育约2 Myr的非冰期。既往研究虽指出低纬度化学风化在P3衰退期偏弱、非冰期增强，但受同期最大规模海退造成的沉积间断影响，连续完整的P3–P4剖面极少，且低纬度如何响应冰期—非冰期转换仍存争议。凤山剖面作为瓜达鲁普统—乐平统界线(GLB)标准辅助界线层型(SABS)，保存完整牙形石序列与浅水碳酸盐平台沉积，为高精度重建该转换提供了关键载体。研究人员通过开展旋回地层学与环境磁学交叉研究，旨在以赤铁矿(Hematite)为风化代理，揭示低纬度风化演化及其与深部过程（峨眉山大火成岩省ELIP）的耦合机制。

主要技术方法概述

研究人员在凤山剖面茅口组上部至合山组下部以5–15 cm间隔采集476块无可见成岩改造碳酸盐样品，加工为标准圆柱样供环境磁学测试；同时选样进行磁性矿物学鉴定。磁性矿物学分析采用振动样品磁强计(VSM3900)获取室温磁滞回线、等温剩磁(IRM)获得与退磁曲线，并利用三正交分量IRM逐步热退磁（Lowrie法）判别载磁矿物。环境磁学测定低频/高频磁化率(χ_lf/χ_hf)、非滞后剩磁(ARM)、饱和等温剩磁(SIRM_2.5T)、硬剩磁(HIRM_300mT)及S-ratio、L-ratio等参数。时间序列分析以χ_lf为主，经LOESS去趋势后采用2π多锥谱(MTM)、进化快速傅里叶变换(eFFT)、COCO/eCOCO及TimeOpt统计建模，以405-kyr长偏心率周期锚定天文时间标尺(ATS)，并依托GLB高精度U-Pb年龄259.857±0.084 Ma标定绝对年代。

研究结果

4.1 旋回地层结果

研究人员在χ_lf序列中识别出~16.6–8.2 m、2.9–2.2 m、0.7 m及0.32–0.23 m优势周期，超越99%红噪置信水平，并与HIRM、ARM代理谱峰一致。经eCOCO统计优选~2 cm/kyr沉积速率，将~16.6–8.2 m周期对应于405-kyr长偏心率，短周期分别对应短偏心率、斜率与岁差。锚定GLB年龄后，研究区间限定为262.96±0.22 Ma至259.53±0.22 Ma，建立浮动ATS。

4.2 磁性矿物学属性

室温磁滞回线呈高矫顽力(225–580 mT)矩形状，IRM在1.5 T未饱和、剩磁矫顽力370–650 mT；三正交IRM热退磁显示硬矫顽力分量在600–650 °C解锁，无120–200 °C陡降（排除针铁矿），证实赤铁矿为优势载磁相，少量样品软矫顽力分量解锁于400–585 °C指示零星磁铁矿存在。

4.3 磁性参数变化

依ATS将记录划为三阶段：阶段I(ca. 263.0–262.0 Ma)χ_lf缓升后略降，HIRM_300mT与SIRM微降，磁铁矿代理(ARM/SIRM)略升，反映赤铁矿与总磁量微减、磁铁矿稍增；阶段II(ca. 262.0–260.2 Ma)χ_lf波动，HIRM_300mT总体缓降，S-ratio低位稳定(~0.2)，赤铁矿主导且浓度起伏；阶段III(_lf、χ_hf、SIRM_2.5T、HIRM_300mT骤增3.5–4倍，ARM/SIRM与S-ratio下降，赤铁矿浓度剧增、磁铁矿占比降。

讨论部分总结

研究人员指出赤铁矿浓度在浅水氧化碳酸盐台地中主要受陆源剥蚀输入控制（L-ratio稳定~0.83排除粒度干扰，岩石学与极性数据排除成岩CRM主导），可作为大陆化学风化强度可靠代理。阶段I对应P3衰退，风化减弱（CIA_corr<70佐证）；阶段II非冰期中等风化伴快速波动，与海退、全球升温>4 °C及火山活动相关，pCO₂由~700 ppm降至~500 ppm；阶段III赤铁矿突增与ELIP主幕(260.4–259.4 Ma)同步，研究人员认为赤道湿润区ELIP玄武岩强烈化学风化放大硅酸盐风化CO₂消耗（可达赤道带1.8–2.5倍），而非火山直排CO₂（ELIP碳量~10,000 Pg C、速率0.056 Pg C/yr不足驱动气候），从而下调pCO₂促发P4冰期。作者亦明示相关不等于因果，海退、有机碳埋藏等可为协同因素，需锂同位素等独立代理与气候模型验证。

结论部分翻译

华南凤山SABS剖面磁性矿物变化揭示了LPIA期间P3–P4冰期转换低纬度风化的深刻改变：P3衰退期风化渐弱；非冰期初始中等风化，继以快速波动，末段与海退及火山活动重合；P4启动以赤铁矿浓度3–4倍增加所示增强风化为标志，暂归ELIP剥蚀所致。气候—生物—地质事件相关分析进一步暗示深部地球过程或为地表扰动根本因素，但风化—火山—构造因果链仍需独立代理与定量模型评估。

（该文发表于《Global and Planetary Change》）