利用温度依赖性热物性重新评估大火成岩省侵位过程中的热成因脱碳

《Geochemistry, Geophysics, Geosystems》：Re-Evaluating the Thermogenic Decarbonation During Large Igneous Provinces Emplacement Using Temperature-Dependent Thermal Properties

　　

大火成岩省（Large Igneous Provinces, LIPs）的侵位通过快速碳释放驱动了大规模灭绝事件，但岩浆脱气与热成因脱碳的相对贡献仍存在争论。在此，研究人员将温度依赖性热参数纳入侵入岩床周围接触变质作用的模型。研究表明，以往的恒定参数模型由于高温热绝缘效应，高估了无机脱碳量36%–50%，而有机碳生成估算仍然稳健，差异低于10%。修正后的热成因碳预算与碳同位素质量平衡约束相结合，揭示了在二叠纪末和三叠纪末危机期间，大多数合理的碳同位素漂移（carbon isotope excursion, CIE）幅度、火山碳释放量和火山碳同位素组成组合中，热成因碳占总释放碳的比例低于50%。这表明直接的岩浆脱气是主要的碳源，强调了地幔来源挥发分在塑造地球气候敏感性中的关键作用。

大火成岩省（LIPs）是显生宙多次生物灭绝事件的重要触发因素，其致灾机制通常被归因于快速碳释放引发的全球变暖、海洋酸化和缺氧。然而，碳的主要来源究竟是岩浆直接脱气，还是岩浆侵入富含碳沉积盆地时烘烤围岩产生的热成因碳，长期存在争议。以往定量模型多假设沉积岩和岩床的热导率（k）与比热容（c_p）为常数，但高温实验已表明这些热物性参数随温度显著变化。针对这一物理简化可能带来的偏差，研究人员将温度依赖性热参数引入接触变质热扩散模型，系统评估了其对热成因碳生成量的影响，并重新约束了二叠纪末（P-T）和三叠纪末（T-J）碳源贡献。相关成果发表于《Geochemistry, Geophysics, Geosystems》。

研究人员基于开源Julia包MagmaThermoKinematics.jl，采用有限差分法求解含潜热项的二维热扩散方程，构建了标准化的单岩床侵入模型（尺寸2100 m×800 m，网格2 m，背景温度75°C，压力1000 bar，对应约3 km埋深；岩床厚100 m，初始温度1150°C）。主要技术方法包括：①温度依赖性热物性模型——沉积岩（碳酸盐岩、页岩、盐岩）热导率按Clauser-Huenges经验公式、比热容按Waples-Waples多项式计算；岩床比热容采用Maier-Kelley多项式，热导率由热扩散率-密度-比热容关系得出。②碳释放量化——无机碳利用Perple_X计算的热力学相图（马里亚纳硅质灰岩）确定；有机碳采用Easy%Ro模型，以镜质体反射率（%Ro>1）为裂解阈值，TOC损失全部转化为CH₄并折合为CO₂当量。③碳同位素质量平衡建模——联合背景碳库、CIE幅度、火山碳释放量及同位素组成，计算热成因碳贡献范围。无额外样本队列来源。

### 3.1 脱碳对热参数的敏感性

通过单参数敏感性测试，研究人员发现无机脱碳量对岩床和围岩的c_p和k高度敏感，线性参数变化引起非线性响应。例如，当岩床c_p从780增至1165 J kg^?1 K^?1时，西伯利亚碳酸盐岩的无机脱碳量从9.9增至13.5 ton/m²；而当围岩c_p从780增至1231 J kg^?1 K^?1时，CAMP情景的脱碳量从10.4降至5.0 ton/m²，降幅超过50%。单参数温度依赖模型与常数模型的偏差方向不固定，最大可达约50%，这表明必须建立全面温度依赖模型。

### 3.2 温度依赖与常数模型的脱碳差异

当岩床和围岩的k、c_p均设置为温度依赖时（Full T-dependent），与全常数模型相比，西伯利亚暗色岩和CAMP的无机脱碳量分别被高估50%和36%。这一差异源于高温热绝缘效应：高温下岩石热导率降低而比热容增大，导致热扩散率显著下降，热量被限制在岩床接触带附近，高变质晕（第二变质带）空间收缩。尽管峰值CO₂生成量仅从15.39 ton/m²小幅降至14.85 ton/m²，但脱碳区域横向投影面积减少45%，从而大幅降低总无机脱碳量。

### 3.3 碳同位素质量平衡模拟

利用修正系数，CAMP热成因碳生成潜力修正为20,000 Gt C，西伯利亚暗色岩修正为27,500 Gt C（中点值）。热成因碳源δ¹³C经混合计算分别为?30.7‰（P-T）和?23.6‰（T-J）。碳同位素质量平衡模拟显示，在释放分数0≤x≤70%的现实范围内，约83%的可行解中热成因碳贡献低于50%。进一步改变火山碳同位素组成（?10.5‰、?5.0‰、?3.6‰）后，CAMP和西伯利亚暗色岩分别有平均86%和96%的可行参数空间显示最大热成因贡献低于50%，因此火山碳在大多数参数组合下占主导。

讨论部分指出，热绝缘效应是修正无机脱碳量的核心机制。无机脱碳依赖于中高温温度阈值（431°C和569°C），因此对热参数敏感；而有机脱碳阈值较低、温度适应范围宽，受温度依赖影响小（平均差异<10%）。同时，热成因碳生成后还需经历有限的释放效率（≤70%）。综合修正后的生成潜力和碳同位素约束，热成因碳在P-T和T-J事件碳预算中占比低于50%，而岩浆直接脱气贡献超过50%。

研究结论翻译如下：通过将温度依赖性热参数与以往的常数参数进行对比，研究人员重新评估了LIP驱动的脱碳过程。结果揭示了一种热绝缘效应——高温下热扩散率降低使热量聚集在岩浆接触带附近，导致高品位变质晕空间收缩。这一物理精细化表明，先前对西伯利亚暗色岩和CAMP的无机脱碳估计分别被高估了50%和36%。相比之下，先前对有机碳生成量的估计仍然大致稳健，在不同岩性中平均差异小于10%。因此，修正后的碳生成潜力（西伯利亚暗色岩27,500 Gt，CAMP 20,000 Gt）表明，在大多数可行参数空间内（西伯利亚暗色岩96%，CAMP 86%），热成因来源对拟合观测到的碳同位素漂移所需总碳预算的贡献低于50%。最终，这些结果揭示，岩浆脱气而非沉积岩烘烤是二叠纪末和三叠纪末环境灾难的主要驱动因素，这需要对LIP挥发分清单及其在触发全球生物危机中的作用进行根本性重新评估。