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科研快讯 三叠纪与侏罗纪之交火山活动引起陆地化学风化和碳循环波动

发布日期: 2022-01-20 阅读次数:
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沈俊

地球深部演化过程对表层系统的影响是当今地球系统科学研究的难点和热点。火山活动是地球深部对地表系统输送物质和能量的重要方式,是联系地球深部和表层系统的重要桥梁。火山活动对地球表层系统的影响过程非常复杂,地表不同圈层对其响应的过程和机制差异很大。陆地系统由于缺乏海水的缓冲体量,受火山活动的影响会更灵敏,更直接,更显著。火山活动引起的一系列环境异常变化(比如臭氧层破坏、高温、酸化等)首先影响的是陆地系统(图1)。因此,陆地系统是探究火山作用对地表圈层影响最直接的载体。同时,陆地系统的破坏还会进一步引起或加重海洋系统的波动。比如,由火山作用引起的高温、酸化等会引起陆地风化作用增强,会增大陆源物质的输入量,进而影响海洋表层生产者的演变。所以,陆地系统又是衔接火山作用对海洋系统影响的重要环节(图1)。然而,由于沉积环境和保存的原因,陆相地层中火山活动的识别比海相地层更困难,严重制约着火山活动对陆地生态系统影响的高精度对比研究。

图1 火山作用引起的大气圈、陆地圈、海洋圈和生物圈系列连锁反应


距今约两亿年前的三叠纪与侏罗纪之交是地球演化过程中重大地质突变期之一。该时期,大规模的火山活动(中大西洋火成岩省,Central Atlantic Magmatic Province,简称CAMP,图2)引起强烈的气候环境波动,导致大规模的海洋和陆地生物灭绝,致使地球系统从内到外的系列变化,是研究地球深部演化对地表系统影响的关键时期。CAMP喷发主幕历时近60万年的时间(Blackburn et al., 2013),形成了横跨北美、南美、非洲和邻近联合大陆(简称为盘古大陆)地区的大规模岩浆沉积(图2)。火山活动向大气中排放了大量的CO2和甲烷气体,造成了全球范围内的大气CO2浓度升高和碳同位素快速波动(Ruhl et al., 2020; Lindström et al., 2021)。不断增加的大气CO2等温室气体,造成了全球变暖、海洋缺氧和海水酸化等,并造成侏罗纪早期大陆化学风化作用增强(Lindström et al., 2021)。但是,有关火山作用、碳同位素负偏和大陆化学风化作用之间内在的联系,在很大程度上是理论推断的,迄今尚缺乏三者协同演变的有力证据。其主要的难点在于火山沉积记录的不完整性:火山活动形成的碱性熔岩和火山黏土岩往往只在喷发区附近分布,而在远离火山喷发区缺乏火山活动的直接记录。最好的解决方法就是在碳同位素和化学风化记录完整的沉积物中找到火山活动的合适替代指标。

近年来,汞元素被广泛用来指示地质历史时期沉积物中古火山记录(详情见《沉积之声》前期推文:汞元素示踪二叠纪与三叠纪之交沉积物中火山活动,2020-04-01)。由于汞的特殊性质,使其可以通过大气环流在短时间内进行全球范围分布(0.5至2年)。同时,其在海洋中的居留时间很短(101-102年),可以很快从海水中移除并沉淀到沉积物中。相对于其它古火山替代指标,汞元素可以在大气中进行长距离传输,然后沉积下来,有利于在大范围的地层中保存,进而记录火山活动。再者,汞同位素,特别是奇数非质量分馏,在陆地系统、海洋系统和火山来源具有显著的同位素组成,可以很好地示踪汞元素的来源。所以,汞元素浓度和同位素异常记录已被广泛用来示踪地质历史时期沉积物中的火山记录(Grasby et al., 2019; Shen et al., 2020)。近年来,对三叠纪与侏罗纪之交沉积物的火山记录已经开展了大量的汞记录研究(Thibodeau et al., 2016; Percival et al., 2017),但相关研究主要集中在靠近CAMP喷发区域的盘古大陆中心地区,对远离喷发中心的特提斯东缘地区研究缺乏(图2)。同时,该时期汞记录研究主要集中在海相地层,对陆相沉积物中的汞元素记录关注度不够(图2),制约着探究该时期火山活动对全球范围内不同圈层影响的精细研究。

图2 研究剖面(黄色五角星)的古地理位置图,圆圈和正方形分别表示已经报道的海相和陆相汞记录剖面

 

为了探究CAMP对全球陆地系统的影响,近期的一项工作选取远离CAMP喷发区的中国地区(特提斯洋东缘)开展了系统的研究(Shen et al., 2022)。论文选取新疆准葛尔盆地郝家沟和华南四川盆地七里峡两个剖面为研究对象、借助汞含量及其同位素、碳同位素、化学风化指标(CIA)和黏土矿物组成等指标,探究了三叠纪与侏罗纪之交陆地沉积物中火山活动的记录及陆地风化对其的响应,同时,利用气候模型(Long-term Ocean-atmosphere-Sediment Carbon cycle Reservoir Model,简称LOSCAR)模拟了地球表层系统对该时期碳循环波动的响应,并将之与沉积记录进行了对比。选择研究对象基于以下三点考虑:1)剖面位于特提斯域,远离CAMP的喷发区域, 可以探究该时期CAMP对全球范围的影响(图2);2)得益于国内科学家数十年的研究,我国三叠系与侏罗系之交陆相地层具有非常好的古生物学、沉积学和地层学等研究基础(Wang et al., 2010; Sha et al., 2015)。研究剖面沉积地层相对连续、保存好且研究程度高(图3),尤其是天文轨道旋回的识别使得剖面具有较好的年代地层框架,对火山事件、气候环境和生物灭绝的发生、持续时间等提供较好的时间约束(图4);3)研究剖面古地理位置分别位于高纬(郝家沟剖面)和中低纬(七里峡剖面)地区,这为对比火山活动对不同纬度气候环境影响程度提供了可能(图1)。

图3 新疆准噶尔盆地郝家沟剖面(上)和四川盆地宣汉剖面(下)


火山活动对碳同位素和陆地化学风化作用产生重大影响。碳同位素是用来开展沉积地层中地层对比的有效手段之一。郝家沟和七里峡剖面在灭绝界线附近都记录了典型的三幕式碳同位素负偏,包括Precursor carbon isotope excursion (PCIE), Initial carbon isotope excursion (ICIE), 和Main carbon isotope excursion (MCIE)(图4a, g)。这些碳同位素负偏和全球其他剖面有很好的对应关系(Ruhl et al., 2020; Lindström et al., 2021),说明两个剖面保存了完整的三叠纪-侏罗纪界线事件记录。其次,两个研究剖面在生物灭绝事件界线附近都记录了明显的汞富集,指示汞异常事件(图4b, c, h, i)。同时,汞同位素记录(图4d, j),表明汞富集主要是火山喷发和陆源输入共同引起的(图5)。另外,化学风化指数(图4e, k)和高岭土含量(图4f, l)在汞富集层位附近表现出明显的升高,表明该时期化学风化强度明显加强。通过高精度的研究发现,在远离CAMP喷发地区的特提斯东缘陆相地层中汞元素记录对生物灭绝界线附近火山活动有很好的示踪,强烈的火山活动引起了显著的有机碳同位素负偏和陆地化学风化强度的变化。

 

图4 研究剖面火山活动、碳同位素、化学风化速率等记录 


高纬度陆地系统对火山喷发引起的气候波动响应更灵敏。虽然CAMP基岩喷发主要位于中低纬度(图2),但是其释放的气体物质可以通过大气传输,从而引起的全球范围内地表环境剧烈波动。比如大量CO2的释放,会引起大气CO2浓度的升高,从而引起全球的气温升高(Schaller et al., 2011)。如上所述,由于汞也是通过大气传输,且在地表循环非常快(101-103年),因此其可以作为沉积物中高分辨率(103-105年尺度)的地层对比指标(Shen et al., 2019)。高纬度郝家沟剖面化学风化强度开始升高与汞峰值几乎同时(图4),但是,位于中低纬的七里峡剖面化学风化强度增大滞后于汞含量峰值约20万年,表明火山活动引起的化学风化强度增大在高纬度响应更灵敏。这与现代地球由于大气CO2浓度升高引起的高纬度地区更大幅度的升温有很好的类比性(“高纬度放大效应”,Bekryaev et al., 2010)。所以,火山活动对表层系统的影响非常复杂,不同纬度带的陆地生态系统对火山作用引起的气候环境变化响应的敏感性有很大的差别。

图5 汞同位素示踪研究剖面的汞来源 


陆地化学风化作用是地球大气CO2浓度和表层温度自我调控、维持稳定调的重要方式。地球是一个具有自我调节能力的有机整体,例如当大气温度由于CO2等温室气体快速升高时,地球表层系统就会启动一系列自我反馈和调节机制,而通过增大陆地化学风化的强度来消耗过量的大气CO2往往是其中最为及时和高效的调节手段。在高的大气系统CO2浓度和高温的情况下,陆地系统通过增强陆地化学风化强度,消耗大气中的CO2,从而保持大气系统CO2浓度和温度的稳定和平衡。三叠纪与侏罗纪之交大气CO2浓度有很好的限定,其浓度从CAMP喷发之前的2000 ppmv升高到CAMP喷发之后的4000-6000ppmv(Schaller et al., 2011)。郝家沟剖面记录显示,化学风化强度在火山喷发之后的100-200万年里均呈现高峰状态,并在之后出现了降低(图4),而这一地质记录与LOSCAR模型模拟的结果不谋而合(图6),说明在三叠纪与侏罗纪之交的CAMP(和同期火山作用)带来的过量CO2需要> 100-200万年才逐渐消耗完,而也是在这么长的时间之后陆地生态系统才得以逐渐恢复比较平衡的状态。可见,陆地化学风化作用的加强对当时地表系统平衡的恢复和维系功不可没。

图6 LOSCAR模型模拟由于硅酸盐化学风化加强引起的大气CO2浓度降低,其中图中阴影部分表示模型结果和郝家沟化学风化强度有很好的对应性

 

该研究的创新性主要体现在: 1)在远离CAMP喷发区域的特提斯东缘地区也具有显著的火山活动信号,说明在三叠纪与侏罗纪之交的火山活动影响可能扩大到全球范围;2)作为对火山活动的响应,陆地化学风化强度在三叠纪与侏罗纪之交出现明显的增大,并且高纬比中低纬地区的响应程度更灵敏;3)陆地化学风化是该关键转折期地球系统自我调节和吸收大气CO2、增加碳汇的重要途径。

虽然CAMP的喷发引起了该时期CO2浓度的大幅度升高,并引起了一系列的环境和生物扰动。但是关于大量CO2的来源还存在很大的争议。其主要是来自火山气体的直接贡献(Capriolo et al., 2020),还是由于岩浆上升过程中加入有机质富集沉积物所致(Heimdal et al., 2020)?需要更多的工作跟进。

 

本文第一作者系中国地质大学(武汉)教授。本文属作者本人理解,相关问题交流可通过邮箱shenjun@cug.edu.cn与本人联系。欲知更多详情,请进一步阅读相关原始文献。

 

主要参考文献:

[1] Bekryaev, R. V., Polyakov, I. V. & Alexeev, V. A. Role of polar amplification in long-term surface air temperature variations and modern Arctic warming. J. Clim. 23, 3888-3906 (2010).

[2] Blackburn, T. J. et al. Zircon U-Pb geochronology links the end-Triassic extinction with the Central Atlantic Magmatic Province. Science 340, 941-945 (2013).

[3] Capriolo, M. et al. Deep CO2 in the end-Triassic Central Atlantic Magmatic Province. Nat. Commun. 11, 1670 (2020).

[4] Grasby, S. E., Them II, T. R., Chen, Z., Yin, R. & Ardakani, O. H. Mercury as a proxy for volcanic emissions in the geologic record. Earth-Sci. Rev. 196, 102880 (2019).

[5] Heimdal, T. H., Jones, M. T. & Svensen, H. H. Thermogenic carbon release from the Central Atlantic magmatic province caused major end–Triassic carbon cycle perturbations. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A 117, 11968-11974 (2020).

[6] Lindström, S. et al. Tracing volcanic emissions from the Central Atlantic Magmatic Province in the sedimentary record. Earth-Sci. Rev. 212, 103444 (2021).

[7] Percival, L. M., Ruhl, M., Hesselbo, S. P., Jenkyns, H. C., Mather, T. A. & Whiteside, J. H. Mercury evidence for pulsed volcanism during the end–Triassic mass extinction. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A 114, 7929-7934 (2017).

[8] Ruhl, M. et al. On the onset of Central Atlantic Magmatic Province (CAMP) volcanism and environmental and carbon-cycle change at the Triassic–Jurassic transition (Neuquén Basin, Argentina). Earth-Sci. Rev. 208, 103229 (2020).

[9] Schaller, M. F., Wright, J. D. & Kent, D. V. Atmospheric pCO2 perturbations associated with the Central Atlantic magmatic province. Science 331, 1404-1409 (2011).

[10] Sha, J. et al. Triassic–Jurassic climate in continental high-latitude Asia was dominated by obliquity-paced variations (Junggar Basin, Ürümqi, China). Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 112, 3624-3629 (2015).

[11] Shen, J. et al. Evidence for a prolonged Permian–Triassic extinction interval from global marine mercury records. Nat.Commun. 10, 1563 (2019).

[12] Shen, J. et al. Sedimentary host phases of mercury (Hg) and implications for use of Hg as a volcanic proxy. Earth Planet. Sci. Lett. 543, 116333 (2020).

[13] Shen, J. et al. Intensified continental chemical weathering and arbon-cycle perturbations linked to volcanism during the Triassic–Jurassic transition. Nat. Commun. 13, 299 (2022).

[14] Thibodeau, A. M. et al. Mercury anomalies and the timing of biotic recovery following the end-Triassic mass extinction. Nat. Commun. 7, 11147 (2016).

[15] Wang, Y.D. et al. The terrestrial Triassic and Jurassic Systems in the Sichuan Basin, China, 1–216. Hefei: University of Science and Technology of China Press (2010).

 

 

 


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