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大规模火山活动扰动了石炭纪-二叠纪的冰室气候

已有 460 次阅读 2020-3-25 13:43 |个人分类:科研快讯|系统分类:科研笔记|关键词:学者

原创:杨江海


地球环境的演变强烈影响着各种生物的繁衍生息,制约着人类文明的形成和发展。地球有自己的喜怒哀乐,也非常容易情绪化,发起怒来就会给环境带来巨大的改变。在地球情绪不平稳时,就会以地震、火山等多种方式来表达自己内心的愤怒。火山喷发是地球向外释放能量和物质的重要途径,维系着地球的内部与表层的动态平衡。有详细文字记载的火山爆发可以追溯到公元79年意大利的维苏威火山(Vesuvius),其导致的结果就是大家所熟知的、被埋没的庞培古城。人类观察到的最为猛烈的火山喷发是1815年苏门答腊岛的坦博拉(Tambora) 火山(图1),这次火山爆发使次年 (1816年) 成为“无夏之年”,被认为改变了世界近现代的政治和文明演化。第四纪地质记录表明,发生在7.4万年前的托巴 (Toba) 火山则是人类史上的一次超级大火山喷发,这次大规模的火山活动导致地球气候环境的显著变化,让地球平均气温降低了~5 ℃,持续了约6年时间,可能使地球进入了新的冰川期,也可能导致了当时地球上人类的大规模死亡(Ambrose, 1998)。


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图1 苏门答腊岛1815年坦博拉火山喷发素描图(引自网络https://www.sohu.com/a/216514796_608912)

 

火山活动主要通过岩浆释气作用和硅酸盐化学风化作用来驱动气候的变化(图2)。岩浆喷发形成大量火山灰,并释放CO2SO2H2S等气体。剧烈的火山喷发可以将含硫气体和灰尘输送到高空中,含硫气体最终在大气中转变为硫酸盐气溶胶,可以阻挡太阳光的辐射,导致地球发生几周到几年的气候变冷,形成火山冬天。玄武岩喷发和岩浆作用释放大量CO2气体可提高大气中CO2的浓度,因温室效应会使地球发生几年到几千年的气候变暖。持续的、大规模的火山岩浆释气是导致地球气候变化的重要因素。在另一方面,火山活动为地表带来了大量新鲜的火山岩,这些火山岩特别是玄武岩具有比花岗岩更高 (>5-10倍,Dessert et al., 2001) 的化学风化速率。硅酸盐矿物如长石,它们在化学风化过程中会消耗CO2气体,快速的化学风化可以使大气CO2浓度降低,从而导致长时间尺度(>105年)的气候变冷(图3)。


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图2 火山向大气中输送的含硫气体及其辐射效应 (修改自Robock, 2000)


根据地质学家的研究,大规模火山岩浆活动可以发生在洋中脊、大洋俯冲带、裂谷、板内等多种构造环境,而对于短时间内(通常几个百万年内)的巨量(百万平方公里或百万立方公里尺度)火山喷发和岩浆侵入,被地质学家称之为大火成岩省。在地球演化过程中,发生了多次的大火成岩省事件,比如16.5百万前的Columbia River、66百万年前的Deccan、201百万年前的中大西洋岩浆省(CAMP)、251百万年前的Siberian、260百万年前的峨眉山等,导致了当时的气候和环境的重大变革、甚至生物的大规模绝灭。科学家进一步研究发现,Columbia River、Deccan、CAMP和Siberian等大火成岩省的形成都对应于快速的气候变暖,并且认为Deccan和CAMP等大火成岩省因玄武岩的快速化学风化最终导致了气候变冷(Dessert et al., 2001; Schaller et al., 2012)。那么,怎样在地质记录中识别大火成岩省驱动的快速气候变化呢?最近,中国地质大学(武汉)杨江海博士及其合作者在EPSL上发表了一篇文章(Yang et al., 2020),揭示了3亿年前的气候波动及其与Skagerrak大火成岩省之间的成因联系。


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图3 不同气候反馈机制的典型时间尺度(修改自Rohling et al., 2012)


让我们回到3亿年前石炭纪-二叠纪之交的地球。当时,高纬度地区覆盖着茫茫白雪,凛冽的寒风呼啸着,巨厚的冰川吞噬着大地,低纬度地区却是鸟语花香、树木繁茂。但在3亿年前,地球的各个大陆是聚集在一起的,从南极一直可以连续延伸至北极附近,形成了面积巨大的Pangea超大陆。在这一时期,你可以从伦敦开车前往纽约开会,也可以从新德里开车到悉尼观看盛大演出。在这一时期,我们中国的华北和华南地区则是分散在热带海洋之中的两个孤岛(图4),与Pangea超大陆间隔着一个被地质学家称之为特提斯的海洋,要从北京到南京、或武汉、或成都则需要坐船乘风破浪、跨越海洋。科学家成功利用了海洋钙质沉积物(碳酸盐岩、生物壳等)的氧同位素组成来估算出海水的古温度变化,相比而言定量约束陆地表层古温度变化的难度要大很多。获得地质历史时期高分辨的陆地古温度变化一直是地学的一大难题。杨江海等人研究了华北南部较为连续的石炭纪-二叠纪泥岩记录,通过高精度CA-TIMS(化学剥蚀-热电离质谱)锆石U-Pb同位素定年建立了~302-290 Ma的精细地层格架(图5),并通过泥岩化学风化指数重建了华北地区在石炭末-二叠纪早期的陆地古温度变化。


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图4 (左)3亿年前全球古地理和古板块重建图和(右)河南禹州剖面的本溪组和太原组


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图5 华北南部石炭-二叠纪之交的高精度年代地层格架


泥或者泥岩主要来源于陆地表层土壤的风化剥蚀,其化学风化指数(如化学蚀变指数CIA、Na风化指数αAlNa、Na亏损指数τNa)被用来定量示踪物源区的化学风化强度。现代大型河口泥质沉积物的研究表明,其化学风化指数所指示的化学风化强度与流域的纬度和表层温度具有很好的相关性 (Li and Yang , 2010),即流域的纬度越低、表层温度越高,所产生的河口泥的化学风化强度越高。关键带的实验数据和模型分析发现,在低山丘陵剥蚀区,花岗质岩石基本遵循供给限制型风化机制 (Ferrier et al., 2016 ),其表层土壤的化学风化强度不受剥蚀速率的约束,而与气候条件有很大的关系。基于全球花岗质基岩表层土壤风化强度、剥蚀速率气候条件即温度和降雨量等数据收集和分析,Yang et al. (2016) 研究发现,在剥蚀速率<100米/百万年和降雨量>400毫米/年的地区,表层土壤的化学风化强度τNa与陆表温度MAT呈正相关关系,建立了MAT = -24.2 × τNa - 0.9陆表温度重建的经验公式。综合现代河口-滨岸沉积和关键带风化研究成果综合来看,可以通过河口-滨岸泥质记录的τNa值来示踪对应流域表层土壤的化学风化强度,进而依据τNa-MAT的转换方程来定量估算物源区的陆地表层古温度。华北石炭纪末-早二叠世的泥岩主要沉积于滨岸-三角洲环境,由河流从临近的泄水区搬运而来,基于泥质岩化学风化强度与陆地温度之间的关系,杨江海等人重建了华北南部三亿年至两亿九千万年约一千万年的陆地表层古温度(图6)。


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图6 华北永城盆地石炭纪末-早二叠世的化学风化趋势、陆地古温度及其与同期南非Karoo盆地沉积序列、热带海水O-Sr同位素和Skagerrak大火成岩省(LIP)形成时代对比


在高精年代地层格架下,重建的陆地古温度变化显示了在石炭纪末-二叠纪初(~299.5-296.5 Ma期间)发生了快速的先变暖、后变冷的气候波动,形成 ~298.5-297.5 Ma的气候暖期(climate optimum)。低纬和中高纬区的海洋化石组合、北美西南部的古土壤和华南牙形石氧同位素也表明在石炭-二叠纪之交发生了快速的气候变暖。南美洲东部在~299-298 Ma结束了冰川活动,非洲南部在~299-297 Ma也发生了大规模的冰川消融,同时整个冈瓦纳大陆在这一时期发生了广泛的海侵,全球海平面在石炭-二叠纪之交也表现为快速海侵,形成~297.5Ma的高海平面。在随后的气候变冷时期,南非再次出现了冰碛沉积和冰川扩张,整个冈瓦纳大陆迎来了早二叠世的冰川最强盛期,大陆冰盖达到最大规模。石炭-二叠纪之交气候变暖之后紧随发生了气候变冷,这与地质历史时期其他大火成岩省喷发(如Deccan和CAMP大火成岩省)导致的气候扰动很一致(Dessert et al., 2001; Schaller et al., 2012)。

在石炭-二叠纪之交,位于今天的欧洲西北部地区(大致对应于英国北部、法国、德国、挪威南部和瑞典南部等地)发生了大规模的玄武质火山、岩浆活动和酸性火山喷发。尽管有不同的认识,Ernst R.和Torsvik T.H.将这一地区石炭-二叠纪之交的火山、岩浆活动命名为Skagerrak或Skagerrak-Centered大火成岩省 (LIP)。根据现有的放射性同位素年龄,Skagerrak大火成岩省的岩浆活动形成于一个从石炭纪中期到早二叠世比较宽泛的时期内,但高精度U-Pb和Ar-Ar定年将Skagerrak大火成岩省玄武质火山、岩浆活动的主期约束在~300-298 Ma不到两百万时间内,与石炭-二叠纪之交的气候变暖事件在时间上有很好的对应关系。地质时期火山喷发CO2的释放量是很难进行精确估算的,通过体积类比发现Skagerrak大火成岩省玄武岩喷发可能释放了1.4-2.1 × 103 GT的CO2气体,而相伴发生的大规模基岩岩脉侵入可能会通过加热围岩富碳地层而释放更多的CO2气体。因此,Skagerrak大火成岩省可能通过火山、岩浆排放大量CO2温室气体,导致了石炭纪-二叠纪之交的气候变暖。

那么随后的气候变冷是否与Skagerrak大火成岩省玄武岩快速化学风化有关呢?首先,Skagerrak大火成岩省形成于北纬10度左右的热带潮湿气候区;其次,前人研究的火山序列说明Skagerrak大火成岩省的玄武岩喷发后遭受了地表的风化剥蚀。因此,Skagerrak大火成岩省玄武岩在喷发后有可能发生了快速的化学风化。海水Sr同位素组成是热液Sr和陆源Sr混合的结果,前人报道了早二叠世牙形石Sr同位素组成,指出海水Sr同位素组成在~298.5-298 Ma间发生了非常快速的降低,降低的速率是早二叠世海水Sr同位素比值降低速率的2-8倍。这一海水Sr同位素比值的快速降低很难用热液非放射性成因Sr输入的快速增大和陆源放射性成因Sr输入的快速减少来解释。有趣的是,这一海水Sr同位素比值的快速降低发生在Skagerrak大火成岩省玄武岩大规模喷发之后,且Skagerrak大火成岩省玄武岩具有非常低的87Sr/86Sr值(0.703-0.705),因此Skagerrak大火成岩省玄武岩的快速化学风化可以很好地解释早二叠世初期海水Sr同位素比值的快速降低。如果这一解释正确,Skagerrak大火成岩省玄武岩喷发后的快速化学风化可以消耗CO2气体,从而可能导致大气CO2浓度的降低和气候变冷。

这一研究从建立高精度年代地层格架和估算陆地古温度出发,通过对比大火成岩省的CO2释气作用和玄武岩化学风化作用,揭示了迄今3亿年前的地球冰期气候变化与Skagerrak大火成岩省之间的成因联系,支持大火成岩省可以导致显著气候变化的观点和认识。

 

本文作者系中国地质大学(武汉)副教授

本文属作者本人理解,欲知更多详情,请进一步阅读相关原始文献。阅读原文


知识BOX

   化学风化指数是用来衡量风化壳、地表土壤/古土壤和陆源碎屑沉积物或岩等风化产物化学风化强度的指标。

   风化产物的矿物组成也可以用来指示其化学风化强度,如高岭石含量、高岭石/蒙脱石含量比值、石英/长石含量比值等等;‍‍‍

   风化产物的同位素组成也可以用来指示其化学风化强度,如锂同位素(δ7Li)、镁同位素(δ25Mg)、硅同位素(δ30Si)等;

   但常用的化学风化指数一般由风化产物的元素含量来计算,包括易溶元素含量的加和,如Paker指数PIA、古土壤风化指数PWI等,包括简单的元素含量比值,如K/Al、Rb/Sr、Na/K等,也包括按照特定公式计算的元素含量比值,如化学蚀变指数CIA及其多种变形、Na风化指数αAlNa、Na亏损指数τNa等。

   有些化学风化指数的计算不需要知道母岩的化学组成,如CIA等,而有些化学风化指数则需要母岩的化学组成才能计算出来,如αAlNa、τNa等。不过,应用化学风化指数来示踪化学风化强度需要综合考虑成岩蚀变、水力分选、沉积再旋回、源岩组成等影响因素。



主要参考文献

【1】Ambrose S.H., 1998. Late Pleistocene human population bottlenecks, volcanic winter, and differentiation of modern humans. Journal of Human Evolution, 34, 623-651.

【2】Dessert C., Dupré B., François L.M., et al., 2001. Erosion of Deccan Traps determined by river geochemistry impact on the global climate and the 87Sr/86Sr ratio of seawater. Earth and Planetary Science Letters, 188, 459-474.

【3】Ferrier K., Riebe C.S., Hahm W.J., 2016. Testing for supply-limited and kinetic-limited chemical erosion in field measurements of regolith production and chemical depletion. Geochemistry Geophysics Geosystems, 17, 2270-2285.

【4】Li C., Yang S., 2010. Is chemical index of alteration (CIA) a reliable proxy for chemical weathering in global drainage basins? American Journal of Science, 310, 111-127.

【5】Rohling E.J., Sluijs A., Dijkstra H.A., et al., 2012. Making sense of paleoclimate sensitivity. Nature, 491, 683-691.

【6】Robock A., 2000. Volcanic eruptions and climate. Reviews of Geophysics, 38, 191-219.

【7】Schaller M., Wright J.D., Kent D., Olsen P.E., 2012. Rapid emplacement of the Central Atlantic Magmatic Province as a net sink for CO2. Earth and Planetary Science Letters, 323-324, 27-39.

【8】Yang J., Cawood P.A., Du Y., et al., 2016. Reconstructing Early Permian tropical climates from chemical weathering indices. Geological Society of America Bulletin, 128: 739-751.

【9】Yang J,, Cawood P.A., Montañez I. P., et al., 2020. Enhanced continental weathering and large igneous province induced climate warming at the Permo-Carboniferous transition. Earth and Planetary Science Letters, doi.org/10/1016/j.epsl.2020.116074. 点击阅读原文查看该文章哟~


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