PNAS德干LIPs早期岩浆脱气与晚白垩世全球气候变化

　　PNAS: 德干LIPs早期岩浆脱气与晚白垩世全球气候变化
　　火山活动是地球深部碳释放的主要方式之一。洋中脊、大陆裂谷以及弧火山作用的碳释放被认为是影响地球系统长时间尺度（10 6--107yr）气候与环境变化的主要因素（Suarez et al., 2019）；大火成岩省（LIPs）可以在短时间内喷出巨量岩浆，同时伴随大量深部流体（例如CO2）释放至地表，在相对短的时间尺度内造成地球系统剧烈的碳扰动，并引发气候、环境的剧变与生物灾难事件。
　　尽管如此，LIPs的碳释放与气候环境事件之间的联系还存在争议，原因在于：（1）缺乏直接测量的证据约束LIPs的碳库和碳释放通量；（2）目前获得的岩浆成因碳释放量较低；（3）以往的研究未考虑侵入岩浆脱气以及围岩变质作用的影响。
　　印度德干大火成岩省（DeccanTraps）是形成于白垩纪末期至古近纪早期（KPB）的一次大规模火山活动，仅溢流玄武岩体积就接近（0.6~1.3） 106km3。与此同时，地球上的气候与环境也发生了重大转变。例如晚白垩世升温事件（LMWE, Latest Maastrichtian warming event），导致全球升温达2~4 C，引发了地史时期第五次生物大灭绝事件（KPB），造成了恐龙的灭绝（图1）。海洋软体动物化石中高Hg含量也意味着这一升温事件与同期的德干大火成岩省具有密不可分的联系（Barnet et al., 2017; Meyer et al., 2019）。但值得注意的是：（1）LMWE升温事件发生在KPB之前约30万年，但这一事件之前喷出岩浆的体积远小于事件之后的岩浆体积；（2）目前尚缺乏同期火山活动释放碳规模的直接证据，同时这一时期碳同位素负漂的程度较小（约0.5‰左右）。
　　图1 白垩纪末期至古近纪早期全球气候环境指标与德干大火成岩省之间的关系。灰色条带区域即LMWE事件，虚线为KPB界限
　　德干玄武岩高精度的年代学框架和同时期系统的生物与气候事件记录为开展两者的相互联系奠定了基础；同时，前人研究表明，德干玄武岩的围岩多数为贫碳岩性，因此围岩变质产生的碳释放可以忽略。在此基础上，美国纽约城市大学的研究者及其合作者选择KPB之前的德干溢流玄武岩作为研究对象，利用Nano-SIMS、拉曼等手段开展了橄榄石（高Fo）中熔体包裹体的直接测定和微量元素（包括Nb、Ba）地球化学反演研究，在综合考虑侵入岩浆脱气的基础上，探讨了德干大火成岩省深部碳释放与同时期气候、环境事件之间的联系。研究成果发表于PNAS上（Nava et al., 2021）。
　　首先，研究者选择高镁玄武岩样品，利用Nano-SIMS和拉曼光谱分别测定了橄榄石中熔体包裹体玻璃质及气泡中的CO2含量。结果显示，早期Saurashtra层玄武岩中CO2的含量明显高于其后的Thakuvadi层，并且气泡中的CO2含量比玻璃质中高一个数量级。此外，研究者利用微量元素代用指标反演了脱气前原始岩浆的CO2含量。在上地幔的部分熔融过程中，微量元素Ba、Nb与CO2表现出相似的不相容性，但在岩浆上升过程中，它们不随减压脱气过程而改变，因此CO2/Ba及CO2/Nb比值可以作为脱气前原始岩浆中CO2含量的代用指标。据此反演的结果与测试数据之间具有相似的分布特征，即德干玄武岩早期原始岩浆中CO2含量较高，介于0.5~1.3 wt%之间；随着时间演化，岩浆中CO2含量降至0.25 wt%。而KPB界限之后的原始岩浆CO2含量低于0.2 wt%。
　　为了探讨德干大火成岩省与升温事件之间的联系，该研究在综合考虑岩浆体积和脱气效率影响的基础上，重建了岩浆活动碳释放通量的演化序列（图2）。与喷发至地表的岩浆相比，大规模的岩浆可能以侵入岩的形式存在。例如，德干大火成岩省的侵入岩（Intrusive）与喷出岩（Extrusive）体积比例（I:E）约为5:1（Coffin and Eldholm, 1994）。研究者基于LOSCAR模型进行了火山碳释放影响的模拟研究，结果显示，仅喷出岩浆的碳释放无法解释LMWE事件期间的升温幅度；而在考虑侵入岩浆脱碳（假设效率为60%）的情况下，可以使全球升温约3~6 C（图2），进而导致LMWE事件。但值得注意的是，德干大火成岩省的碳释放可能并不是导致KPB之交生物灭绝事件的主导因素，因为至今并未观察到德干后期岩浆具有较高的碳释放通量以及与之有关的海表温度变化记录。
　　图2德干大火成岩省早期岩浆作用碳释放演变特征与晚白垩世气候、环境事件之间的联系。（A）利用德干玄武岩熔体包裹体及微量元素含量反演的原始岩浆CO2含量变化，假设CO2/Ba及CO2/Nb分别为48.3和391；（B）磁性地层学结果；（C）基于岩浆体积和年龄估算的喷出岩浆的通量（km3/yr）；（D）LOSCAR模拟结果与其他观测结果对比（I:E即侵入岩与喷出岩体积比）（Nava et al., 2021）
　　此外，模拟结果还显示德干玄武质岩浆在Moho面或下地壳深度即达到CO2饱和点，并且同一深度早期岩浆中析出CO2的比例较晚期更高。这意味着德干早期岩浆可能是低程度部分熔融的产物，具有更高的初始CO2含量，同时较高的I:E比值（即以侵入岩岩浆脱碳为主）以及更深的碳饱和点导致巨量CO2释放至地表，引发了晚白垩LMWE升温事件；而晚期原始岩浆中CO2含量偏低，碳饱和点更浅，同时I:E比值相对较小，尽管有大量玄武岩喷出地表，但相较于早期碳释放通量却明显降低（图3）。
　　图3 基于原始岩浆CO2含量以及碳饱和压力（深度）重建德干大火成岩省早期（KPB之前）与晚期岩浆碳释放过程。该研究假设，晚期岩浆中CO2含量降低与源区熔融区域扩大导致的部分熔融程度升高有关，而早期原始岩浆较高的CO2含量可能提高碳交代的程度，进而导致侵入岩浆脱碳效率的提高（Nava et al., 2021）
　　该研究直接测定了德干大火成岩省橄榄石中熔体包裹体的CO2浓度，并利用微量元素指标反演了初始岩浆中的CO2含量，结合模型计算结果，探讨了德干LIPs早期岩浆活动中侵入岩深部脱碳对LMWE升温事件的重要影响，为德干大火成岩省与同时期气候、环境事件之间的内在联系提供了直接的证据，同时也为揭示大火成岩省对全球气候变化的贡献提供了有力的约束和证据。
　　地史时期大规模的生物灭绝事件往往与大火成岩省的出现在时间上存在着关联（图4）。例如，二叠与三叠纪之交（252 Ma, PTB）以及晚三叠纪（201 Ma, End Triassic）的生物灭绝事件可能与同时期的西伯利亚大火成岩省以及中大西洋大火成岩省有关（Schobben et al., 2019）。大火成岩省导致生物灭绝的原因，包括与之相关的全球升温、海洋缺氧、海水酸化等地球系统环境剧变。
　　图4 奥陶纪以来生物灭绝事件与大火成岩省之间的关系（Schobben et al., 2019）
　　以往研究还发现，中大西洋火山岩省（CAMP）幕式岩浆作用结束后，大气CO2浓度在约三十万年内持续降低至喷发前的水平，这可能与大规模暴露地表的新鲜玄武岩风化作用有关（Schaller et al., 2011）。在高温潮湿的环境中，新鲜玄武岩的风化效率远高于其他类型岩石（Li et al., 2016）。印度大陆在白垩纪末期至新生代早期向北漂移过程中穿过赤道附近的热带-亚热带地区。因此，在综合考虑德干大火成岩省深部碳释放与气候、环境事件的关系过程中，不能忽略玄武岩风化导致碳汇效应的影响（Kent and Muttoni, 2008）。
　　主要参考文献
　　Barnet J S K,Littler K, Kroon D, et al. A new high-resolution chronology for the lateMaastrichtian warming event: Establishing robust temporal links with the onsetof Deccan volcanism[J]. Geology,2018, 46(2): 147-150.
　　Coffin M F,Eldholm O. Large igneous provinces: crustal structure, dimensions, and externalconsequences[J]. Reviews of Geophysics,1994, 32(1): 1-36.
　　Kent D V,Muttoni G. Equatorial convergence of India and early Cenozoic climatetrends[J]. Proceedings of the NationalAcademy of Sciences, 2008, 105(42): 16065-16070.
　　Li G,Hartmann J, Derry L A, et al. Temperature dependence of basalt weathering[J]. Earth and Planetary Science Letters,2016, 443: 59-69.
　　Meyer K W,Petersen S V, Lohmann K C, et al. Biogenic carbonate mercury and marinetemperature records reveal global influence of Late Cretaceous Deccan Traps[J].Nature Communications, 2019, 10(1):1-8.
　　Nava A H,Black B A, Gibson S A, et al. Reconciling early Deccan Traps CO2 outgassing andpre-KPB global climate[J]. Proceedings ofthe National Academy of Sciences, 2021, 118(14) : e2007797118.
　　Schaller M F,Wright J D, Kent D V. Atmospheric pCO2 perturbations associated with theCentral Atlantic magmatic province[J]. Science,2011, 331(6023): 1404-1409.
　　Schobben M,Van De Schootbrugge B, Wignall P B. Interpreting the carbon isotope record ofmass extinctions[J]. Elements: AnInternational Magazine of Mineralogy, Geochemistry, and Petrology, 2019,15(5): 331-337.
　　Suarez C A,Edmonds M, Jones A P. Earth catastrophes and their impact on the carboncycle[J]. Elements: An InternationalMagazine of Mineralogy, Geochemistry, and Petrology, 2019, 15(5): 301-306.
　　（撰稿：赵文斌，马琳/新生代室；校对：郭正府/新生代室）
　　校对：覃华清、江淑敏