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研究进展

喻建新等,三叠纪-侏罗纪之交陆地生态系统古环境研究取得新进展

发表时间:2022-01-15编辑:王德珲点击:

科学家发现火山活动是陆地风化和碳循环波动的主要诱因


一.科学背景

在距今约两亿年前的三叠纪-侏罗纪(T-J)之交,是地球演化最为显著的地质突变期,发生了频繁的火山活动、气候剧变以及大规模的生物灭绝事件(显生宙“五次生物大灭绝”之一)。这次大灭绝的主要原因被认为与中大西洋火成岩省Central Atlantic Magmatic Province (简称CAMP)的大规模火山熔岩喷发有关。

这次的火山喷发主要发生在近60万年的时间内,形成了横跨北美和邻近联合大陆(简称为盘古大陆)地区的大规模岩浆沉积。因此,位于中大西洋火成岩省的大规模火山活动,是造成T-J之交大灭绝事件的主要诱因,并导致了一系列气候和生态环境的剧变和扰动。火山活动向大气中排放了大量的轻碳同位素和甲烷气体,造成了全球范围内的碳同位素负偏现象。不断增加的大气CO2等温室气体,造成了气候变暖,海洋缺氧和海水酸化,并造成了之后侏罗纪早期的大陆化学风化作用不断增强。但是,有关火山作用、碳同位素漂移和大陆化学风化作用之间内在关系,在很大程度上是推断的,迄今尚未得到有力的证据。

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)首先影响的是陆地生态系统。由于沉积环境和保存的原因,在远离火山喷发地区的陆相地层中,追踪沉积物中火山活动的记录一直是个难点。近年来研究发现,火山活动是地质历史上最重要的自然汞源,并且汞元素可以在大气中进行长距离传输,因此十分有利于在大范围的陆海地层中保存下来,可以作为追踪火山活动踪迹的良好指标。因此,近年来汞元素被用来广泛指示地球历史沉积物中古火山记录。但在三叠纪与侏罗纪之交大灭绝事件的沉积物中,汞记录的研究主要集中在泛大陆地区,而对远离泛大陆的特提斯东缘陆相地区,其研究和记录十分缺乏,尤其对陆相沉积物中的汞元素记录关注度不够。

近日,由中国地质大学(武汉)沈俊研究员、喻建新教授、冯庆来教授、谢树成院士,以及中国科学院南京古生物研究所王永栋研究员和李丽琴博士等组成的一个国内外科研团队,在《自然 通讯》(Nature Communications)上发表了来自东亚地区的最新合作研究成果,题为“Intensified continental chemical weathering and carbon cycle perturbations linked to volcanism during the Triassic-Jurassic transition”(三叠纪-侏罗纪之交的火山作用:增强的大陆化学风化和碳循环扰动)。论文第一作者为中国地质大学(武汉)沈俊研究员,通讯作者为:沈俊研究员,喻建新教授,王永栋研究员。

二、成果简介

研究团队选择了东亚地区代表高纬度(新疆准噶尔盆地的郝家沟)和中低纬度(四川盆地宣汉地区)的两个发育连续的T-J地层剖面,开展多种方法的分析和研究,包括有机碳同位素、汞浓度和同位素、化学蚀变指数(CIA)和粘土矿物等,目的在于探究T-J界线陆地沉积物中火山活动的记录及大陆化学风化响应。这些剖面远离中大西洋大火成岩省, 可以探究该时期大西洋大火成岩省对远离其喷发口区域的影响。

研究结果显示:在距今2.01亿年的T-J之交大灭绝界线附近,位于东亚地区的准噶尔盆地和四川盆地的两个剖面都显示出明显的汞浓度的富集并伴随着碳同位素的负偏,指示火山喷发对汞和碳循环有着巨大的影响。其次,化学风化指数和高岭土含量在汞富集层位附近表现出明显的升高,这反映该时期化学风化的强度明显加强。另外,研究发现,位于高纬度地区的准噶尔盆地,其化学风化作用的加强与汞浓度的峰值几乎同时发生;而位于中低纬度的四川盆地,化学风化强度增大则滞后于汞浓度的峰值约20万年。这说明,火山活动引起的化学风化强度增大在高纬度反应更快(类似于现今地球表层的“高纬度放大效应”)。最后,利用LOSCAR模型分析,显示陆地化学风化加强,对当时大气CO2有非常重要调节作用。

研究还发现,增强的化学风化作用持续了约200万年,这与碳循环模型的结果预测是一致的,即碳释放事件发生后,大气中过量CO2的减少需要时间。最后,这些数据还表明,在气候变暖过程中,高纬度大陆环境对风化强度的变化比低/中纬度地区更敏感。

三、创新结论:

该研究结果主要得出以下几点创新性结论: 1)在远离泛大陆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-侏罗纪之交的火山活动影响可能扩大到全球范围;2)作为对火山喷发的响应,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显著;3)化学风化是三叠纪与侏罗纪之交火山活动活跃期,地球系统自我调节和吸收大气CO2、增加碳汇的重要手段。

四、资助支持:

本项研究得到了国家自然科学基金特提斯重大计划重点项目(92055201)、中国科学院战略先导B类项目、教育部111项目和国际地球科学计划项目(IGCP739)等联合资助与支持。

五、论文信息:

Jun Shen*, Runsheng Yin, Shuang Zhang, Thomas J. Algeo, David J. Bottjer, Jianxin Yu*, Guozhen Xu, Donald Penman, Yongdong Wang*, Liqin Li, Xiao Shi, Noah J. Planavsky, Qinglai Feng, Shucheng Xie, 2022. Intensified continental chemical weathering and carbon cycle perturbations linked to volcanism during the Triassic-Jurassic transition. Nature Communications, 13, 299. https://doi.org/10.1038/s41467-022-27965-x.

TitleIntensified continental chemical weathering and carbon cycle perturbations linked to volcanism during the Triassic-Jurassic transition

AuthorsJun Shen*, Runsheng Yin, Shuang Zhang, Thomas J. Algeo, David J. Bottjer, Jianxin Yu*, Guozhen Xu, Donald Penman, Yongdong Wang*, Liqin Li, Xiao Shi, Noah J. Planavsky, Qinglai Feng, Shucheng Xie*为通讯作者)

SourcesNATURE COMMUNICATIONS, https://doi.org/10.1038/s41467-022-27965-x

Publishedwww.nature.com/naturecommunications

论文链接: https://www.nature.com/articles/s41467-022-27965-x

1 2亿年的晚三叠世全球古地理图。五角星代表中国准噶尔盆地和四川盆地两个剖面的古地理位置。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。CAMP代表中大西洋火成岩省分布范围。

2 新疆准噶尔盆地郝家沟剖面(上)和四川盆地宣汉剖面(下)图

3 新疆准噶尔盆地和四川盆地两个三叠纪-侏罗纪之交地层剖面的多参数分析结果,包括碳同位素、汞元素、化学分化指数以及黏土矿物等指标。