PNAS: 德干LIPs早期岩漿脫氣與晚白堊世全球氣候變化

火山活動是地球深部碳釋放的主要方式之一。洋中脊、大陸裂谷以及弧火山作用的碳釋放被認為是影響地球系統長時間尺度（

10 6

——10

7

yr）氣候與環境變化的主要因素（Suarez et al。， 2019）；大火成岩省（LIPs）可以在短時間內噴出巨量岩漿，同時伴隨大量深部流體（例如CO

2

）釋放至地表，在相對短的時間尺度內造成地球系統劇烈的碳擾動，並引發氣候、環境的劇變與生物災難事件。

儘管如此，LIPs的碳釋放與氣候環境事件之間的聯絡還存在爭議，原因在於：（1）缺乏直接測量的證據約束LIPs的碳庫和碳釋放通量；（2）目前獲得的岩漿成因碳釋放量較低；（3）以往的研究未考慮侵入岩漿脫氣以及圍巖變質作用的影響。

印度德干大火成岩省（DeccanTraps）是形成於白堊紀末期至古近紀早期（KPB）的一次大規模火山活動，僅溢流玄武岩體積就接近（0。6~1。3）×10

6

km

3

。與此同時，地球上的氣候與環境也發生了重大轉變。例如晚白堊世升溫事件（LMWE， Latest Maastrichtian warming event），導致全球升溫達2~4°C，引發了地史時期第五次生物大滅絕事件（KPB），造成了恐龍的滅絕（圖1）。海洋軟體動物化石中高Hg含量也意味著這一升溫事件與同期的德干大火成岩省具有密不可分的聯絡（Barnet et al。， 2017； Meyer et al。， 2019）。但值得注意的是：（1）LMWE升溫事件發生在KPB之前約30萬年，但這一事件之前噴出岩漿的體積遠小於事件之後的岩漿體積；（2）目前尚缺乏同期火山活動釋放碳規模的直接證據，同時這一時期碳同位素負漂的程度較小（約0。5‰左右）。

圖

1

白堊紀末期至古近紀早期全球氣候環境指標與德干大火成岩省之間的關係。灰色條帶區域即

LMWE

事件，虛線為

KPB

界限

德干玄武岩高精度的年代學框架和同時期系統的生物與氣候事件記錄為開展兩者的相互聯絡奠定了基礎；同時，前人研究表明，德干玄武岩的圍巖多數為貧碳巖性，因此圍巖變質產生的碳釋放可以忽略。在此基礎上，美國紐約城市大學的研究者及其合作者選擇KPB之前的德干溢流玄武岩作為研究物件，利用Nano-SIMS、拉曼等手段開展了橄欖石（高Fo）中熔體包裹體的直接測定和微量元素（包括Nb、Ba）地球化學反演研究，在綜合考慮侵入岩漿脫氣的基礎上，探討了德干大火成岩省深部碳釋放與同時期氣候、環境事件之間的聯絡。研究成果發表於PNAS上（Nava et al。， 2021）。

首先，研究者選擇高鎂玄武岩樣品，利用Nano-SIMS和拉曼光譜分別測定了橄欖石中熔體包裹體玻璃質及氣泡中的CO

2

含量。結果顯示，早期Saurashtra層玄武岩中CO

2

的含量明顯高於其後的Thakuvadi層，並且氣泡中的CO

2

含量比玻璃質中高一個數量級。此外，研究者利用微量元素代用指標反演了脫氣前原始岩漿的CO

2

含量。在上地幔的部分熔融過程中，微量元素Ba、Nb與CO

2

表現出相似的不相容性，但在岩漿上升過程中，它們不隨減壓脫氣過程而改變，因此CO

2

/Ba及CO

2

/Nb比值可以作為脫氣前原始岩漿中CO

2

含量的代用指標。據此反演的結果與測試資料之間具有相似的分佈特徵，即德干玄武岩早期原始岩漿中CO

2

含量較高，介於0。5~1。3 wt%之間；隨著時間演化，岩漿中CO

2

含量降至0。25 wt%。而KPB界限之後的原始岩漿CO

2

含量低於0。2 wt%。

為了探討德干大火成岩省與升溫事件之間的聯絡，該研究在綜合考慮岩漿體積和脫氣效率影響的基礎上，重建了岩漿活動碳釋放通量的演化序列（圖2）。與噴發至地表的岩漿相比，大規模的岩漿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）與噴出巖（Extrusive）體積比例（I：E）約為5：1（Coffin and Eldholm， 1994）。研究者基於LOSCAR模型進行了火山碳釋放影響的模擬研究，結果顯示，僅噴出岩漿的碳釋放無法解釋LMWE事件期間的升溫幅度；而在考慮侵入岩漿脫碳（假設效率為60%）的情況下，可以使全球升溫約3~6°C（圖2），進而導致LMWE事件。但值得注意的是，德干大火成岩省的碳釋放可能並不是導致KPB之交生物滅絕事件的主導因素，因為至今並未觀察到德干後期岩漿具有較高的碳釋放通量以及與之有關的海表溫度變化記錄。

圖2德干大火成岩省早期岩漿作用碳釋放演變特徵與晚白堊世氣候、環境事件之間的聯絡。（A）利用德干玄武岩熔體包裹體及微量元素含量反演的原始岩漿CO

2

含量變化，假設CO

2

/Ba及CO

2

/Nb分別為48。3和391；（B）磁性地層學結果；（C）基於岩漿體積和年齡估算的噴出岩漿的通量（km

3

/yr）；（D）LOSCAR模擬結果與其他觀測結果對比（I：E即侵入岩與噴出巖體積比）（Nava et al。， 2021）

此外，模擬結果還顯示德干玄武質岩漿在Moho面或下地殼深度即達到CO

2

飽和點，並且同一深度早期岩漿中析出CO

2

的比例較晚期更高。這意味著德干早期岩漿可能是低程度部分熔融的產物，具有更高的初始CO

2

含量，同時較高的I：E比值（即以侵入岩岩漿脫碳為主）以及更深的碳飽和點導致巨量CO

2

釋放至地表，引發了晚白堊LMWE升溫事件；而晚期原始岩漿中CO

2

含量偏低，碳飽和點更淺，同時I：E比值相對較小，儘管有大量玄武岩噴出地表，但相較於早期碳釋放通量卻明顯降低（圖3）。

圖

3

基於原始岩漿

CO

2

含量以及碳飽和壓力（深度）重建德干大火成岩省早期（

KPB

之前）與晚期岩漿碳釋放過程。該研究假設，晚期岩漿中

CO

2

含量降低與源區熔融區域擴大導致的部分熔融程度升高有關，而早期原始岩漿較高的

CO

2

含量可能提高碳交代的程度，進而導致侵入岩漿脫碳效率的提高

（Nava et al。， 2021）

該研究直接測定了德干大火成岩省橄欖石中熔體包裹體的CO

2

濃度，並利用微量元素指標反演了初始岩漿中的CO

2

含量，結合模型計算結果，探討了德干LIPs早期岩漿活動中侵入岩深部脫碳對LMWE升溫事件的重要影響，為德干大火成岩省與同時期氣候、環境事件之間的內在聯絡提供了直接的證據，同時也為揭示大火成岩省對全球氣候變化的貢獻提供了有力的約束和證據。

地史時期大規模的生物滅絕事件往往與大火成岩省的出現在時間上存在著關聯（圖4）。例如，二疊與三疊紀之交（252 Ma， PTB）以及晚三疊紀（201 Ma， End Triassic）的生物滅絕事件可能與同時期的西伯利亞大火成岩省以及中大西洋大火成岩省有關（Schobben et al。， 2019）。大火成岩省導致生物滅絕的原因，包括與之相關的全球升溫、海洋缺氧、海水酸化等地球系統環境劇變。

圖4 奧陶紀以來生物滅絕事件與大火成岩省之間的關係（Schobben et al., 2019）

以往研究還發現，中大西洋火山岩省（CAMP）幕式岩漿作用結束後，大氣CO

2

濃度在約三十萬年內持續降低至噴發前的水平，這可能與大規模暴露地表的新鮮玄武岩風化作用有關（Schaller et al。， 2011）。在高溫潮溼的環境中，新鮮玄武岩的風化效率遠高於其他型別岩石（Li et al。， 2016）。印度大陸在白堊紀末期至新生代早期向北漂移過程中穿過赤道附近的熱帶-亞熱帶地區。因此，在綜合考慮德干大火成岩省深部碳釋放與氣候、環境事件的關係過程中，不能忽略玄武岩風化導致碳匯效應的影響（Kent and Muttoni， 2008）。

主要參考文獻

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（撰稿：趙文斌，馬琳/新生代室；校對：郭正府/新生代室）

校對：覃華清、江淑敏