地球「發火」,調養生息用時200萬年


作者|沈春蕾

近日,湯加海底火山接連發生劇烈噴發,引發巨大海嘯。

「湯加海底火山通過物質和能量釋放,對全球產生巨大的影響。」

中國地質大學(武漢)研究員沈俊告訴《中國科學報》,「約兩億年前的三疊紀與侏羅紀之交,也產生過巨大的火山噴發(中大西洋大火成岩省),其噴發強度遠遠大於此次湯加火山噴發的規模。」

近日,一支國際科研團隊在遠離中大西洋大火成岩省火山噴發口的地區發現了顯著的火山記錄,進一步揭示其產生了地球表層碳量、碳同位素和陸地化學風化顯著波動,對全球氣候的影響非常大。

相關研究成果發表於《自然—通訊》,沈俊是論文第一作者兼通訊作者。

2006年5月23日,國際空間站第13遠徵隊拍的美國阿拉斯加州克利夫蘭火山噴發出火山灰,其高度超過海平面6000米。圖片來源:NASA

追蹤是難點

三疊紀與侏羅紀之交是地球演化最為顯著的地質突變期,發生了頻繁的火山活動、氣候劇變以及大規模的生物滅絕事件。

論文通訊作者之一、中科院南京地質古生物研究所(以下簡稱南京古生物所)研究員王永棟告訴《中國科學報》:「這次大滅絕事件被認為與地質歷史時期的中大西洋大火成岩省大規模火山熔岩噴發有關。了解和揭示這次大滅絕事件的誘發因素,一直是熱點前沿科學問題之一。我們希望在東亞地區找到相應的火山活動證據。」

三疊紀與侏羅紀之交的火山噴發主要發生時間跨度近60萬年,形成了橫跨北美和鄰近聯合大陸(簡稱為盤古大陸)地區的大規模岩漿沉積,並導致了一系列氣候和生態環境的劇變和擾動。

「火山活動向大氣中排放了大量富含輕碳的二氧化碳和甲烷氣體,造成了全球範圍內的碳同位素負偏現象。」

論文通訊作者之一、中國地質大學(武漢)教授喻建新介紹,不斷增加的二氧化碳等溫室氣體,引發氣候變暖、海洋缺氧和海水酸化,並導致侏羅紀早期的大陸化學風化作用不斷增強。

然而,火山作用、碳同位素擾動和大陸化學風化作用之間的內在關係,尚未得到有力的證據支持。

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已有研究顯示,火山活動引起的一系列環境異常變化(比如臭氧層破壞、高溫、酸化等)首先影響的是陸地生態系統。

但由於沉積環境和保存的原因,在遠離火山噴發地區的陸相地層中追蹤沉積物中火山活動的記錄,一直是學術界研究中的一個難點。

從汞記錄入手

由於汞元素可以在大氣中進行長距離的傳輸,十分有利於在大範圍的陸、海地層中保存下來,因此可以作為追蹤火山活動痕跡的良好指標。

在近年來的地質學研究中,汞元素被用來廣泛指示地球歷史沉積物中的古火山記錄。

沈俊等人從2015年開始開展相關的合作研究。

他們發現,在三疊紀與侏羅紀之交,沉積物中汞記錄的研究報導主要集中在當時被稱為泛大陸的特提斯西緣的海相沉積地區,而遠離泛大陸的特提斯東緣陸相地區,研究和記錄則十分缺乏,尤其對這一時期陸相沉積物中汞元素記錄的關注非常少。

隨後,研究團隊瞄準了位於當時特提斯洋東緣的東亞地區,選擇代表高緯度(新疆準噶爾盆地的郝家溝)和中低緯度(四川盆地宣漢地區)的兩個發育連續的三疊紀與侏羅紀地層剖面,開展多種方法的分析和研究,包括有機碳同位素、汞濃度和同位素、化學蝕變指數和黏土礦物等。

沈俊告訴《中國科學報》:「我們的研究目的在於探究三疊紀與侏羅紀界線陸地沉積物中火山活動的記錄及對陸地化學風化的影響。這些剖面遠離中大西洋大火成岩省,可以探究該時期中大西洋大火成岩省對遠離其噴發口區域的影響。」

研究結果顯示,在三疊紀與侏羅紀之交大滅絕界線附近,位於東亞地區的準噶爾盆地和四川盆地的兩個剖面都顯示出明顯的汞濃度的富集並伴隨著碳同位素的負偏,指示火山噴發對汞和碳循環有著巨大的影響。

另外,團隊還發現,位於高緯度地區的準噶爾盆地,其化學風化作用的加強與汞濃度的峰值幾乎同時發生;而位於中低緯度的四川盆地,化學風化強度增大則滯後於汞濃度的峰值約20萬年。

沈俊認為,上述發現表明火山活動引起的化學風化強度增大在高緯度反應更快,類似於現今地球表層的「高緯度放大效應」。

「LOSCAR模型分析顯示陸地化學風化加強,對當時大氣二氧化碳有非常重要的調節作用。」

「增強的化學風化作用持續了約200萬年,這與碳循環模型的結果預測是一致的,即碳釋放事件發生後,大氣中過量二氧化碳的減少需要時間。」

沈俊解釋道,「這意味著該轉折期地球自我調節溫室效應花費了200萬年左右的時間。」

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地球自我調節

談及這一研究成果,沈俊向《中國科學報》透露:「我們與南京古生物所開展交叉合作研究,在發育完好且連續的三疊紀和侏羅紀地層剖面上,開展高精度採樣和研究,這對於獲得科研數據非常關鍵。」

早在2010年,王永棟團隊就開展了我國華南地區三疊紀與侏羅紀時期地質事件和陸地生態系統響應的相關研究。

他介紹:「二氧化碳是地史時期氣候變化的主要驅動力。目前地質歷史時期二氧化碳濃度變化數據跨越時間長、精度不高,需要新的數據積累與驗證,尤其是在高精度的年代格架下開展全球性對比研究。」

王永棟團隊一直關注我國華南四川盆地的三疊紀與侏羅紀之交地質沉積物中是否存在火山活動的記錄,比如火山灰等。

「這對了解當時的生物大滅絕事件對陸地生態系統的影響以及古大氣二氧化碳的變化十分關鍵。」

此外,在遠離泛大陸的特提斯東緣地區也發現顯著的火山活動信號,說明在三疊紀與侏羅紀之交的火山活動影響可能擴大到全球範圍。

前人研究證明,火山活動是地質歷史時期大氣二氧化碳的重要來源,三疊紀與侏羅紀之交大氣二氧化碳濃度是現代的約10倍。

在此基礎上,國際科研團隊結合高緯度地區新疆準噶爾盆地的火山活動記錄以及地質模型,揭示了火山作用可以促發二氧化碳濃度升高,導致地球溫度升高,進而引起大陸化學風化作用不斷增強,二氧化碳濃度隨之降低,地球系統實現自我調節。

相關論文信息:

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

《中國科學報》(2022-01-19第4版綜合原標題為《火山噴發後地球如何自我調節》)

|趙路

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