火山喷发后地球如何自我调节

2006年5月23日，国际空间站第13远征队拍摄的美国阿拉斯加州克利夫兰火山喷发出火山灰，其高度超过海平面6000米。图片来源：NASA

近日，汤加海底火山接连发生剧烈喷发，引发巨大海啸。

“汤加海底火山通过物质和能量释放，对全球产生巨大的影响。”中国地质大学（武汉）研究员沈俊告诉《中国科学报》，“约两亿年前的三叠纪与侏罗纪之交，也产生过巨大的火山喷发（中大西洋大火成岩省），其喷发强度远远大于此次汤加火山喷发的规模。”

近日，一支国际科研团队在远离中大西洋大火成岩省火山喷发口的地区发现了显著的火山记录，进一步揭示其产生了地球表层碳量、碳同位素和陆地化学风化显著波动，对全球气候的影响非常大。相关研究成果发表于《自然—通讯》，沈俊是论文第一作者兼通讯作者。

追踪是难点

三叠纪与侏罗纪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。

论文通讯作者之一、中科院南京地质古生物研究所（以下简称南京古生物所）研究员王永栋告诉《中国科学报》：“这次大灭绝事件被认为与地质历史时期的中大西洋大火成岩省大规模火山熔岩喷发有关。了解和揭示这次大灭绝事件的诱发因素，一直是热点前沿科学问题之一。我们希望在东亚地区找到相应的火山活动证据。”

三叠纪与侏罗纪之交的火山喷发主要发生时间跨度近60万年，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，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富含轻碳的二氧化碳和甲烷气体，造成了全球范围内的碳同位素负偏现象。”论文通讯作者之一、中国地质大学（武汉）教授喻建新介绍，不断增加的二氧化碳等温室气体，引发气候变暖、海洋缺氧和海水酸化，并导致侏罗纪早期的大陆化学风化作用不断增强。

然而，火山作用、碳同位素扰动和大陆化学风化作用之间的内在关系，尚未得到有力的证据支持。

已有研究显示，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。但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，一直是学术界研究中的一个难点。

从汞记录入手

由于汞元素可以在大气中进行长距离的传输，十分有利于在大范围的陆、海地层中保存下来，因此可以作为追踪火山活动痕迹的良好指标。在近年来的地质学研究中，汞元素被用来广泛指示地球历史沉积物中的古火山记录。

沈俊等人从2015年开始开展相关的合作研究。他们发现，在三叠纪与侏罗纪之交，沉积物中汞记录的研究报道主要集中在当时被称为泛大陆的特提斯西缘的海相沉积地区，而远离泛大陆的特提斯东缘陆相地区，研究和记录则十分缺乏，尤其对这一时期陆相沉积物中汞元素记录的关注非常少。

随后，研究团队瞄准了位于当时特提斯洋东缘的东亚地区，选择代表高纬度（新疆准噶尔盆地的郝家沟）和中低纬度（四川盆地宣汉地区）的两个发育连续的三叠纪与侏罗纪地层剖面，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、化学蚀变指数和黏土矿物等。

沈俊告诉《中国科学报》：“我们的研究目的在于探究三叠纪与侏罗纪界线陆地沉积物中火山活动的记录及对陆地化学风化的影响。这些剖面远离中大西洋大火成岩省, 可以探究该时期中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，在三叠纪与侏罗纪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。

另外，团队还发现，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。

沈俊认为，上述发现表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”。“LOSCAR模型分析显示陆地化学风化加强，对当时大气二氧化碳有非常重要的调节作用。”

“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，大气中过量二氧化碳的减少需要时间。”沈俊解释道，“这意味着该转折期地球自我调节温室效应花费了200万年左右的时间。”

地球自我调节

谈及这一研究成果，沈俊向《中国科学报》透露：“我们与南京古生物所开展交叉合作研究，在发育完好且连续的三叠纪和侏罗纪地层剖面上，开展高精度采样和研究，这对于获得科研数据非常关键。”

早在2010年，王永栋团队就开展了我国华南地区三叠纪与侏罗纪时期地质事件和陆地生态系统响应的相关研究。他介绍：“二氧化碳是地史时期气候变化的主要驱动力。目前地质历史时期二氧化碳浓度变化数据跨越时间长、精度不高，需要新的数据积累与验证，尤其是在高精度的年代格架下开展全球性对比研究。”

王永栋团队一直关注我国华南四川盆地的三叠纪与侏罗纪之交地质沉积物中是否存在火山活动的记录，比如火山灰等。“这对了解当时的生物大灭绝事件对陆地生态系统的影响以及古大气二氧化碳的变化十分关键。”

此外，在远离泛大陆的特提斯东缘地区也发现显著的火山活动信号，说明在三叠纪与侏罗纪之交的火山活动影响可能扩大到全球范围。

前人研究证明，火山活动是地质历史时期大气二氧化碳的重要来源，三叠纪与侏罗纪之交大气二氧化碳浓度是现代的约10倍。在此基础上，国际科研团队结合高纬度地区新疆准噶尔盆地的火山活动记录以及地质模型，揭示了火山作用可以促发二氧化碳浓度升高，导致地球温度升高，进而引起大陆化学风化作用不断增强，二氧化碳浓度随之降低，地球系统实现自我调节。（记者 沈春蕾）

相关论文信息：

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