江强
1 大火成岩省与地球环境的变化
自寒武纪生物大爆发以来，地球上生物的演化历程并不是一帆风顺的，而是经历了至少五次从繁盛到突然大规模灭绝的过程。生物演化历程中的这种物种的数量和多样性在短时间内急剧降低的现象，一般被认为是由当时地球的环境和气候突然恶化导致的，而这种极端灾害性环境事件的原因普遍被认为是规模巨大的火山喷发活动。
地质历史时期中大规模火山喷发活动最直观的证据是其形成的大火成岩省。大火成岩省的形成及其与地球环境和气候的变化以及生物大灭绝之间的关系一直是地学界的研究热点。大火成岩省能够引发不同程度的地球环境变化，有的大火成岩省曾经造成了大规模的生物大灭绝事件，例如峨眉山大火成岩省、西伯利亚大火成岩省、中大西洋大火成岩省和德干大火成岩省；有的大火成岩省导致了严重程度相对较轻的全球大洋缺氧事件，例如Karoo和Ferrar大火成岩省、Ontong Java大火成岩省；而有的大火成岩省对地球环境的影响相对较小，例如塔里木大火成岩省（Chen & Xu, 2021）。大火成岩省的环境效应为什么会表现出如此大的差异性？一个很自然的猜想是，大火成岩省的喷发规模不同。事实上，发生于二叠纪末期的显生宙最严重的大灭绝事件（90%以上物种灭绝）便与西伯利亚大火成岩省的大规模喷发相关，其岩浆喷发量可能高达4×106 km3。相比之下，没有引发明显的地球环境变化的塔里木大火成岩省的喷发规模要小得多，近期有研究认为其喷发规模较小，以至于达不到大火成岩省的标准（Blacker et al., 2021）。
然而，就岩浆喷发体积来看，显生宙期间形成的最大的大火成岩省是Ontong Java大火成岩省，其岩浆量可能高达50×106 km3，但是这一规模巨大的喷发事件可能只是与早白垩世期间发生的全球大洋缺氧事件OAE 1a有关，其严重程度远低于生物大灭绝事件。而显生宙期间喷发岩浆量第二大的大火成岩省——Kerguelen大火成岩省——甚至被认为没有造成任何显著的环境变化事件（Erba et al., 2015）。因此，揭开控制地球环境危机严重程度的谜题还有待于对大火成岩省进行更为深入的研究。
图1 Kerguelen大火成岩省现今的地理位置
2 Kerguelen大火成岩省与大洋缺氧事件OAE 1a
虽然Kerguelen大火成岩省（图1）有着巨大的喷发规模，但是为什么一直以来被认为没有对当时地球的环境产生显著的影响呢？以前的研究结果表明，Kerguelen大火成岩省的开始喷发时间约为119 Ma （Duncan, 2002），这个年龄要比全球大洋缺氧事件OAE 1a的发生时间（约为~120 Ma）略晚，因此一般认为二者之间不存在因果关系，而OAE 1a的发生一般被认为是由Ontong Java大火成岩省的喷发导致的。Jiang et al. (2021) 重新获取了一批来自Kerguelen大火成岩省的大洋钻探钻孔的玄武岩样品，利用新一代的稀有气体同位素质谱仪测定了这些样品中斜长石的40Ar/39Ar年龄，结果显示Kerguelen大火成岩省可能在~122 Ma左右就开始喷发，因此Kerguelen大火成岩省的喷发可能与OAE 1a的发生存在因果关系。最近，这一认识得到了Jiang et al. (2022) 一批新的数据的证实，该项工作中所获得的斜长石40Ar/39Ar年龄表明Kerguelen大火成岩省的开始喷发时间比OAE 1a的发生至少要早5个百万年，并且在OAE 1a发生前以及发生后一直有连续的喷发活动（图2）。这些新的40Ar/39Ar年龄数据证实了Kerguelen大火成岩省的喷发在时间上与OAE 1a的发生有所重叠，表明二者之间可能存在因果关系。
图2 Kerguelen大火成岩省的40Ar/39Ar年龄与大洋缺氧事件OAE 1a的起始时间
方框的宽度代表了年龄的两个标准差的误差。修改自Jiang et al. (2022)
那么，大洋缺氧事件OAE 1a的发生是否完全是由Kerguelen大火成岩省造成的？Kerguelen大火成岩省和Ontong Java大火成岩省在OAE 1a的发生过程中分别扮演了什么角色？一般来说，大火成岩省造成地球环境变化的一种重要方式是释放巨量的CO2、SO2等气体。因此，为了解决上述问题，就需要研究大火成岩省在形成过程中CO2等气体的释放情况。Jiang et al. (2022) 通过观察Kerguelen玄武岩的岩石薄片发现，在这些玄武岩的斜长石斑晶中发育有熔融包裹体，有的包裹体还发育有一些气泡（图3），这为估算Kerguelen大火成岩省的碳排放量提供了重要的线索。通过激光拉曼光谱对斜长石中熔融包裹体的气泡进行分析，发现其成分为CO2，测量结果显示这些气泡中的CO2密度较低，平均值约为0.03 g/cm3。在此基础上，借助于高分辨率X射线计算机断层扫描技术对这些气泡在熔融包裹体中的体积百分数进行了测量（图3），利用蒙特卡洛模拟计算方法估算了Kerguelen大火成岩省的岩浆中CO2的含量以及Kerguelen大火成岩省在OAE 1a发生以前的喷发活动中所释放的CO2的总量，同时结合新获得的40Ar/39Ar年龄数据，计算了CO2的平均释放速率。计算结果显示，在OAE 1a发生以前，Kerguelen大火成岩省的喷发可能向大气中释放了约2.6×104 Gt的CO2。那么，这些释放到大气中的CO2是否就是造成OAE 1a的罪魁祸首？计算结果表明不完全是，因为地层记录中的OAE 1a表现为低至-3‰到-5‰的碳同位素负漂，而Kerguelen大火成岩省释放的CO2尽管能使当时的碳同位素值降低，但降低的幅度并不能达到地层记录中碳同位素负漂的幅度。这些数据共同表明，Kerguelen大火成岩省的喷发确实对全球大洋缺氧事件OAE 1a的发生有所贡献，但不是唯一原因。同时期发生的Ontong Java大火成岩省的碳排放可能对OAE 1a的发生也有贡献。
图3 Kerguelen大火成岩省玄武岩斜长石中的熔体包裹体
A.单偏光显微镜镜下图像；B. 扫描电镜背散射电子图像；C. 高分辨率 X 射线计算机断层扫描图像。Bbl：气泡；MI：熔体包裹体。修改自Jiang et al. (2022)
3 大火成岩省CO2排放量和排放速率决定其环境效应
回到前文提到的问题，Kerguelen大火成岩省虽然有着巨大的岩浆喷发量，但受制于其CO2释放的量和释放速率，该喷发事件没有造成比大洋缺氧事件更为严重的极端灾害性环境变化事件。那么，与显生宙其它几个主要的大火成岩省相比，Kerguelen大火成岩省的碳排放量和排放速率处于什么水平呢？Jiang et al. (2022) 综合了前人关于峨眉山大火成岩省、西伯利亚大火成岩省、中大西洋大火成岩省以及德干大火成岩省等显生宙几个主要大火成岩省的碳排放相关的测试结果和定年结果，利用蒙特卡洛计算方法估算了它们的碳排放量和排放速率。通过比较这几个大火成岩省的CO2排放量和排放速率可以发现，造成生物大灭绝的峨眉山大火成岩省、西伯利亚大火成岩省和中大西洋大火成岩省的碳排放量和排放速率要比Kerguelen大火成岩省大一个数量级（图4），这表明决定了大火成岩省环境效应严重程度的因素可能是其CO2的排放量和排放速率。但是，德干大火成岩省似乎是一个例外，其虽然可能与白垩纪末期的生物大灭绝事件有关，但CO2的排放量和排放速率要比其它几个导致生物灭绝事件的大火成岩省的CO2排放量和排放速率要低一个数量级（图4）。这可能是因为德干大火成岩省的喷发并非是导致白垩纪末期生物大灭绝的主要原因，希克苏鲁伯陨石撞击事件在该生物大灭绝事件的发生中可能扮演了主要角色（如Schulte et al., 2010）。
图4 显生宙几个主要大火成岩省的年龄，CO2排放量和排放速率，以及相关的生物大灭绝和大洋缺氧事件
CO2排放的计算过程详见Jiang et al. (2022)。物种灭绝强度是指出现在某一时间段，但不出现在下一时间段的动植物的属的百分数（据Rohde & Muller，2005）；海洋无脊椎动物的灭绝速率来自Clapham & Renne (2019)
当CO2的排放速率较低时，自然界可以通过岩石的风化、植物生产率的上升等过程来减缓大气CO2浓度的升高，从而使生物能够逐渐适应环境的变化。相反，巨量和快速的碳排放会导致大气CO2的浓度快速升高，从而导致全球变暖、海平面上升等环境恶化现象，给包括人类在内的生物造成巨大的生存威胁。与地质历史时期大火成岩省的喷发造成的碳排放相比，现今由人类活动造成的碳排放的速率要高几十到上百倍。本研究给人们的启示是，减少碳排放和降低碳排放速率确实是避免地球上再一次出现生物大灭绝等严重的灾害性环境事件的有效手段。
本文作者系中国石油大学（北京）讲师。本文属作者认识，相关问题交流可通过邮箱q.jiang@cup.edu.cn与本人联系。欲知更多详情，请进一步阅读下列参考文献。
主要参考文献
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[4] Duncan R.A. 2002. A time frame for construction of the Kerguelen Plateau and Broken Ridge. Journal of Petrology, 43: 1109-1119.
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[7] Jiang Q., Jourdan F., Olierook H.K.H., et al. 2022. Volume and rate of volcanic CO2 emissions governed the severity of past environmental crises. Proceedings of the National Academy of Sciences, 119 (31): e2202039119.
[8] Rohde R.A., Muller R.A., 2005. Cycles in fossil diversity. Nature, 434: 208-210.
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