汞同位素揭示火山活动与奥陶纪末环境气候变化及生物大灭绝的潜在联系
汞同位素揭示火山活动与奥陶纪末环境气候变化及生物大灭绝的潜在联系
奥陶纪末生物大灭绝（LOME）是显生宙以来首次大规模生物灭绝事件，其触发机制目前仍存在着争议。科学界提出了多种假说，包括全球气候变冷、火山喷发引发的全球气候变暖等。本研究基于中国华南地区奥陶纪-志留纪转折期的汞元素富集和汞同位素特征，深入探讨了该时期不同阶段的火山活动特征，揭示了大规模火山活动对奥陶纪-志留纪转折期环境气候变化的重要作用（图1），进一步明确了火山活动与奥陶纪末生物大灭绝的潜在联系
图1 图文摘要
大规模火山活动（例如大火成岩省）被认为是地质历史时期全球环境气候变化以及生物大灭绝事件的关键触发因素之一。已有研究表明，在奥陶纪-志留纪转折期，火山活动对全球环境和气候变化起到了重要作用。然而，目前尚未发现该时期存在明确的大火成岩省记录。火山活动是大气中汞的主要来源，火山释放的汞可通过大气长距离搬运进入到全球系统。因此，地层中汞的富集现象，常被用作大规模火山活动的示踪标志。在奥陶纪-志留纪转折期，地层中广泛存在汞的富集现象，但仅靠单一的汞含量指标难以有效排除非火山来源汞的干扰，这使得不同学者对该时期汞富集的来源存在着较大分歧，例如，部分学者认为直接源于火山喷发，而另一些则认为可能是海水中汞的直接沉积所致。随着汞同位素研究的深入，科学家们发现奇数汞的非质量分馏（MIF，Δ199Hg）主要受到光化学过程的控制，这使得其在不同端元之间呈现出显著差异。因此，在汞元素富集的基础上，结合汞同位素分析可以更精确地示踪地层中汞的来源。
汞同位素揭示奥陶纪-志留纪转折期汞来源变化
本研究以中国华南地区奥陶纪-志留纪两个典型剖面（漆辽和田坝）为例，在已有汞含量富集的数据基础上，开展了高分辨率的汞同位素分析，并结合笔石生物地层，将奥陶纪-志留纪转折期汞同位素差异特征细分为五个阶段（I-V）（图2）。凯迪阶到赫南特阶早期（阶段I和II）的Δ199Hg值接近零或略微正偏，表明汞主要来源于大规模火山活动。在赫南特阶最大冰期（阶段III），Δ199Hg值明显升高，指示寒冷条件下高密度表层海水携带的汞下沉并沉积至海底。赫南特阶中期（阶段IV），Δ199Hg值显著负偏，归因于大陆风化增强导致的陆源汞输入增加。阶段V的Δ199Hg值回归火山范围，这与该时期火山活动的重新活跃密切相关。
图2 华南地区漆辽和田坝剖面汞和汞同位素对比
火山活动与奥陶纪末环境气候变化及生物大灭绝的潜在联系
凯迪阶至赫南特阶早期（图3A-B），大规模火山喷发可释放出大量的火山灰、二氧化硫（SO2）等物质。火山灰携带大量的营养物质输入到海洋后，能够刺激海洋表层初级生产力提升。大量新生成的有机质在其沉积过程中会消耗水体中氧气，从而易于在底部水体形成缺氧环境。此外，SO2在硫酸盐还原菌的作用下，可促进水体转变为硫化缺氧状态。随着时间推移，这两个过程不断累积，到凯迪阶末期，底部水体逐步形成硫化缺氧条件（图3B），进而触发了晚奥陶世生物大灭绝的第一幕灭绝（LOMEI-1）。与此同时，火山灰、SO2等形成的气溶胶会破坏太阳辐射平衡，导致全球气温下降，推动冰川规模持续扩大（图3C）。随着阶段I和II时期火山活动产生的气溶胶逐渐消散，火山此前释放的大量CO2能够引发全球变暖，导致大陆风化作用增强。风化过程中所释放的陆源物质携带着大量营养元素、硫酸盐等进入海洋，进一步促进了海洋表层初级生产力提高，并加剧底部水体的硫化缺氧程度（图3D），最终导致了晚奥陶世生物大灭绝的第二幕（LOMEI-2）的发生。
图3 华南扬子陆架海奥陶纪-志留纪转折期汞循环示意图
总结与展望
本文基于中国华南地区奥陶纪-志留纪转折期两个典型剖面的高分辨率汞同位素分析，揭示了该时期与火山活动相关的汞来源变化，明确了大规模火山活动与奥陶纪末环境气候变化及生物大灭绝之间的潜在联系。未来的研究可进一步量化火山活动强度、持续时间等因素对全球气候变暖或变冷的影响程度，为探讨火山活动与全球环境气候变化及生物大灭绝之间复杂的作用机制提供更加有力的科学依据。
本文内容来自The Innovation姊妹刊The Innovation Geoscience第3卷第2期以Report发表的"Mercury evidences link intensive volcanism to the Late Ordovician mass extinction and changes in the atmosphere-land-ocean system" (投稿: 2024-10-27；接收: 2025-01-23；在线刊出: 2025-02-18)。
DOI:10.59717/j.xinn-geo.2024.100124
引用格式：Qiu Z., Kong W., Zhang J., et al. (2025). Mercury evidences link intensive volcanism to the Late Ordovician mass extinction and changes in the atmosphere-land-ocean system.The Innovation Geoscience 3:100124.
作者简介
邹才能，中国科学院院士，教授级高级工程师，博士生导师。能源研究战略科学家、石油天然气地质学家、非常规油气地质学理论奠基人。现任中国石油集团新能源首席专家、中国石油学会新能源专委会主任、中国石油深圳新能源研究院首席科学家、中国石油国家高端智库研究中心副主任。主要从事常规—非常规油气地质学理论与勘探、新能源技术、能源战略、碳中和等领域研究，引领推动我国油气勘探从常规向非常规战略转变与重大发现、油气工业向新能源战略转型与协同发展，提出“超级能源系统”“氢能中国”“中国能源独立”“碳中和学”“能源三角”理论等一系列战略性超前性理念、认识与建议。出版《碳中和学》《非常规油气地质学》《新能源》《海相页岩气》《中国陆相致密油页岩油》等中英文专著20余部，发表学术论文 316篇(第一作者 126 篇，SCI 共 58 篇、EI 共 41 篇)，其中5篇论文获“中国百篇最具影响国内学术论文”。2019年起，连续五年入选爱思唯尔中国高被引学者榜单。2020年、2021年、2022年、2023年连续四年入选全球前2%顶尖科学家榜单。获批4个国家标准，获国家科技进步一等奖1项、二等奖1项，获省部级特等奖与一等奖10余项、李四光地质科学奖等。
邱 振，中国石油天然气股份有限公司勘探开发研究院高级工程师，博士生导师。国家优青基金项目获得者，入选为自然资源部科技领军人才，获第二届“中国孙枢奖”。现任致密油研究所副所长、中国沉积学专委会委员、中国古生物学会生物沉积学分会理事和新技术新方法专委会委员、西南石油大学客座教授、中国科学院客座研究员。主要从事于非常规油气沉积学、页岩基础研究与页岩油气新区新领域勘探评价，先后参加国家科技部、国家自然科学基金委、中石油公司等科研项目20余项。在Communications Earth & Environment、Geology、Engineering、中国科学地球科学等国内外地质与能源领域核心期刊发表论文150余篇。国家自然科学基金委网评/会评专家，《沉积学报》执行副主编（非常规油气方向）、《地球科学》等多家学术期刊编委/青年编委，近两年连续入选全球前2%顶尖科学家榜单。获学术/科技奖励10余项，其中省部级科技奖5项，合著专（译）著10部。
孔维亮，中国石油天然气股份有限公司勘探开发研究院工程师。2022年博士毕业于中国地质大学（北京），目前主要从事非常规油气沉积学与勘探评价研究工作。在GSA Bulletin、Lithos等学术刊物发表论文20余篇。
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