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7.2亿年前的岩浆岩省与雪球地球的启动
2022-09-14 | 编辑: | 【

在新元古代成冰纪,地球表面系统先后经历了司图特冰期(Sturtian7.17-6.60亿年前)和马林诺冰期(Marinoan6.50-6.35亿年前)两次整个地球几乎完全被冰雪覆盖的雪球地球事件。这种极端气候的诱因及其影响是学界持续关注的前沿热点领域之一。

北美约7.2亿年前的富兰克林大火成岩省喷发,在古赤道附近侵入富集硫的地层,且在时间上与司图特冰期启动时间一致,因此其被认为是司图特冰期启动的重要因素。具有代表性的相关模型为火山冬天模型和基性岩风化模型。前者认为,冷的背景气候可以降低赤道附近的对流层顶高度,促使富兰克林大火成岩省喷发的SO2可以进入平流层,造成行星反照率突然增加,引起全球降温;而后者则认为,富兰克林大火成岩省产生的大规模基性熔岩持续风化,推动了大气中温室气体CO2下降到一个可以促发雪球的阀值。

然而,近期研究发现,大火成岩省的总面积或者其在热带的面积与大陆冰盖的规模之间关系微弱。富兰克林大火成岩省单独作用是否可以启动司图特冰期?如何通过地质证据建立寒冷背景气候与火山喷发SO2注入平流层之间的联系?这些问题至今仍未得到很好的回答。

除了富兰克林大火成岩省,其他大陆也可能发育有约7.2亿年前的大规模岩浆活动。基于细粒沉积岩的Nd同位素和含量的研究,发现在临近司图特冰期之前,华南地区源自基性源区风化形成的碎屑组分贡献率最高可达80%,暗示当时华南很有可能也发育有较大规模的基性岩浆活动。因此,查明约7.2亿年以前岩浆作用的时-空间分布对深入理解司图特冰期的启动机制具有重要意义。

基于上述科学问题和研究思路,中国科学院南京地质古生物研究所杨传副研究员与中国科学院地质与地球物理研究所李献华院士团队等合作,通过高精度地质年代学和全岩地球化学的综合研究,在华南的南秦岭地区识别出一个与富兰克林大火成岩省时代相近的岩浆岩省,称为湖北-陕西岩浆岩省。

此次华南研究新识别出来的7.2亿年前的湖北-陕西岩浆岩省拓展了成冰纪雪球地球启动前大规模岩浆活动的时空分布,并且地质证据将司图特雪球地球启动之前冷的背景气候与冰期启动时期平流层气溶胶的注入联系起来,提供了合理的雪球地球启动机制。相关研究成果发表在国际知名刊物《地球与行星科学通讯》(Earth and Planetary Science Letters)上。

湖北-陕西岩浆岩省的主喷发期时间为7.2亿年前,早于司图特冰期启动约三百万年;分布面积至少有10万平方公里;岩石组合主要包括双峰式的喷出岩和侵入岩。通过野外地质、岩石组合、全岩地球化学综合研究显示,湖北-陕西岩浆岩省形成于典型大陆裂谷环境。玄武质岩浆来自不同深度的软流圈地幔,通过分离结晶和同化混染形成少量与玄武岩互层的中性岩;同期底侵的基性岩浆提供热源,引起地壳重熔形成相关的流纹岩。

研究获得的高精度地质年代学、古地理和地球化学数据综合分析显示:(1)相关的大规模岩浆活动从7.2亿年前开始,持续到司图特冰期启动;(2)这些7.2-7.17亿年前的岩浆活动横跨罗迪尼亚超大陆,从赤道到中纬度地区;(3)湖北-陕西岩浆岩省与劳伦-西伯利亚大火成岩省的基性岩具有可对比的地球化学组成特征。鉴于岩浆活动年龄和地球化学成分上的一致性、空间分布的广泛性以及富兰克林地幔柱的记录,这些7.2-7.17亿年前的岩浆岩省可以用罗迪尼亚超大陆下伏的超级地幔柱来解释。

另外,研究提出,发生在司图特冰期之前几百万年的低-中纬度的火山可能增强了全球风化,创造了冷的背景气候,降低了赤道附近对流层顶的高度,促使富兰克林大火成岩省喷发的SO2顺利进入平流层,这一链式反应最终可能引发了司图特雪球地球的启动。

论文第一作者为地质与地球物理所路凯博士,通讯作者为南京古生物所杨传博士和地质与地球物理所李献华院士,研究团队还包括地质与地球物理所Ross Mitchell研究员、周久龙博士、吴黎光博士和云南大学王选策教授。

论文相关信息:Kai Lu, Ross N. Mitchell, Chuan Yang*, Jiu-Long Zhou, Li-Guang Wu, Xuan-Ce Wang, Xian-Hua Li*. Widespread magmatic provinces at the onset of the Sturtian snowball Earth. Earth and Planetary Science Letters, 2022, 594, 117736. https://doi.org/10.1016/j.epsl.2022.117736.


1司图特冰期记录和7.2亿年前岩浆岩省的古地理分布、相关地质年代学数据总结,以及富兰克林大火成岩省地球化学的空间分带

2 华南北部7.2亿年前岩浆岩省的时-空分布特征以及高精度地质年代学结果

 

3 华南北部7.2亿年前岩浆岩省的地球化学特征


图4 富兰克林、伊尔库茨克和湖北-陕西岩浆岩省基性岩石的地球化学特征对比(湖北-陕西岩浆岩省地球化学特征类似于富兰克林大火成岩省外带基性岩的特征)


 
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