沉积之声：古特提斯洋俯冲带大规模弧火山活动驱动早二叠世气候变暖

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在地球46亿年的漫长历史中，地质历史时期的气候可以分成两种：冰室气候和温室气候。地质历史时期的地球经历了多次冰室和温室气候的交替演变 ，二叠纪见证了从晚古生代冰期到中生代温室的气候转变。二叠纪的冰室-温室气候转变是距今最近一次、也是地球发育陆地植被以来唯一一次从冰室到温室的气候演变，其中经历了早二叠世中期的冰川沉积物大量消融、中-晚二叠世的阶段性冰川活动、二叠纪末的快速气候变暖等重大气候变化事件。

图1 显生宙以来的冰室-温室气候演变图

在早二叠世的Sakmarian-Artinskian期，地质记录显示高纬地区发生大规模的冰盖消退、大气CO₂浓度的显著增大（从工业革命前的水平280ppm到>600 ppm，Montañez,2022）、海水表层温度的升高。同时期，古特提斯洋在低纬度地区也发生了大规模的俯冲作用和大陆弧火山活动。值得注意的是，陆缘弧火山活动能够将深部俯冲带带入地幔的碳以二氧化碳的形式释放到大气中，具有重要的CO2释气作用，因此被认为是地质历史时期冰室与温室气候演变的重要调控因素（Mckenzie et al., 2016）。中国地质大学（武汉）的博士生冯薇在导师杨江海教授的指导下，与澳大利亚莫纳什大学和美国蒙特克莱尔州立大学合作，对古特提斯俯冲带的沉积记录开展研究，在碳循环模型模拟的基础上，提出了古特提斯洋的低纬俯冲弧系统大规模火山释气是驱动早二叠世大气CO2浓度升高和气候变暖的重要因素。

火山活动是地质历史上自然释放二氧化碳的重要途径之一。俯冲带火山不同于热点火山（如夏威夷），其气体来源包括俯冲板片带入的沉积碳源。在现今地球系统中，大洋板块的俯冲过程是连接浅表碳库与地幔深部碳库的重要通道。具体而言，随着大洋板块俯冲至地幔之中，板片上携带的大量海洋沉积物（如富含碳酸盐和有机碳的沉积岩）也随之被带入地球内部。这一过程实现了大气-海洋系统中的碳元素向地球内部的转移；而弧火山活动又将俯冲的碳以二氧化碳等形式重新释放到大气中，完成浅表到深部再到地表圈层的碳循环。在现代俯冲带中，危地马拉—萨尔瓦多、哥斯达黎加、哥伦比亚—厄瓜多尔、秘鲁和尼加拉瓜等大陆火山弧俯冲系统位于低纬度地区，其俯冲板片沉积物具有较高的碳酸盐含量（大多大于15%; Arzilli et al., 2023），对应的弧火山活动具有相对较高的CO2释气速率（图2）。这一现代地质过程，为理解地质历史时期大规模碳释放事件提供了重要参照。

图2 现代弧系中，平均弧长的的变质脱碳作用二氧化碳通量与平均弧长测量的火山二氧化碳通量（A）、俯冲二氧化碳通量与俯冲板块沉积物（B）的对比（这些弧系根据上覆板块的性质分为大陆弧和海洋弧。CE–哥伦比亚–厄瓜多尔，CR–哥斯达黎加，GES–危地马拉/萨尔瓦多，Nic–尼加拉瓜，Per–秘鲁），数据来源自Arzilli et al.(2023)

古特提斯洋在低纬地区也发育有大规模的俯冲弧系统，可能通过深部碳循环机制来影响地球的气候系统演化。古特提斯洋（Paleo-Tethys Ocean）位于冈瓦纳大陆北缘，横跨现今东南亚、中国西南至中亚地区，周缘发育了一系列俯冲-碰撞构造演化带，其形成和演化过程深刻影响了全球构造格局、沉积环境及气候变化。古特提斯洋东部的边界由一系列北东向延伸的构造带组成，主要包括金沙江构造带、哀牢山构造带、Song Ma构造带和Song Clay缝合带（统称为Jinshajiang-Ailaoshan–Song Ma–Song Chay带, 简称JASS带；Metcalfe, 2021; Wang et al., 2022）。 JASS带在古地理上分隔开华南板块与印支-思茅地块，构成了古特提斯洋中支。而古特提斯洋的北支则主要由东昆仑-秦岭-大别等构造带代表，南支则为与主洋盆俯冲-闭合相关的昌宁—孟连等构造带（Metcalfe, 2021; 林伟等, 2025）。

本研究聚焦于哀牢山构造带西部（今云南西南地区）的火山-沉积记录。该地区保存有一套较为完整的晚石炭世-早二叠世火山-沉积序列，我们对五素和冲头两个剖面进行了系统的剖面实测和样品采集。通过砂岩碎屑组分、火山岩锆石U-Pb年龄和碎屑锆石U-Pb年龄及微量元素和Hf同位素组成等多种分析，对沉积地层时代、沉积源岩进行了精细限定，明确所研究的地层沉积时代为主要为早二叠世Artinskian-Roadian 期，识别出两类与俯冲相关的火山源岩，即弧后火山岩和大陆弧火山岩，确定了弧后盆地的沉积环境；结合所收集的周缘沉积岩数据揭示了古特提斯洋中支具有向西俯冲的构造演化格局，其俯冲起始时代为晚石炭世晚期、并在290−280Ma发育大规模的弧火山活动。

图3 碎屑锆石U/Yb-Nb/Hf (B) Th/Nb-Hf/Th (C) Nb/Yb-U/Yb (D) Hf同位素和碎屑锆石年龄比值图。碎屑锆石颗粒年龄均小于320 Ma。根据微量元素特征，这些碎屑锆石颗粒可分为两组，它们在Th/Nb-Hf/Th和Nb/Yb-U/Yb图解中显示出不同的化学特征。同时，来自五素玄武岩的锆石颗粒的化学特征与第2类锆石相似。

哀牢山带向北西连接金沙江构造带，南东向延伸至Song Ma、Song Clay带，构成古特提斯洋中支的俯冲弧系统，其长度可达1700公里，若加上古特提斯洋北支（如昆仑-秦岭-大别带）和南支（如昌宁-孟连带）相关的俯冲弧系统，古特提斯洋的整个俯冲弧系统的总长度可达约6350公里（图4）。如果将这条俯冲弧系统比作今天的构造体系，那么其规模大约相当于连接起整个日本列岛、琉球群岛和菲律宾群岛的总长度，远超现代任何单一俯冲带系统。

图4 古特提斯洋相关低纬度俯冲带的分布，修改自Torsvik和Cocks(2016)

根据岩浆和沉积记录，该俯冲系统的弧火山活动高峰期在时间上对应于早二叠世的大规模冰川消融和气候变暖。古特提斯洋的早二叠世俯冲弧系统整体位于低纬度热带地区，临近的华南、思茅等地块发育有大量的碳酸盐沉积序列，具有较高的碳酸盐生产速率，推测其俯冲板片沉积物中具有较高的碳酸盐含量。类比现代热带地区高碳酸盐俯冲带的大陆弧火山CO₂释放速率（0.0018至0.0059 Mt yr-1 km-1），可以估算出古特提斯洋的俯冲弧系统在290−280Ma的火山活动高峰期可释放约为 1.1×108到3.7×108 Mt （约31,000到102,000 Gt C）。针对估算CO2量的低值（31,000 Gt C）和高值（102,000 Gt C），并类比现代安第斯大陆弧火山CO2气体的碳同位素比值(约-3‰)，采用LOSCAR模型（Long-term Ocean-atmosphere-Sediment Carbon cycle Reservoir model, 长期海洋—大气—沉积物碳循环储库模型，Zeebe et al., 2009）模拟表明，古特提斯洋早二叠世俯冲带的弧火山CO2释气可以导致大气CO2浓度从~300ppm升高至380−640 ppm，但对海洋DIC碳同位素组成没有显著影响，这与前人报道的古土壤记录、海洋碳同位素和冰川记录数据高度一致（图5）。据此文章提出，古特提斯洋低纬俯冲带的形成和早二叠世强烈大陆弧火山活动或许是二叠纪早期大规模冰川消融、大气CO2浓度升高和气候变暖的重要驱动因素，其他可能的碳源包括环特提斯洋火成岩省的火山释气作用。

图5 LOSCAR 模型运行结果显示了早二叠世低纬度古特提斯相关俯冲相关弧火山 CO₂排放量的输入影响估算（A），并与古土壤大气中pCO₂的古记录（A）、海洋碳酸盐δ¹³C及牙形石δ¹⁸O（B）、爆发式火山沉积物及其相关的负辐射（C）进行了对比。进行的两组模拟实验分别对应输入31000 Gt C或是102000 Gt C。假定排放的CO₂具有δ¹³C = -3‰ （基于现代弧火山释放的CO₂），并在10个百万年的时间内均匀释放。初始稳态条件下，大气pCO₂设定为300 ppm，并且海洋表层溶解无机碳（DIC）的δ¹³C约为3 ‰。图中还展示了1960至2022年间人类活动CO₂排放下测得的大气pCO₂变化以作对比。早二叠世的火山沉积物以5个百万年为单位进行分组，并以直方图形式表示，其所引发的负辐射被归因于火山硫酸盐气溶胶的作用（C；Soreghan et al., 2019）

本文第一作者是中国地质大学（武汉）的博士生冯薇，本研究建立了“俯冲带火山活动-大气CO₂升高-气候变暖”的因果链条，从沉积记录示踪物源区构造、岩浆演化的角度切入，利用现代数据估算地质历史时期的二氧化碳通量，结合碳循环数值模拟，提出了一个关于早二叠世气候转变的新解释。该成果于2025年4月13日发表于自然指数因子Nature Index期刊《Earth and Planetary Science Letters》上。

详情请阅读原始文献：Feng, W., Yang, J.*, Cawood, P. A., Ma, R., Zhou, Y., Cui, Y., 2025. Volcanic CO2 emissions from subduction of the tropical Paleo-Tethyan Ocean contributed to the early Permian deglacial warming. Earth and Planetary Science Letters, 660, 119361.

主要参考文献

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【2】McKenzie, N. R., Horton, B. K., Loomis, S. E., Stockli, D. F., Planavsky, N. J., Lee, C. T. A., 2016. Continental arc volcanism as the principal driver of icehouse-greenhouse variability. Science 352, 444−447.

【3】Metcalfe, I., 2021. Multiple Tethyan ocean basins and orogenic belts in Asia. Gondwana Research, 100, 87-130.

【4】Montañez, I.P., 2022. Current synthesis of the penultimate icehouse and its imprint on the Upper Devonian through permian stratigraphic record. In: Lucas, S.G., Schneider, J.W., Wang, X., Nikolaeva, S. (Eds.), The Carboniferous Timescale, 512. Geol. Soc. London Spec. Publ, pp. 213−245.

【5】Soreghan, G. S., Soreghan, M. J., Heavens, N. G., 2019. Explosive volcanism as a key driver of the late Paleozoic ice age. Geology 47, 600−604.

【6】Torsvik, T. H., Cocks, L. R. M., 2016. Earth history and palaeogeography. Cambridge University Press.

【7】Wang, Y., Lin, W., Faure, M., Van Nguyen, V., Meng, L., Chu, Y., Wei, W., Thu, H. L. T., Lepvrier, C., Van Vu, T., Li, Q., Wang, H., Chen, Z., Wu, L., Wang, F., 2022. Correlation among the Ailaoshan–Song Ma–Song Chay orogenic belts and implications for the evolution of the eastern Paleo-Tethys Ocean. Tectonophysics 843, 229618.

【8】Zeebe, R. E., Zachos, J. C., Dickens, G. R., 2009. Carbon dioxide frocing along insufficient to explain Palaeocene-Eocene Thermal Maximum warming. Nature Geosci. 2, 576-580.

【9】林伟, 王印, 刘飞, 孟令通, 吴钦颖, 郭钊, 卫巍, 褚杨, 李金雁, 王清晨, Faure Michel, Nguyen V.V., 2025. 印支造山带及其地球动力学. 中国科学: 地球科学, 55, doi 10.1360/SSTe-2024-0160.