2024年3月29日，《Science》旗下綜合性子刊《Science Advances》（2023年影響因子為14.957）刊出中國石油勘探開發研究院張水昌院士研究團隊完成的《Subaerial volcanism broke mid-Proterozoic environmental stasis》一文。

這是該研究團隊繼2015年、2016年連續在《PNAS》（美國科學院院刊）發表論文之後，又一次在國際頂級綜合性學術期刊刊文。

地球有著46億年的曆史，但幾乎所有的動物演化和化石能源形成被濃縮在6億年前以來，波瀾壯闊的地質和生物演變讓人為之癡迷。與之形成鮮明對比的是，在中元古代(18~10億年前)和新元古代早期(10~8億年前)的十億年內，地球係統似乎處於超長穩定期，其標誌是與岩石圈、地表環境和生物圈相關的地層記錄都缺乏明顯波動。這段時間也被稱為“無聊的十億年”、“平衡的十億年”。

然而，越來越多的證據顯示，中元古代已經出現了早期真核生物的多樣性演化，大氣氧含量甚至可以滿足動物呼吸需要，中國、俄羅斯和澳大利亞相繼報道了中元古代鐵、錳礦床和豐富的油氣資源。這些新發現表明中元古代數億年的沉積過程並不寂靜。那麽，打破寂靜期的“扳手”是什麽？鑒於顯生宙的多次重大地質事件幾乎都與大規模火山活動有關，中元古代火山活動和地表環境響應也成為亟待解決的一個重大科學問題。

該研究團隊持續聚焦早期地球係統演化和古老油氣係統形成機製研究，相關成果獲得了國內外高度關注。此次是以中國華北燕山地區14億年前的下馬嶺組黑色頁岩為研究對象，對中元古代火山活動示蹤及其環境資源效應給出了最新答案。

研究發現，在13.82億年前的大火山岩省(LIPs)之前，下馬嶺組沉積物已經記錄了多層火山灰以及同步的汞含量上升和汞同位素非質量分餾(Hg-MIF, Δ199Hg, Δ200Hg)由正值向0值靠近，指示發生了地表火山活動。這些火山活動發生在(13.99~13.98)億年前，與LIPs噴發時間的間隔大於1600萬年。伴隨著火山噴發，沉積物中的鋰含量明顯上升，而鋰同位素(δ7Li)則出現負漂移，表明山體海拔上升和新鮮岩石出露使陸地剝蝕過程加劇，風化剝蝕比(W/D)降低，更多富鋰的碎屑物質被輸送到海洋中。這一過程的形成還與火山活動向大氣釋放更多的CO2，導致陸地水文循環增強和陸表徑流增加有關。

研究還發現，在火山活動期間，海洋水體的缺氧程度並未發生明顯變化，沉積磷和有機碳含量的大幅增加不能歸因於水化學條件的改變，更可能反映了陸源營養物輸入通量的加劇和海洋初級生產水平的提升。之後的Hg-MIF和δ7Li同步發生正漂移，與火山灰缺失相一致，指示火山活動再次沉寂，陸地風化強度開始增加，W/D值升高，陸源磷輸入開始降低。但海洋沉積物中的碳磷摩爾比(C:P)由火山噴發後的212:1提升至397:1，意味著與碳相比，有機質中的磷更易被降解到水柱中，進一步維持了海洋的富營養狀態，促進初級生產力並維持數百萬年甚至更長時間。

年齡框架是基於火山灰鋯石U-Pb年齡(1392.2±1.0 Ma)以及0.66 cm/kyr的平均沉積速率，Δ199Hg和δ7Li的趨勢線由LOWESS平滑給出。(A)缺乏火山活動，Hg同位素的非質量分餾(Hg-MIF)為正值，高的大氣CO2含量和降水匱乏導致陸源營養物質輸入量低，海洋初級生產力低，缺少黑色頁岩沉積；(B)發生區域性火山活動，Hg-MIF值在0值附近，新鮮岩石風化向海洋中輸送了大量營養物質，促進生產力勃發；(C)火山噴發後期，Hg-MIF值恢複為正值，盡管陸源輸入減少，但水柱和沉積物表層磷的再循環維持了高的海洋初級生產力。

此外，下馬嶺組火山活動還與中元古代增氧事件的時間相吻合。這可能是由於中元古代海洋長期處於寡營養狀態，對陸地磷輸送量的變化非常敏感。區域性火山噴發導致的營養物供給增加顯著提高了海洋初級生產力，進而有利於有機碳埋藏和大氣氧含量升高。

這項研究揭示，不僅僅是LIP，地表火山活動及其引發的陸地風化狀態的改變，可能在打破中元古代環境穩態方麵發揮了重要作用，成為驅動中元古代地球表層環境演化和油氣資源形成的關鍵“扳手”。

原標題：《《Science》旗下綜合性子刊《Science Advances》刊出張水昌院士最新研究成果》（標題來源： 元素和同位素地球化學公眾號）

來源：中國日報網

作者：杜娟

編輯：諸鵬飛

審核：盛捷