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郭正府等-NC: 印度-亚洲大陆碰撞导致新生代大气CO2浓度变化
2021-06-28 | 作者: | 【 】【打印】【关闭

  新生代以来全球气候变冷是地球科学领域广泛关注的焦点问题之一,被认为与大气CO2浓度降低有密切的联系。青藏高原隆升及其相关的深部-表层相互作用在新生代气候转型过程中起着重要的作用,然而关于印度与亚洲大陆汇聚、碰撞、俯冲过程与新生代大气CO2浓度变化的具体作用机制仍存在很大的争议。一种观点认为,青藏高原隆升导致地表硅酸盐风化作用增强,加速消耗大气圈中的CO2,从而造成大气圈CO2浓度降低;另一种观点认为,随着印度与欧亚大陆的碰撞,导致新特提斯洋关闭,最终使得大洋板片俯冲脱碳作用停止,造成深部碳释放速率降低。青藏高原新生代岩浆活动与变质作用完整记录了陆-陆碰撞和大陆俯冲的演变过程,同时它们也是深部碳循环的主要载体,为研究上述的科学问题提供了重要材料。尽管前人也开展了探索与研究,但大多针对新生代典型气候事件(例如,PETMEECO等)的形成机制与成因等,而缺乏新生代以来地质源(包括构造、岩浆与变质作用等)温室气体释放规模连续的研究记录。 

  近日,中国科学院地质与地球物理研究所新生代地质与环境重点实验室郭正府研究员、刘嘉麒院士与英国利兹大学、德国慕尼黑大学的合作者,在以往研究(郭正府等-Geology:渐新世-中新世之交:青藏高原隆升过程中岩浆活动的转型)的基础上,系统分析和总结了印度-亚洲大陆碰撞的深部地球动力学过程和青藏高原新生代岩浆活动历史,重建了65 Ma以来岩浆-变质作用深部碳释放通量的演化曲线,并探讨了与新生代大气CO2浓度变化的关系,为上述这一焦点问题的深入理解提供了新的研究视角。 

  一、青藏高原新生代岩浆活动的三阶段演化及其与大气CO2浓度变化的耦合关系 

  新生代青藏高原的岩浆活动规模巨大,从早到晚,呈现出接近连续的岩浆活动与演化特征。自65 Ma以来,青藏高原新生代的构造-岩浆活动可以划分为如下三个演化阶段(图1):   

  1)第一阶段(65-55 Ma)的岩浆活动以藏南拉萨地块的安第斯型火成岩为主(图1b),属于新特提斯洋壳俯冲的产物,岩浆源区的富集组分主要为富硅沉积物;这一阶段的大气CO2浓度呈现出变化平缓、中等水平(平均约400-450 ppm)的特征。 

1 青藏高原新生代构造-岩浆活动与全球大气CO2浓度变化的三阶段对应关系

  2)第二阶段(55-25 Ma)的岩浆活动频繁且剧烈(图1c)。早期(55-50 Ma)主要分布于拉萨地块,代表印度板片俯冲起始阶段,是新特提斯洋壳俯冲沉积物与印度板片俯冲导致的碳酸盐交代地幔部分熔融的产物;晚期(50-25 Ma)的岩浆活动在羌塘地块形成了大规模的熔岩流和火山碎屑岩,包含了从富钾到富钠的火成岩演化组合,该时期的岩浆活动与印度大陆俯冲形成的碳酸岩组分交代上地幔的部分熔融有关。火成岩的同位素及微量元素地球化学模拟计算结果显示,第二阶段(55-25 Ma)的幔源岩浆源区具有比其它两个阶段更高比例的碳酸盐富集组分以及碳回返率。该阶段早期的大气CO2浓度迅速升高且维持在较高水平(平均约900 ppm),后期出现缓慢降低的趋势。 

  3)第三阶段(25-0 Ma)岩浆活动规模骤然减小,且岩石类型单调(主要包括超钾质-钾质岩),主体分布于青藏高原南北部(图1d),该阶段的岩浆活动是印度和亚洲大陆双向俯冲导致的碳酸岩与硅酸岩组分交代的上地幔发生部分熔融的产物。这一阶段大气CO2浓度总体保持在较低的水平(平均约300 ppm)。 

  上述的研究表明,青藏高原新生代岩浆活动的规模、类型以及源区物质组成与碳回返率,均显示出与新生代大气CO2浓度变化耦合的三阶段演化特征(图1),这一特征为进一步研究印度-亚洲大陆碰撞的深部碳释放规模与大气CO2浓度变化的联系提供了关键证据。 

  二、新生代以来印度-亚洲大陆碰撞导致的深部碳释放规模及其随时间的演变  

  为了进一步定量化研究印度-亚洲大陆碰撞过程中深部碳释放通量、规模及其与大气CO2浓度变化的关系,本研究首次开发“大陆碰撞深部碳释放通量模型(CCFM)”,并重建了青藏高原新生代以来(65 Ma至今)岩浆-变质成因碳释放规模的演变特征,该模型综合考虑了岩浆源区富集组分比例(碳酸盐与硅酸盐)、含水矿物组合与部分熔融程度,以及俯冲速率,俯冲带长度和俯冲物质等。研究结果显示,印度-亚洲大陆碰撞过程中深部碳释放通量同样具有三阶段演化的特征(图2): 

2 青藏高原新生代岩浆和变质碳释放通量的变化趋势(b)及其与全球大气CO2浓度(a)对应关系。Measured result为现今青藏高原水热系统脱碳通量的野外实测结果,与模型计算结果一致;蓝点代表了覆盖整个青藏高原的55个新生代火山区中287件样品的计算结果,红线为每个火山区释放通量的平均值。1 Pg = 1015 g

  第一阶段(65-55 Ma)展示了较低的CO2释放通量(0.0002-0.0035 Pg/year),且后期具有升高的趋势。 

  第二阶段(55-25 Ma)整体呈现出较高的CO2释放通量(0.0838-6.7206 Pg/year)。该阶段早期(55-50 Ma)的CO2释放通量较高,并在52 Ma达到峰值(约7 Pg/year,接近现今人类活动的排放量);而在50 Ma之后(50-25 Ma)则缓慢降低,这种变化特点与岩浆成分以及碳释放机制有关。早期(55-50 Ma)主要为岩浆-变质作用导致深部碳库巨量CO2释放,其中深部变质作用(碳酸盐溶解)释放的碳与新特提斯大洋板片长期的俯冲富集有关,贡献量可达4.4 Pg/year;而晚期(50-25 Ma)主体为岩浆活动的贡献。这说明与岩浆活动有关的深部碳释放减少可能是新生代大气CO2浓度降低的主控因素。 

  第三阶段(25-0 Ma)呈现了中等规模的CO2释放通量(0.0031-0.0348 Pg/year),此阶段岩浆源区碳酸盐富集比例明显降低,表明印度陆缘碳酸盐已大部分俯冲再循环进入地幔楔,富硅酸盐的陆壳物质成为主要的富集组分,意味着深部碳库在这一时段发生了明显的转变。此外,8 Ma之后(8-0 Ma)青藏高原南部岩浆活动的停止对应于大气CO2浓度的进一步降低,可能导致了晚中新世的气候变冷。 

  模型计算结果显示,第一阶段(65-55 Ma)的CO2释放通量较低,但其大气CO2浓度却呈现中等水平;而第三阶段(25-0 Ma)的CO2释放通量中等,但其大气CO2浓度却较低。上述这种解耦现象可能与晚新生代青藏高原高原强烈隆升造成的硅酸盐风化作用加强,进而导致第三阶段的大气CO2浓度显著降低有关。尽管如此,未来还需要更深入的研究,以进一步约束新生代高原隆升过程中深部碳释放-地表风化碳消耗的综合气候效应。此外,与以往研究不同,本文提出大陆碰撞过程中地幔碳酸盐交代作用在深部碳循环中扮演重要的角色,一种可能的机制是俯冲板片携带的碳酸盐(如白云石)交代二辉橄榄岩/方辉橄榄岩形成含异剥橄榄岩的地幔岩石组合,在此过程中发生脱碳反应释放巨量CO2。在火山喷发期,这些CO2随火山活动喷出地表,进入大气圈;在火山休眠期,则通过温泉水热系统、断裂带以及土壤微渗漏等形式将CO2等释放至大气圈(图3)。

3 印度-亚洲大陆碰撞造山带的CO2释放类型,主要包括变质作用和岩浆活动的碳释放两种类型。其中,岩浆活动碳释放类型包括:火山喷发期的碳释放及休眠期温泉水热系统、断裂带和土壤微渗漏

  前人利用岩浆包裹体估算深部碳释放通量的方法,不仅存在较大的误差,且难以获得连续的高精度结果,本研究开发了一种利用岩石地球化学参数结合深部动力学过程重建构造-岩浆活动碳释放通量的模型(CCFM),建立了新生代以来地球深部释放温室气体通量的时间演化序列,探索了65 Ma至今青藏高原深部碳循环与全球大气圈温室气体以及气候变化之间的内在联系。在未来的相关研究工作中,该模型有望能够进一步发挥其潜力,将固体地球科学与古气候学的研究有机地结合起来,进一步打通利用岩石地球化学等手段开展古气候学研究的科学障碍,为深入开展地球深时的古气候变化提供新的研究思路与途径。本研究的合作单位之一德国慕尼黑大学地球和环境科学系在官网上评述,认为“文章为理解新生代大气CO2浓度变化与印度-亚洲大陆碰撞、造山的关系提供了高精度的岩浆-变质活动碳释放记录”。 

  研究成果发表于国际顶级学术期刊Nature Communications(郭正府, Marjorie Wilson, Donald B. Dingwell, 刘嘉麒. India-Asia collision as a driver of atmospheric CO2 in the Cenozoic[J]. Nature Communications, 2021, 12, 3891. DOI: 10.1038/s41467-021-23772-y)。本研究成果受中国科学院、国家自然科学基金及科技部项目的联合资助。 

 
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