侏罗纪-白垩纪（J-K）过渡期，地球外生系统发生了显著的变化，如鱼类灭绝、黑色页岩集中生成、海底缺氧环境的形成、东亚陆相红层出现等。人们提出了多种机制来解释该时期的环境变化以及发生在海洋的生物灭绝，主要是海底的火山活动、海平面变化或陨石撞击。这与海洋Sr同位素和海底扩张速率研究结果矛盾。陆弧相关的岩浆和热液活动对该时期全球环境扰动的潜在贡献在很大程度上被忽视了。有关活动陆弧的“施肥”作用以及如何改变海洋环境之前并没有进行过研究和讨论。
为解决上述问题，中国科学院地质与地球物理研究所博士生刘威，在万博研究员指导下，模拟计算了东亚J-K过渡期大陆风化速率（图1）、东亚中生代W-Sn-Mo矽卡岩矿床金属产生速率（图2A）和CO2释放速率（图3A），结果发现W-Sn-Mo矽卡岩矿床产生频率最高发生在J-K过渡期，相应时间的金属产生速率最高为1.8±1 t/yr，CO2释放速率最高可达180 t/yr，相比其他构造碳源CO2释放速率（洋中脊：10~42 Mt/yr）小5个数量级。但单位体积释放CO2的效率矽卡岩矿床（100 Mt/yr.km3）相比构造碳源(10-6 Mt/yr.km3)，表现出极高的碳释放效率，这凸显了它们作为强度高但分布局限的碳源重要性。
图1 （A）140Ma东亚古地理图；（B）中生代东亚W-Sn-Mo矽卡岩矿床时空分布
图2 东亚中生代矽卡岩矿床金属产生速率（A）、岩浆作用强度随时间变化（B、C）、南岭成矿带晚三叠世和晚侏罗世成矿岩浆εNd (t)和锆饱和温度、黑色页岩中的金属元素浓度（E、F、G、H）。（宽和窄的黄带条带表示J-K过渡期和两次大洋缺氧事件）
图3 中生代东亚矽卡岩矿床CO2产生速率（A）、大气CO2浓度（B）、海表温度（C）、海水Sr同位素组成（D）、海底扩张速率（E）、O2浓度（F）和生物灭绝程度以及浮游生物多样性（G）。图E中的黄色柱子表示VMS出现的时间，F中的红色柱子表示东亚红层集中出现的时间
通过对比中生代东亚W-Sn-Mo矽卡岩矿床金属产生速率与中生代东亚岩浆作用、海洋金属元素浓度、黑色页岩形成时代、CO2释放量与大气CO2及O2浓度、海洋表面温度、海水Sr同位素组成、洋底扩张速率、东亚硫化物矿床形成时间、红层集中形成时间和生物多样性、灭绝速率曲线等发现：
（1）东亚中生代W-Sn-Mo矽卡岩矿床集中形成在J-K过渡期，相比华北和华南中侏罗世和早白垩世的岩浆爆发，该时期的岩浆作用强度显著的低（图2B、图2C）。这一岩浆活动沉寂期，对应于由下伏平板俯冲的太平洋板片拆沉所诱发的伸展构造环境。该时期形成的岩浆具有显著的地幔物质贡献（图2D），促使俯冲埋藏的页岩原岩发生高温部分熔融，进而形成富锡岩浆，并伴生相关矿床。
（2）J-K过渡期分布有广泛的黑色页岩，相比其他地质时代黑色页岩具有更高的金属元素浓度图（图2E-图2G）。这与东亚矽卡岩矿床金属产生速率在J-K过渡期存在较好的对应，研究团队认为这是由于相应时间内东亚地区陆弧以及矽卡岩矿床的侵蚀提高了来自陆弧的整体金属通量。东亚地区矽卡岩矿床的Mo产生速率（约0.2 Mt/Myr）与J-K过渡期洋中脊玄武岩 (MORB)和Shatsky Rise大火成岩省释放的Mo通量（0.5Mt/Myr）相当。值得注意的是，大陆矿床比玄武岩更容易风化，这可能导致钼更快、更集中地输送到海洋。此外，保存下来的矽卡岩矿体仅占原始矿床的一小部分，研究人员使用矽卡岩钨锡钼矿床作为东亚广泛矿化的代表。除了这些矽卡岩矿床之外，大约在 150 Ma 左右还出现了巨大的斑岩型钼矿床（例如，岔路口：2.46 Mt，曹四窑：1.79 Mt，迪彦钦阿木：0.78 Mt），以及广泛的铜铅锌矿化。
海洋中Mo浓度的峰值与东亚Mo金属产生速率峰值之间存在5-10 Ma的滞后，考虑到Mo矿床的形成深度（3-5 公里）以及造山带典型的剥蚀速率（0.5-6 毫米/年），因此，该滞后时间是合理的。Cu、Zn和Mo在海水中的停留时间差异显著，分别约为 50 kyr、150 kyr 和 800 kyr。尽管存在这些差异，这三种元素在J-K过渡时期的海洋黑页岩中浓度都同时出现上升。金属元素之间的这种一致性支持了以下解释：升高的丰度反映了来自岩石圈的外部金属输入，而不是海洋内部的循环。
矿床中的金属元素主要来源于中性至酸性成矿岩体。它们的风化作用仍然可以提供相当甚至更丰富的元素通量。钨锡矿床的主要金属来源是富含金属的页岩，这些页岩在部分熔融过程中也贡献了显著的磷组分。与此一致的是，东亚和全球的黑色页岩中的磷含量在侏罗纪-白垩纪过渡时期均呈上升趋势（图 2H）。
这些微量金属在调节海洋初级生产力和营养循环中起着关键作用。金属通量通过调节浮游植物的营养吸收、光合效率、固氮作用和有机物矿化作用，直接或间接地影响富营养化。在J-K过渡期，东亚陆弧相关岩石风化作用的加剧可能向海洋输送了大量的铁、锌、铜和其他生物必需金属。这种微量营养元素的涌入可能刺激了海洋初级生产力和有机物沉积，从而导致了这一温室时期海洋缺氧和碳封存的增强。
（3）陆弧相关矿床系统的强烈风化作用可能与增强的生物生产力协同作用，促进了J-K过渡时期的碳封存。在陆弧环境中，快速隆升和热液蚀变使大量反应性硅酸盐岩石暴露出来，从而增强了CO2的消耗。这些岩石的分解释放出富含营养元素的物质，刺激了海洋初级生产力。这些营养元素流入海洋（图 2E-图2H）可能导致初级生产力增加，甚至导致海洋富营养化。这反映在浮游植物物种的多样化（图 3G）上，从而导致二氧化碳的封存（图 3B）、海面温度降低（图 3C）以及影响晚侏罗世的大气氧O2浓度的升高（图 3F）。增强的O2浓度在大陆风化过程中进一步将Fe2+氧化为Fe3+，导致东亚广泛形成红层（图 3F）。同时，沉降有机物的分解导致消耗海洋中的O2，加剧了微生物硫酸盐还原作用。因此，富含有机质的黑色页岩沿大陆边缘堆积（图 1A、图2E），并且广泛保存了VMS矿床（图 3E）。富营养化和缺氧环境为海洋动物群创造了不适宜生存的条件（图3G），导致超过15%的属灭绝——其规模接近白垩纪末期大灭绝。通过将陆弧成矿作用的生物地球化学效应置于这一更广泛的灭绝框架内，该研究为岩石圈过程如何加剧侏罗纪-白垩纪过渡期的环境压力提供了一个新的视角。
该研究探讨了晚侏罗世至早白垩世期间，东亚地区由于平板俯冲板片断裂下沉而引发的强烈矿化作用及其环境响应。虽然矽卡岩化作用略微增加了陆弧的二氧化碳通量，但其主要的环境影响似乎恰恰相反：矽卡岩矿床和成矿岩体的风化作用向海洋输送了大量的营养元素，从而增强了初级生产力，并有效地充当了碳汇（图 4）。与此同时，富含金属且有机质含量高的页岩的形成显著增加。随后的海洋富营养化与各种环境指标的变化趋势相吻合，最终导致侏罗纪末期海洋鱼类的大规模灭绝。因此，岩石圈动力学可能是侏罗纪-白垩纪过渡时期观测到的深刻环境变化的根本原因。
图4 J-K过渡期，东亚圈层相互作用示意图
研究成果发表于国际学术期刊GCA（刘威*,初旭,曹文融,万博. Weathering of skarn deposits offsets decarbonation during Jurassic-Cretaceous mineralization in East Asia[J]. Geochimica et Cosmochimica Acta,2025. DOI: 10.1016/j.gca.2025.11.049.）。研究受深地项目（2025ZD1005006）和国家自然科学基金（42325206和42488201）的资助。
刘威（博士生）
