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路凯等-EPSL:7.2亿年前的岩浆岩省与雪球地球的启动

摘要:华南新厘定出一个7.2亿年以前形成时位于中纬度的岩浆岩省,而已报道的时代相近的岩浆岩省形成时位于低纬度。…

摘要:华南新厘定出一个7.2亿年以前形成时位于中纬度的岩浆岩省,而已报道的时代相近的岩浆岩省形成时位于低纬度。这些从低纬度热带扩展到中纬度温带、横跨Rodinia超大陆的岩浆活动,从约7.2亿年前开始持续到Sturtian冰期启动(7.17亿年前),可能与超大陆下伏的超级地幔柱有关,也与Sturtian雪球地球的启动有密切关系。

在距今7.2-6.35亿年前的新元古代成冰纪,地表系统先后经历了Sturtian(717-660Ma)和Marinoan(650-635Ma)两次“雪球地球”事件,几乎整个地球被冰雪包裹,这种极端气候的诱因及影响是学界持续关注的前沿热点领域之一。

北美约720 Ma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、且时间上与Sturtian雪球启动的时间高度一致(图1)。因此其被认为诱导了Sturtian冰期的启动,具体包括两种代表性的模型:“火山冬天”和“基性岩风化”。前者认为,推断的冷背景气候降低了赤道附近对流层顶的高度,促使同冰期富兰克林喷发的SO2可以“顺利”进入平流层,造成行星反照率突然增加,引起全球降温。后者认为,富兰克林大火成岩省产生的大规模基性熔岩强烈风化,推动了大气中的温室气体CO2下降到一个可以促发雪球的阀值。然而,数值模拟发现,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Sturtian冰期?如何通过地质证据建立冷的背景气候与同冰期喷发的SO2注入平流层的联系?这些问题至今还没得到很好的回答。

路凯等-EPSL:7.2亿年前的岩浆岩省与雪球地球的启动插图

图1 Sturtian冰期沉积、720 Ma岩浆岩省的古地理分布和年代学总结、Franklin大火成岩省地球化学空间分带

除了北美富兰克林大火成岩省,其他大陆也可能发育拉伸纪-成冰纪转折期的大规模岩浆活动(图1)。基于细粒沉积岩的Nd同位素和Nd浓度的研究发现,在临近Sturtian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>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,查明拉伸纪-成冰纪转折期岩浆作用的时-空间分布对深入理解Sturtian冰期的启动机制具有重要意义。

基于上述问题和思路,中科院地质与地球物理研究所李献华院士团队及合作者,通过高精度年代学和全岩地球化学等的综合研究,在华南北部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事件,称为湖北-陕西岩浆岩省(图1和图2)。该岩浆岩省的主喷发时间为720.21 ± 0.32 Ma,早于Sturtian冰期启动约三百万年(图1B和图2),分布面积至少有0.1 Mkm2(图2A),岩石组合主要包括双峰式的喷出岩和侵入岩。野外地质、岩石组合、地球化学综合研究显示(图3),湖北-陕西岩浆岩省形成于典型大陆裂谷环境;玄武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。

路凯等-EPSL:7.2亿年前的岩浆岩省与雪球地球的启动插图1

图2 华南720 Ma岩浆岩省的野外地质和时-空分布特征。年龄误差为±X/Y/Z,X为分析误差,Y包括X和示踪剂校正误差,Z为Y加上238U衰变常数误差

高精度年代学、古地理和地球化学数据综合分析显示:(1)广泛的岩浆活动从~720Ma开始,持续到Sturtian冰期启动;(2)这些~720-717Ma的岩浆活动横跨Rodinia超大陆,从赤道扩展到中纬度地区(图1A);(3)湖北-陕西岩浆岩省与劳伦-西伯利亚的大火成岩省中基性岩石具有可对比的地球化学组成特征(图4)。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~720-717Ma的岩浆岩省可以用Rodinia超大陆下伏超级地幔柱来解释(图1)。另外,研究还提出,发生在Sturtian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,促使同冰期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Sturtian雪球地球的启动。

路凯等-EPSL:7.2亿年前的岩浆岩省与雪球地球的启动插图2

图3 华南720 Ma岩浆岩省的地球化学特征

路凯等-EPSL:7.2亿年前的岩浆岩省与雪球地球的启动插图3

图4 Franklin、Irkutsk和湖北-陕西岩浆岩省中基性岩石的地球化学特征对比(展示了Franklin岩浆岩省的地球化学内、外分带;Irkutsk和湖北-陕西岩浆岩省地球化学化学特征类似于Franklin岩浆岩省外带基性岩石)

华南新识别的720 Ma的湖北-陕西岩浆岩省拓宽了拉伸纪-成冰纪转折期大规模岩浆作用的时空分布的认识。本次研究用地质证据将Sturtian雪球地球前冷的背景气候和同冰期平流层气溶胶注入联系起来,提供了完整的雪球地球启动机制。

研究成果发表于国际学术期刊EPSL(Lu K (路凯), Mitchell R N, Yang C* (杨传), Zhou J L (周久龙), Wu L G (吴黎光), Wang X C (王选策), Li X H* (李献华). Widespread magmatic provinces at the onset of the Sturtian snowball Earth[J]. Earth and Planetary Science Letters, 2022, 594: 117736. DOI:10.1016/j.epsl.2022.117736)。研究受国家重点研发计划项目“面向矿床学研究的变革性原位分析新技术”(2018YFA0702600)、中国科学院战略性先导科技专项B类(XBD18030301)和中国科学院地质与地球物理研究所重点研究项目(IGGCAS-201905)联合资助。

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作者: 小蜗牛

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