地质地球所揭示早-中二叠世大火成岩省引发华北板块干旱化

早二叠世至中二叠世，地球经历了距今最近的一次由冰室期到温室期的转变。期间，大气CO₂浓度由～200 ppmv增加至～800 ppmv，海水增温近10℃，南半球的大规模冰川逐渐消融，低纬热带雨林大幅萎缩，海洋生物多次小规模灭绝。多数研究认为，该时期全球增温与大规模火山活动导致的大气CO₂浓度增加有关。然而，CO₂主要来自俯冲带火山还是大火成岩省一直是争论热点。现有研究集中在海相沉积，缺乏长尺度陆地环境记录，亟待探究该时期全球变暖的原因及其对陆地环境的影响。

中国科学院地质与地球物理研究所新生代地质与环境院重点实验室博士研究生王永达在导师、研究员杨石岭的指导下，以华北鄂尔多斯盆地东北缘的一套早–中二叠世河湖相地层（下石盒子和上石盒子组）为主要材料（图1），开展了系统的年代学及环境指标分析，探讨了该时期华北板块的气候环境演化历史及其机理。

依据剖面中部两层凝灰质泥岩的锆石U-Pb年龄（276.0 ± 3.8 Ma和287.0 ± 3.0 Ma）和古地磁极性序列，结合前人报道的下石盒子组火山灰锆石U-Pb年龄，将剖面地层年代范围限定在～295-266 Ma，即早二叠世阿瑟尔期（Asselian）至中二叠世沃德期（Wordian，图2）。

地化指标分析结果显示，从295 Ma至266 Ma，随着全球增温，化学蚀变指数（CIA）值逐渐降低，揭示了华北板块长期的干旱化过程；有机碳同位素值（δ¹³C_org）也相应大幅度减小，暗示大气CO₂浓度持续增加，与火山活动及相关过程密切相关（图3）。记录对比显示：～295-280 Ma及～270-266 Ma期间CIA及δ¹³C_org值大幅减小，对应于这两个时期强烈的大火成岩省活动；～280-270 Ma期间，δ¹³C_org及CIA值小幅减小，对应于弱的大火成岩省活动。相比较而言，泛大陆周缘的俯冲带火山活动则贯穿整个早-中二叠世。结果表明，大火成岩省释放大量CO₂等温室气体，导致全球变暖及南半球冰消，进而引发华北板块的干旱化。

全球变暖通过改变大气环流的位置显著影响地球水文气候。热带辐合带（ITCZ）作为地球上最大的雨带，在不同时间尺度上均随全球增温向更温暖的半球移动，导致低纬地区的降雨量显著变化。早二叠世至中二叠世，随着全球变暖，南半球冰川的北界由～30°S退缩至极圈之内，导致ITCZ向南移动，使得低纬华北板块（10-20°N）逐渐变干。

近日，相关研究成果发表在Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology上。研究工作得到国家杰出青年科学基金项目、中科院战略性先导科技专项、地质地球所重点部署项目的支持。

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图1.研究区地质概况图。A、早–中二叠世古地理图；B、华北板块构造简图；C、研究区卫星图；D、研究剖面地层柱状图；E-G、研究剖面照片

图2.剖面地层年代框架。A、锆石U-Pb年龄【红色箭头指示本研究年龄，剖面底界年龄引自Wu et al.（2021）】；B、磁倾角；C、磁偏角；D、虚地磁极纬度；E、剖面古地磁极性序列；F、二叠纪古地磁极性年表（PPTS）；G、沉积速率

图3.早–中二叠世研究区环境变化及与全球性事件对比。A、剖面古地磁极性序列；B、有机碳同位素组成（δ¹³C_org）；C、化学蚀变指数（CIA）；D、中值粒径（Md）；E、总有机碳含量（TOC）；F、大气CO₂浓度；G、海水温度；H、冰川分布和持续时长；I、冰川沉积数量；J、俯冲带岩浆活动；K、大火成岩省（LIP）；L、二叠纪古地磁极性年表（PPTS）