PNAS: 德干LIPs早期岩浆脱气与晚白垩世全球气候变化
火山活动是地球深部碳释放的主要方式之一。洋中脊、大陆裂谷以及弧火山作用的碳释放被认为是影响地球系统长时间尺度（10 6--107yr）气候与环境变化的主要因素（Suarez et al., 2019）；大火成岩省（LIPs）可以在短时间内喷出巨量岩浆，同时伴随大量深部流体（例如CO2）释放至地表，在相对短的时间尺度内造成地球系统剧烈的碳扰动，并引发气候、环境的剧变与生物灾难事件。
尽管如此，LIPs的碳释放与气候环境事件之间的联系还存在争议，原因在于：（1）缺乏直接测量的证据约束LIPs的碳库和碳释放通量；（2）目前获得的岩浆成因碳释放量较低；（3）以往的研究未考虑侵入岩浆脱气以及围岩变质作用的影响。
印度德干大火成岩省（DeccanTraps）是形成于白垩纪末期至古近纪早期（KPB）的一次大规模火山活动，仅溢流玄武岩体积就接近（0.6~1.3）×106km3。与此同时，地球上的气候与环境也发生了重大转变。例如晚白垩世升温事件（LMWE, Latest Maastrichtian warming event），导致全球升温达2~4°C，引发了地史时期第五次生物大灭绝事件（KPB），造成了恐龙的灭绝（图1）。海洋软体动物化石中高Hg含量也意味着这一升温事件与同期的德干大火成岩省具有密不可分的联系（Barnet et al., 2017; Meyer et al., 2019）。但值得注意的是：（1）LMWE升温事件发生在KPB之前约30万年，但这一事件之前喷出岩浆的体积远小于事件之后的岩浆体积；（2）目前尚缺乏同期火山活动释放碳规模的直接证据，同时这一时期碳同位素负漂的程度较小（约0.5‰左右）。
图1 白垩纪末期至古近纪早期全球气候环境指标与德干大火成岩省之间的关系。灰色条带区域即LMWE事件，虚线为KPB界限
德干玄武岩高精度的年代学框架和同时期系统的生物与气候事件记录为开展两者的相互联系奠定了基础；同时，前人研究表明，德干玄武岩的围岩多数为贫碳岩性，因此围岩变质产生的碳释放可以忽略。在此基础上，美国纽约城市大学的研究者及其合作者选择KPB之前的德干溢流玄武岩作为研究对象，利用Nano-SIMS、拉曼等手段开展了橄榄石（高Fo）中熔体包裹体的直接测定和微量元素（包括Nb、Ba）地球化学反演研究，在综合考虑侵入岩浆脱气的基础上，探讨了德干大火成岩省深部碳释放与同时期气候、环境事件之间的联系。研究成果发表于PNAS上（Nava et al., 2021）。
首先，研究者选择高镁玄武岩样品，利用Nano-SIMS和拉曼光谱分别测定了橄榄石中熔体包裹体玻璃质及气泡中的CO2含量。结果显示，早期Saurashtra层玄武岩中CO2的含量明显高于其后的Thakuvadi层，并且气泡中的CO2含量比玻璃质中高一个数量级。此外，研究者利用微量元素代用指标反演了脱气前原始岩浆的CO2含量。在上地幔的部分熔融过程中，微量元素Ba、Nb与CO2表现出相似的不相容性，但在岩浆上升过程中，它们不随减压脱气过程而改变，因此CO2/Ba及CO2/Nb比值可以作为脱气前原始岩浆中CO2含量的代用指标。据此反演的结果与测试数据之间具有相似的分布特征，即德干玄武岩早期原始岩浆中CO2含量较高，介于0.5~1.3 wt%之间；随着时间演化，岩浆中CO2含量降至0.25 wt%。而KPB界限之后的原始岩浆CO2含量低于0.2 wt%。
为了探讨德干大火成岩省与升温事件之间的联系，该研究在综合考虑岩浆体积和脱气效率影响的基础上，重建了岩浆活动碳释放通量的演化序列（图2）。与喷发至地表的岩浆相比，大规模的岩浆可能以侵入岩的形式存在。例如，德干大火成岩省的侵入岩（Intrusive）与喷出岩（Extrusive）体积比例（I:E）约为5:1（Coffin and Eldholm, 1994）。研究者基于LOSCAR模型进行了火山碳释放影响的模拟研究，结果显示，仅喷出岩浆的碳释放无法解释LMWE事件期间的升温幅度；而在考虑侵入岩浆脱碳（假设效率为60%）的情况下，可以使全球升温约3~6°C（图2），进而导致LMWE事件。但值得注意的是，德干大火成岩省的碳释放可能并不是导致KPB之交生物灭绝事件的主导因素，因为至今并未观察到德干后期岩浆具有较高的碳释放通量以及与之有关的海表温度变化记录。
