晚奥陶世海洋生产力和冷却与陆上火山活动之间的联系

晚奥陶世以冰川作用、全球变冷和生物大灭绝为特征。据推测，这些事件是由营养物质磷(P)的增加输送引发的。然而，为什么这发生在两次脉冲中尚不清楚。看着朗曼，J。等本文分析了晚奥陶世海洋生产力和降温事件与陆上火山活动之间的联系。

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晚奥陶世大灭绝(LOME)分两个阶段发生，是地球历史上物种损失第二大的灭绝事件。晚奥陶世以大量碳同位素漂移(CIEs)为特征，其中两个全球代表性的是约4.54亿年前(Ma)的Guttenburg同位素碳漂移(GICE)和约445 Ma的Hirnantian同位素碳漂移(HICE)。

然而，CIEs和相关降温背后的主要因素尚不确定。据推测，早期无维管陆生植物的出现增加了陆地风化，也增加了至关重要的限制性营养物质磷(P)的输送。磷含量的增加增加了有机碳埋藏和海洋生产力，导致大气CO的减少₂．

然而，也有其他的建议，许多观测支持这一概念，即晚奥陶世降温是由有机碳埋藏引发的。但目前尚不清楚为什么这在GICE和HICE期间发生了两次不同的脉冲。本文探讨了晚奥陶世海洋生产力和降温事件是否与地面火山活动直接相关。在晚奥陶世有许多火山爆发的记录。

最近的研究利用总有机碳与汞的比例将火山汞排放与晚奥陶世气候变化联系起来。晚奥陶世灰岩中磷的供给量及其对海洋环境的影响也不清楚。本研究整理了全球灰层中磷消耗的数据，作为量化灰沉积和成岩作用时磷向海洋释放的手段。

结果

为了分析火山活动的时间，整理了43个北美和斯堪的纳维亚膨润土的Ar-Ar和U-Pb年(见图1a)和24个中国晚奥陶世膨润土的年(见图1b)。重建表明膨润土沉积发生在两个离散脉冲中(见图1c)。

图1所示。北美和中国晚奥陶世膨润土年龄汇编。(a, b)，北美/斯堪的纳维亚半岛(a)和中国(b)的膨土年龄。每个年龄由由发表的平均值和标准差得出的概率密度曲线表示，从中完成10,000次蒙特卡罗模拟，并以0.25 Myr间隔进行分类，以获得每个分类中发生喷发的概率密度。颜色对应于每个年龄所得到的研究。北美(蓝色)和中国(红色)膨润土每0.25 Myr bin的平均概率密度。垂直线表示最可能沉积膨润土的容器．图片来源:Longman等，2021年

图2描述了两个地理上不同的火山省份的爆发。

图2。晚奥陶世~450 Ma(卡田)古地理重建。椭圆标记了本研究中调查的两个火山省份，蓝色椭圆代表北美和斯堪的纳维亚省份，绿色椭圆代表中国省份。基本图是使用Merdith等人，2021年的板块构造重建构建的，部分基于Cocks，和Torsvik, 2020年。

第一个脉冲表明北美/斯堪的纳维亚火山活动，而中国膨润土年龄显示出更广泛的分布，但日期不太准确。结果表明，445.25 ~ 442.5Ma是中国地区火山活动最强烈的时期，这两个火山脉冲与晚奥陶世的两个主要CIEs (GICE和HICE)有关，有助于火山活动与气候变化之间的联系。

为了研究火山灰沉积、成岩作用和风化作用时磷的释放，估算了两个关键火山活动脉冲提供的磷的量。研究人员检查了来自海洋沉积物的tephras的数据，并将其与另外八个现代火山省的数据进行了比较(见图3)。

图3。磷消耗，是当今十个有代表性的火山省流失到海洋的磷量的一个指标。(a)盒定义在第一和第三四分位数之间(四分位数范围)，最小和最大晶须代表四分位数范围的1.5倍。(b)，用于重建的每个火山省的地图，其中各省由A中使用的数字和颜色标识。图片来源:夏威夷大学P.韦塞尔和美国国家海洋和大气管理局卫星测高实验室W. H. F.史密斯的基准图

通过对输入的蒙特卡罗模拟估计了磷通量的规模，发现来自成岩作用和灰分沉积的年磷通量为3 × 10¹⁰摩尔P yr⁻¹．

利用晚奥陶世灰分枯竭因子和灰分供给分析，可以定量分析这两个事件的磷供给。在GICE的情况下，模拟表明平均值为2.29 × 10¹⁵mol P(见图4)，进一步增加，对于HICE，平均供给为2.89 × 10¹⁵记下了mol P。

图4。晚奥陶世火山风化作用磷供应的蒙特卡罗模拟，由我们的灰分消耗和风化模型定义的可变分布。(a, b)火山灰沉积和成岩作用对两波火山活动的磷供应。火山活动在453.5 Ma (a)和444 Ma (b)时提供的磷量。总灰分重量沿x轴表示，总磷供应沿y轴表示。每个蒙特卡罗模拟都用一个圆圈表示，圆圈的颜色表示损耗因子。(c)，陆地火山物质风化产生的P通量估计值(y轴)，与火山灰和熔岩覆盖区域相对。同样，每个模拟都用一个充满颜色的圆表示，在本例中表示P供应的速率．图片来源:Longman等，2021年

估算P的风化通量，GICE和HICE P输入用高斯函数表示，其最大值出现在最大沉积强度时期。总P输入对均值和95进行了评估^th百分位数。由于COPSE模型不能很好地反映反馈，因此得出的结论是，在COPSE中需要5倍大的磷输入才能产生与多盒模型中相同的海洋磷浓度峰值。

图5显示了平均地表温度、大气CO的模式输出₂，海洋缺氧，δ¹³C的新沉积碳酸盐。

图5。GICE和HICE期间火山活动影响的生物地球化学模型输出。COPSE模型基线为38加上灰分的磷供给。(a) P个输入高斯函数。P输入幅值遵循平均值或95^th含或不含磷从沉积物中循环的灰分供应和风化作用组合得出的值的百分位。(b)模拟δ¹³碳酸盐的C(线和颜色定义在e中)与data49(黄色圆圈)相比。(c)模拟大气CO₂．(d)模拟的全球平均地表温度。(e)海洋缺氧程度(以缺氧海底的模拟比例表示)。实线显示了与虚线相同的模拟，但添加了额外的磷输入，以表示磷的沉积再循环．图片来源:Longman等，2021年

结果表明，从火山灰沉积和风化作用中释放的磷，以及沉积物中磷的循环，足以引发地质记录中所见的气候和生物地球化学的巨大变化。HICE的最大全球冷却约为3°C。

温度预测与凝结同位素测温相一致，表明希南天冰窖相对较短。地质记录中HICE的一个关键特征是丰富有机质页岩的广泛形成——尤其是在中国——可能与广泛的海洋缺氧有关。

研究结果表明，晚奥陶世地球系统中火山灰成岩作用和风化作用起着重要作用。结果可能会详细描述LOME的各种特征，这些特征不遵循与其他大规模灭绝有关的趋势，特别是与变冷而不是变暖有关的趋势。

在晚奥陶世，与与CO相关的中期变暖相比，来自喷发产物(如火山灰)风化作用的营养供应的持久性质似乎发挥了更主要的作用₂注入。膨润土所表明的超级喷发会导致最初的冷却，然后是变暖。这些升温/降温循环对生物来说是危险的，导致生物多样性丧失，解释了LOME的启动。

除了营养物质，还有可能释放有毒金属。Hirnantian冰川作用中金属诱发畸形的证据表明了这一点。火山灰会导致缺氧条件的形成，这进一步加强了以氧化还原为基础的有毒金属的循环利用。

方法

研究了Tephra层的主要元素含量，包括P含量。通过视觉和显微镜对Tephras进行了精确定位，并估算了各层中的磷含量。利用GEOROC数据库对源区火山物质原岩组成进行了评价。对数据进行了过滤，计算了改变后的tephra的原始组成以及损耗因子。

与膨润土沉积相关的变量的蒙特卡罗模拟被用于评估火山喷发和火山灰沉积的大小。这项研究使用了最先进的COPSE生物地球化学模型。

结论

根据得到的结果，很明显，全球冷却的脉冲性质是两个不同的火山省份——北美和波罗的海和中国南部的爆发的结果。提出的模型表明，晚奥陶世火山活动期间，火山灰毯的沉积和熔岩的风化作用提供了足够的磷，从而引发了冰川作用、全球变冷和LOME。

期刊引用:

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