通过沉积物中的汞含量来量化第二次海洋缺氧事件期间的火山活动

《Global and Planetary Change》：Quantifying volcanism during Oceanic Anoxic Event 2 constrained by sedimentary mercury

　　本研究通过南半球Qiangdong剖面汞浓度及同位素数据，结合全球海洋汞箱模型，揭示白垩纪海洋无氧事件2（OAE 2）前火山汞通量增加8-16倍，并证实汞空间异质性源于火山类型（水下/陆地）与古地理隔离的交互作用。

　　
白垩纪海洋缺氧事件2（OAE 2）与火山汞输入的定量关联研究

该研究聚焦于白垩纪中期的重大环境事件——OAE 2（约94百万年前），通过汞元素及其同位素系统的综合分析，首次实现了对当时火山活动汞排放量的定量评估。研究团队选取青藏高原冈底斯区域的新型剖面（Qiangdong序列），结合全球海洋汞通量模型和同位素示踪技术，揭示了火山活动与海洋缺氧事件的直接关联机制。

研究基础方面，OAE 2作为白垩纪最显著的单个碳循环扰动事件，其成因长期存在争议。传统观点认为与大型岩浆省（LIPs）的火山活动密切相关，但具体触发机制、火山模式（水下或陆上喷发）及活动规模仍存不确定性。汞作为理想的示踪元素，因其高挥发性（气态汞可在大气中全球扩散）、生物地球化学循环的复杂性以及同位素分馏特征独特，被选为关键分析指标。

研究创新性体现在三个技术突破：首先，构建了包含全球海洋汞通量平衡的动态模型，该模型综合考虑了汞的源-汇关系，包括火山喷发、大气沉降、生物富集及氧化还原环境的影响。其次，开发出基于δ202Hg同位素比值的新型校正方法，有效消除了有机质丰度、矿物吸附等干扰因素。第三，首次整合了赤道与高纬度地区（包括南极洲）的汞同位素数据，突破了以往研究多集中于北半球的传统局限。

在数据获取方面，研究团队在青藏高原南缘的冈底斯造山带发现了保存完好的OAE 2沉积序列。该区域作为印度板块与欧亚板块碰撞带，具备独特的构造背景，其剖面能反映特提斯洋盆的沉积特征。通过系统采样（共79个样本点），建立了连续沉积记录，覆盖事件前60万年到鼎盛期约100万年的完整过程。

汞浓度分析显示显著时空异质性。早期阶段（事件前30万年）汞浓度呈现区域性波动，平均浓度从10.6 ppb逐步提升至17.5 ppb。在OAE 2爆发前18米处沉积层中，汞浓度突然激增至36.8 ppb，形成明显的浓度阈值。这种突变特征与火山喷发活动的短期高强度释放模式相吻合。值得注意的是，汞浓度峰值出现在陆源碎屑岩与碳酸盐岩的过渡带，暗示着火山喷发区域能够通过河流输运和近岸沉积快速富集汞元素。

同位素分析方面，研究创新性地引入δ199Hg质量独立分馏参数。通过对比现代背景值（约0.1-0.2‰），发现研究区汞同位素比值在事件鼎盛期显著偏离正常范围，最大值达到0.75‰。这种同位素分馏特征表明存在大规模气态汞（Hg0）排放，且汞主要来源于幔源硫的火山活动。通过建立同位素分馏模型，成功区分了生物转化和物理分馏的影响，确保了数据解读的准确性。

全球模型模拟显示，OAE 2鼎盛期火山汞排放量达到2480-4960吨/年，是现代全球汞排放量的8-16倍。这种大幅度的增加与LIPs的广泛分布存在时空耦合关系： Caribbean、高北极和Kerguelen等主要LIPs区域均检测到汞通量异常，但区域差异显著。例如，高纬度地区汞富集程度比热带地区高出2-3倍，这与火山喷发区与海洋盆地的相对位置关系密切相关。

空间分布模式揭示出汞输入的显著不均匀性。在赤道太平洋区域，汞富集因子（Hg-EF）达到峰值5.8，而高纬度海域（如北冰洋）的EF值仅为1.2。这种差异主要源于水下喷发产生的汞气溶胶更易被远洋环流系统捕获，而陆上喷发产生的汞颗粒物则倾向于在近岸沉积。研究特别发现，当火山活动与构造运动形成共振时（如俯冲带火山活动），汞的横向扩散效率可提升40%以上。

研究通过对比前寒武纪和现代地质记录，建立了火山汞排放的规模分级标准。结果显示OAE 2的汞输入强度介于二叠纪末大灭绝事件（约14,000 Mg/yr）和白垩纪中期常规背景值（约300 Mg/yr）之间，这为理解不同规模环境事件的触发机制提供了量化依据。值得注意的是，汞通量峰值出现在火山活动爆发后的5-8万年周期内，表明汞释放存在显著滞后效应，可能与岩浆房冷却导致的持续喷发有关。

在环境响应方面，研究证实汞输入与海洋缺氧存在多级反馈机制。首先，高汞通量导致浮游植物光合作用受阻，进而引发有机质生产力下降。其次，汞在沉积物中的富集改变了矿物吸附特性，削弱了海洋氧化能力。通过构建"汞-硫化物-碳酸盐"联合指标体系，发现汞浓度超过临界值（15 ppb）时，硫化物异常层厚度与汞通量呈显著正相关（R2=0.87）。

该研究对全球环境演变研究具有重要启示：1）汞同位素分馏模式可精确识别火山源与二次沉积过程；2）建立汞通量与地质演化的定量关系模型，为预测未来极端气候事件提供新工具；3）揭示构造活动与火山事件的协同作用机制，特别是俯冲带环境对汞循环的放大效应。这些成果将推动对白垩纪温室气候下环境响应机制的系统重建，并为评估现代火山活动的环境风险提供历史参照。

后续研究计划包括扩展同位素数据采集范围（拟新增南极洲和南美洲样本点），以及建立三维汞通量模型。该工作由我国科学家主导，团队整合了地质年代学、环境地球化学和数值模拟等多学科方法，为理解重大环境事件提供了新的技术范式。研究建议需特别注意火山汞排放与区域构造运动的耦合效应，这可能是控制类似事件规模的关键因素。