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火山活动 tempo（脉冲vs持续）与组成（mafic vs felsic）对古环境的影响机制研究。通过汞系统（Hg/TOC, Hg/TS, HgEF）结合层序地层学，量化ELIP火山脉冲（259.5–257 Ma）触发急性干旱化（CIA>80）、盐度崩溃（Sr/Ba≈0.5）及缺氧溶解；而持续弧火山活动（254–252 Ma）通过低频喷发稳定冷旱环境（CIA<70），加剧缺氧（MoEF>25）与有机富集（TOC≤8%）。揭示了火山活动强度与成分差异的级联环境控制机制。
Kong Deng|Karem Azmy|Yongchao Lu|Bolin Zhang|Jun Shen|Feiran Chen|Fei Li|Zhanxi Chen|Zhanhong Liu|Mianmo Meng|Xuebing Du|Wenqi Sun|Xinyu Liu|Qinyu Cui|Yangbo Lu
中国地质大学构造与石油资源重点实验室，教育部，武汉430074，中国
摘要
从瓜达卢普期（中二叠世）到洛宾期（晚二叠世）（2.73–2.52亿年前），地球系统经历了巨大的动荡，这与大规模火山活动密切相关。然而，火山活动的节奏（脉冲式与持续性）和成分（基性岩与长英质岩）对环境的不同影响仍不清楚。本研究调查了位于中国南部四川盆地东北部的二叠纪大火山省（ELIP）和古特提斯洋弧火山活动对古环境的独特影响。该地区是一个热带浅海环境，具有连续的沉积记录和保存完好的火山灰层。通过综合运用沉积学、矿物学和高分辨率地球化学分析方法（如汞元素系统学、元素代用指标和岩石地球化学），对LY1岩芯进行了研究：（1）利用汞异常值（Hg/TOC、Hg/TS、HgEF）结合火山灰地层学来量化火山活动阶段；（2）通过来源示踪剂（Cr/Al2O3、V/Al2O3、Th/Sc-Zr/Sc、Ti/Zr）区分ELIP火山活动和弧火山活动的贡献；（3）重建火山活动与环境响应之间的因果关系。研究结果表明，ELIP火山活动（2.595–2.57亿年前）引发了三次高强度的基性岩喷发（W-ME1-ME3），表现为HgEF > 1、Hg/TOC > 200 ppm/%以及厚层凝灰岩的形成。这些事件导致了灾难性的干旱（表现为化学风化指数CIA > 80）、古盐度崩溃（Rb/K、B/Ga和Sr/Ba比值持续处于较低水平，Sr/Ba接近0.5）以及富氧环境的溶解，从而抑制了生物生产力。相反，W-ME4-ME5时期的ELIP火山活动和D-ME1-ME4时期的长英质弧火山活动（2.54–2.52亿年前）通过持续的低频喷发在寒冷干旱条件下稳定了盐度（Sr/Ba > 5.88），同时通过营养盐分的作用加剧了富氧环境的形成（MoEF > 25）和有机物质的富集（TOC ≤ 8%）。研究表明，火山活动的节奏和成分对环境产生了不同的影响：高强度的ELIP喷发通过极端的水文气候条件引发了生态系统的急剧崩溃，而长期的弧火山活动则通过长期的生物地球化学压力逐渐侵蚀了二叠纪生态系统的恢复力。本研究解决了中国南部LIP-弧火山活动之间的争论，并为理解深时环境危机的火山驱动因素提供了机制框架。
引言
从瓜达卢普期（中二叠世）到洛宾期（晚二叠世）（约2.73–2.52亿年前）是地球系统发生重大变革的时期，这一时期发生了卡皮坦期大灭绝（约2.6亿年前；Wang等人，2022年；Xu等人，2022年；Wei等人，2024年；Huang等人，2025年；Deng等人，2025年）、古特提斯洋海道的向东退缩（Wang等人，2019年；Zhao等人，2019年；Shen等人，2019年；Shen等人，2020a年；Shen等人，2020b年；Zhang等人，2021a年；Zhang等人，2021b年；Chen等人，2024年；Deng等人，2025年），以及盘古大陆的初始裂解（Wang等人，2019年；Zhao等人，2019年；Shen等人，2019年；Shen等人，2020a年；Shen等人，2020b年；Zhang等人，2021a年；Zhang等人，2021b年；Chen等人，2024年）。大规模的火山活动——尤其是来自二叠纪大火山省（ELIP）（Wang等人，2022年；Xu等人，2022年；Wei等人，2024年；Huang等人，2025年）和古特提斯洋弧系统（Shen等人，2019年；Shen等人，2020a年；Shen等人，2020b年；Zhang等人，2021a年；Zhang等人，2021b年；Chen等人，2024年）——通过温室气体排放、风化作用反馈和海洋生物地球化学扰动在这些事件中发挥了重要作用（Chen等人，2011年；Shen等人，2020a年；Shen等人，2020b年；Wang等人，2024年；Wei等人，2024年）。然而，火山活动的节奏（间歇性的高强度脉冲式喷发与长期低频活动）和岩浆成分（基性岩与长英质岩）对环境变化的精确影响机制尚未明确，这需要来自稳定海洋盆地的可靠记录。中国南部的四川盆地拥有连续的二叠纪沉积序列和保存完好的火山灰层（Shen等人，2020a年；Shen等人，2020b年；Wang等人，2024年；Wei等人，2024年；Deng等人，2025年），为解决这一知识空白提供了理想的资料库。
作为位于构造稳定的扬子克拉通上的热带浅海系统，四川盆地东北部避开了许多特提斯洋边缘地区所经历的造山作用（Shen等人，2019年；Shen等人，2020a年；Shen等人，2020b年；Zhang等人，2021a年；Zhang等人，2021b年；Wei等人，2024年；Huang等人，2025年）。其瓜达卢普期（中二叠世）到洛宾期（晚二叠世）的碳酸盐-硅质碎屑岩序列厚度超过800米，记录了超过1000万年的地球历史，没有明显间断，能够与全球事件（如卡皮坦期大灭绝）进行化学地层对比（Zhang等人，2021a年；Zhang等人，2021b年；Wei等人，2024年；Huang等人，2025年；Deng等人，2025年）。重要的是，该盆地保存了数十层具有区域可追踪性的火山灰层，这些火山灰层可以作为喷发时间的直接计时器（Wang等人，2022年；Xu等人，2022年；Huang等人，2025年）。这种地层连续性、精确的火山灰年代学和克拉通构造稳定性使得四川盆地成为研究火山驱动机制的重要自然实验室（Wang等人，2022年；Xu等人，2022年；Wei等人，2024年；Huang等人，2025年）。
当前的争论集中在两个未解决的问题上：首先，是仅ELIP火山活动导致了中国南部瓜达卢普期-洛宾期过渡期间的环境危机（Wang等人，2022年；Xu等人，2022年；Wei等人，2024年；Huang等人，2025年），还是与俯冲相关的弧火山活动也起到了同等作用（Shen等人，2019年；Shen等人，2020a年；Shen等人，2020b年；Chen等人，2024年）。支持ELIP主导作用的研究者指出，中二叠世（Maokou组）地层中的汞异常值是卡皮坦期大灭绝期间火山喷发导致的气候变暖和富氧环境的证据（Bond等人，2020年；Wang等人，2024年；Wei等人，2024年）。相反，晚二叠世（Wujiaping组–Dalong组）的锆-铪（Zr/Hf）富集和长英质凝灰岩的地球化学特征表明古特提斯洋弧火山活动也有重要贡献（Zhao等人，2019年；Shen等人，2019年；Shen等人，2020a年；Shen等人，2020b年；Zhang等人，2021a年；Zhang等人，2021b年），但这一假设受到有限的地层年代学限制（Shen等人，2020a年；Shen等人，2020b年；Zhang等人，2021a年；Zhang等人，2021b年）。其次，火山影响的时间序列仍不清楚：ELIP在Wujiaping期早期的峰值喷发是否引发了突然的干旱和盐度崩溃，还是Changhsing期（约2.54–2.52亿年前）的长期活动通过营养盐分作用加剧了海洋缺氧（Xu等人，2022年；Ling等人，2023年；Wang等人，2024年）。解决这些争议需要定量区分瓜达卢普期（中二叠世）到洛宾期（晚二叠世）（约2.73–2.52亿年前）过渡期间火山活动的来源和强度阶段。
本研究利用来自四川盆地东北部的LY1岩芯（Deng等人，2025年）建立了火山过程与同期古环境变化的机制框架。我们综合运用沉积学、矿物学和高分辨率地球化学方法来实现三个目标：
(1)利用汞元素系统学（Hg、Hg/TOC、Hg/TS）结合凝灰岩层分布和Zr/Hf循环来量化火山活动强度阶段；
(2)通过铬铝比（Cr/Al2O3）和钒铝比（V/Al2O3）区分二叠纪大火山省的贡献，以及钍/钪-锆/锆（Th/Sc-Zr/Sc）和钛/锆（Ti/Zr）区分长英质弧火山活动的贡献；
(3)利用与火山活动阶段一致的地层序列地球化学数据重建火山活动与古环境响应之间的因果关系，包括古盐度波动、生产力模式和氧化还原状态的变化。
我们假设高强度的陆地火山活动通过气溶胶引起的干旱和陆地径流破坏了水文气候平衡，而低频的弧火山活动则通过营养盐分的释放加剧了水体分层。验证这一假说有助于理解火山活动的节奏（而非单纯强度）如何调节二叠纪海洋生态系统的崩溃和恢复力。
地质背景
四川盆地位于上扬子克拉通的西北部，是中国南部上扬子克拉通的次级构造单元（图1a–d；Song，1996年；Feng等人，2022年）。它与古特提斯洋构造域密切相关，并经历了多次构造事件（图1a–b；Harrowfield和Wilson，2005年；Deng等人，2012年）。在早二叠世，由于叠加的构造作用，四川盆地逐渐抬升。
样品
从四川盆地东北部的整个LY1岩芯中系统地采集了107个样品（图3a；表1），这些样品代表了通过详细沉积学分析确定的重点岩性单元。所有样品在制备前均经过了薄片显微镜和扫描电子显微镜（SEM）的岩石学分析。样品被粉碎至<75微米（200目），然后进行均质化和四分处理。
凝灰岩的岩石学特征和分布
XRD分析显示，晚Maokou组主要由石英和长石组成（30–98%，平均78%），含有少量粘土（10–63%，平均18.3%）和碳酸盐（2–3%，平均2.75%）（图4）。结果表明，该地层的矿物成分主要为石英和长石，说明它主要是硅质页岩，岩芯中不存在凝灰岩层（图3b）。Wujiaping组的矿物组成也存在垂直变化。
火山特征的类型和分布特征及其地层分布
火山排放是水生系统中汞的重要来源，随后汞主要储存在沉积有机质、硫化物相和粘土矿物中（Grasby等人，2019年；Shen等人，2019年；Shen等人，2020a年，Shen等人，2020b年）。这一过程使得沉积物中的汞异常成为重建古火山事件的宝贵指标。然而，这种重建的可靠性受到汞含量的根本限制。
结论
本研究建立了精细的框架，用于理解不同的火山驱动机制，特别是ELIP火山活动与古特提斯洋弧火山活动在时间节奏和成分上的差异，如何影响四川盆地中二叠纪晚期的古环境演变。
对LY1岩芯的高分辨率地层学和多指标地球化学分析表明，二叠纪大火山省的活动（2.58–2.57亿年前）主导了Wujiaping期早期的地质过程。
作者贡献声明
Kong Deng：撰写——原始草稿、方法论、概念构思。Karem Azmy：撰写——审稿与编辑、监督、方法论、数据管理。Yongchao Lu：监督、调查。Bolin Zhang：方法论、调查、数据管理。Jun Shen：数据管理。Feiran Chen：方法论、调查。Fei Li：方法论、调查。Zhanxi Chen：方法论、调查。Zhanhong Liu：监督、数据管理。Mianmo Meng：调查。Xuebing Du：监督、数据管理。
未引用参考文献
Chang等人，2012年
Haq和Schutter，2008年
He和Luo，2010年
Knoll等人，1995年
Mu等人，2024年
Tong等人，2015年
Wei等人，2011年
Yuan等人，2019年
Zhang，1993年
利益冲突声明
作者声明，本研究是原创性工作，尚未在其他地方发表或正在考虑发表。所有列出的作者均已批准了附上的手稿。本手稿中不存在利益冲突。
致谢
作者感谢匿名审稿人的建设性评论，同时也非常感谢编辑们的工作。本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：42072137、42472201、42372167、42472197）、中国地质大学（武汉）的“CUG学者”科研基金（项目编号：2023099）、四川省科技计划（项目编号：2025ZNSFSC1178）以及国家自然科学联合基金（项目编号：）的支持。
