晚三叠世时期的全球变暖及其与氮循环对气候的反馈作用

晚三叠世卡尼尼亚期降水事件与Wrangellia大型岩浆省活动密切相关，研究通过塔里木盆地Misk断面的湖相沉积记录，首次发现汞含量及同位素异常（Δ1??Hg）与四次火山喷发事件（100-600 ka）对应，汞异常指示火山汞释放。δ1?N同位素与汞同位素呈正相关，反映全球变暖驱动水体反硝化增强，产生大量N?O加剧温室效应，同时汞异常后出现负偏移，可能与火山活动导致的气候改变和风化增强相关。该研究揭示了火山活动通过碳循环和氮循环反馈机制引发极端温室效应的机制。

　　

Caineng Zou|Yanjie Gong|Thomas J. Algeo|Jiubin Chen|Qingong Zhuo|Ruoyu Sun|Zhengfu Zhao|Weiyan Chen

中国石油勘探开发研究院，北京100083

摘要

晚三叠世卡尼期降雨事件被广泛归因于大规模的二氧化碳（CO₂）和甲烷（CH₄排放以及与Wrangellia大型火成岩省（LIP）活动相关的全球变暖。全球变暖导致反硝化作用增强，氮循环受到干扰。然而，火山活动与气候变化的机制联系尚未完全阐明，这主要是由于陆地地层中缺乏汞（Hg）和氮（N）同位素数据。本文研究了位于中国西北部的塔里木克拉通的一个湖泊序列。汞浓度和同位素异常记录了Wrangellia LIP活动的信号，该活动可能是导致全球变暖和氮循环变化的碳源。研究地层中有四个层位显示出汞含量和汞同位素异常的增加（即Δ¹⁹⁹Hg从背景值?0.05‰增加到+0.2‰），我们认为这代表了Wrangellia LIP的多次火山喷发事件（时间跨度为100至600千年）。前三个喷发事件的火山汞贡献逐渐增加，而第四次（最后一次）喷发的强度明显较弱。δ¹⁵N同位素数据与Δ¹⁹⁹Hg呈正相关，反映了变化趋势的一致性。这些数据支持了火山喷发向大气中释放过量二氧化碳引发全球温室效应的观点，我们认为这促进了水体中的反硝化作用，从而产生了更多的氧化亚氮（其温室效应是二氧化碳的约300倍），加剧了晚三叠世的变暖。四个汞异常期之后出现了δ¹⁹⁹Hg的负偏移，这与陆地环境中增强的汞沉积有关，可能反映了火山活动引起的气候变化以及通过风化和反硝化作用产生的后续反馈。我们的研究结果具有重要意义：（1）提供了将晚三叠世降雨事件与火山活动（可能是Wrangellia LIP的活动）联系起来的证据；（2）首次记录了四次火山喷发与四次已知的全球负碳同位素偏移（NCIEs）相对应；（3）强调了氮循环对气候的反馈作用，这些反馈可能在短时间内导致极端温室效应，也可能在更长的时间尺度上产生影响。这些发现对现代气候系统中氮循环反馈的运作以及当前气候变化的未来轨迹具有启示意义。

引言

了解地球历史上超级变暖事件的影响（McInerney和Wing，2011年；Zachos等人，2006年）有助于预测当前气候变暖的未来趋势。卡尼期降雨事件（CPE）是晚三叠世的一个重大气候事件，导致了约200万年的重大气候变化（大约在2.34至2.32百万年前），包括温度升高（Dal Corso等人，2020年）、降雨量增加和水文循环增强（Jin等人，2023年）以及大陆风化作用加剧（Zhang等人，2024a）。在浅海环境中沉积的碳酸盐岩和富含有机碳的黑页岩记录了显著的负碳同位素偏移（Lu等人，2021年），同时伴随着动植物物种丰富度的急剧减少——这是一个重大的灭绝事件（Dal Corso等人，2020年）。

在氮（N）循环中，大气中的氮首先被固定为铵，然后被硝化成硝酸盐。相反，反硝化作用将氮以气态氮或氧化亚氮的形式返回大气（Algeo等人，2008a）。反硝化过程中δ¹⁵N的分馏（δ¹⁵N = (¹⁵N/¹⁴N)_样本/(¹⁵N/¹⁴N)_空气 ? 1) × 1000‰）可高达20‰，这是水环境中δ¹⁵N富集的主要机制（Algeo等人，2014年），δ¹⁵N同位素可以用来反映沉积环境的变化和生态反馈（Algeo等人，2014年）。在晚三叠世全球变暖和湿润气候条件下，陆地湖泊系统中的氮循环过程及其在气候变化中的作用仍然是个谜，相关研究有限。此外，关于CPE期间大陆湖泊环境的系统氮同位素记录和机制理解也非常缺乏。了解湖泊氮同位素记录对于阐明CPE期间的湖泊氮循环及其对全球环境变化的响应至关重要。

Wrangellia大型火成岩省（LIP）被认为对CPE期间的全球气候变化以及动植物变化产生了重大影响，包括恐龙的进化以及现代针叶树的起源（Mazaheri-Johari等人，2021年）。汞（Hg）是最丰富的挥发性重金属元素，主要由火山释放，并能够以气态零价汞的形式在全球范围内传输（Selin，2009年）。LIP的喷发往往会迅速增加全球大气中的汞含量，释放的物质可能在全球范围内传输，导致沉积物中汞的异常富集（Yin等人，2015年）。因此，沉积物中的汞含量和汞同位素组成在记录古火山活动方面具有独特优势，尤其是在与大型火成岩省相关的情况下（Fendley等人，2019年；Zhao等人，2025a；Zheng等人，2023年）。Wrangellia LIP的火山汞已在世界各地的许多地层中得到记录（Jin等人，2023年；Lu等人，2021年；Mazaheri-Johari等人，2021年；Rahman等人，2024年；Zhang等人，2024年；Zhao等人，2022年）。然而，陆地地层中缺乏CPE期间的可靠汞同位素记录。迄今为止，还没有湖泊地层记录到可归因于Wrangellia LIP喷发的汞同位素特征。CPE期间大陆湖泊地层中缺乏汞同位素化学地层框架，这阻碍了区分火山源和其他汞来源（如陆地侵蚀、野火引起的汞沉积或有机物的岩浆烘烤作用）。

在这项研究中，我们首次提供了中国塔里木盆地Misk（MSK）地层在CPE期间的有机碳同位素和孢粉数据。结合汞含量和汞同位素分析，我们旨在识别由Wrangellia LIP引起的MSK地层中异常的大气汞沉积信号。此外，通过将这些数据与使用化学风化指数（CIA）进行的古温度分析、氮含量分析、基于微量元素（Mo、U、Th）的氧化还原分析以及粘土矿物含量分析相结合，我们试图探讨CPE期间显著温度升高与汞-N变化之间的因果关系。

材料

塔里木盆地是一个大型叠加盆地，由古生代克拉通盆地和中生代前陆盆地组成（Liang等人，2003年），在CPE期间它距离Wrangellia LIP相对较远（覆盖整个泛大陆和西伯利亚，见图1A）。样本取自塔里木盆地北部的MSK地层（见图1B和2）。露头主要出现在道路切割面上，通常连续分布。三叠纪露头包括卡拉梅伊组（Karamay Formation）等。

孢粉学

共24个样本的孢粉计数范围从2到330粒，平均为106粒。在第1单元（NCIE之前），7个样本的计数明显较低（均<100粒，平均34粒），这可能反映了中三叠世的干旱气候条件（Dal Corso等人，2020年；Liang等人，2003年），与该单元的紫红色岩性一致。第2单元从12个样本中获得了1,817粒孢粉，第3单元从5个样本中获得了484粒孢粉。在第2单元NCIE开始时，

塔里木盆地的CPE

研究地层的年龄范围是根据孢粉和地球化学数据确定的。首先，利用先前数据确定卡拉梅伊组的顶部属于上三叠世（补充说明3），并将孢粉学数据与现有的海洋和陆地地层进行比较（详见补充说明3中的孢粉数据对比）。贾成照教授是塔里木盆地石油和天然气发现的关键人物之一，他进行了系统的

结论

我们重建了CPE期间的第一个陆地C-Hg-N同位素地层。汞含量和同位素的正向偏移记录了四次Wrangellia LIP的火山事件。δ¹⁵N同位素数据与Δ¹⁹⁹Hg呈正相关。我们推断，这些火山喷发导致的全球温度升高引发了反硝化作用，进一步加剧了晚三叠世的超级变暖。CIA衍生的古地表温度计算表明了显著的升温趋势

CRediT作者贡献声明

Caineng Zou：撰写——审阅与编辑、项目管理、概念构思。Yanjie Gong：撰写——审阅与编辑、初稿撰写、软件使用、项目管理、方法论、调查、数据分析、数据管理、概念构思。Thomas J. Algeo：撰写——审阅与编辑、方法论。Jiubin Chen：撰写——审阅与编辑、方法论。Qingong Zhuo：调查。Ruoyu Sun：撰写——审阅与编辑、方法论。Zhengfu Zhao：撰写——审阅与编辑，

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