2024年3月29日，《Science》旗下综合性子刊《Science Advances》（2023年影响因子为14.957）刊出中国石油勘探开发研究院张水昌院士研究团队完成的《Subaerial volcanism broke mid-Proterozoic environmental stasis》一文。这是该研究团队继2015年、2016年连续在《PNAS》（美国科学院院刊）发表论文之后，又一次在国际顶级综合性学术期刊刊文。
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地球有着46亿年的历史，但几乎所有的动物演化和化石能源形成被浓缩在6亿年前以来，波澜壮阔的地质和生物演变让人为之痴迷。与之形成鲜明对比的是，在中元古代(18~10亿年前)和新元古代早期(10~8亿年前)的十亿年内，地球系统似乎处于超长稳定期，其标志是与岩石圈、地表环境和生物圈相关的地层记录都缺乏明显波动。这段时间也被称为“无聊的十亿年”、“平衡的十亿年”。
然而，越来越多的证据显示，中元古代已经出现了早期真核生物的多样性演化，大气氧含量甚至可以满足动物呼吸需要，中国、俄罗斯和澳大利亚相继报道了中元古代铁、锰矿床和丰富的油气资源。这些新发现表明中元古代数亿年的沉积过程并不寂静。那么，打破寂静期的“扳手”是什么？鉴于显生宙的多次重大地质事件几乎都与大规模火山活动有关，中元古代火山活动和地表环境响应也成为亟待解决的一个重大科学问题。
张水昌院士研究团队持续聚焦早期地球系统演化和古老油气系统形成机制研究，相关成果获得了国内外高度关注。此次是以中国华北燕山地区14亿年前的下马岭组黑色页岩为研究对象，对中元古代火山活动示踪及其环境资源效应给出了最新答案。
研究发现，在13.82亿年前的大火山岩省(LIPs)之前，下马岭组沉积物已经记录了多层火山灰以及同步的汞含量上升和汞同位素非质量分馏(Hg-MIF, Δ199Hg, Δ200Hg)由正值向0值靠近，指示发生了地表火山活动。这些火山活动发生在(13.99~13.98)亿年前，与LIPs喷发时间的间隔大于1600万年。伴随着火山喷发，沉积物中的锂含量明显上升，而锂同位素(δ7Li)则出现负漂移，表明山体海拔上升和新鲜岩石出露使陆地剥蚀过程加剧，风化剥蚀比(W/D)降低，更多富锂的碎屑物质被输送到海洋中。这一过程的形成还与火山活动向大气释放更多的CO2，导致陆地水文循环增强和陆表径流增加有关。
研究还发现，在火山活动期间，海洋水体的缺氧程度并未发生明显变化，沉积磷和有机碳含量的大幅增加不能归因于水化学条件的改变，更可能反映了陆源营养物输入通量的加剧和海洋初级生产水平的提升。之后的Hg-MIF和δ7Li同步发生正漂移，与火山灰缺失相一致，指示火山活动再次沉寂，陆地风化强度开始增加，W/D值升高，陆源磷输入开始降低。但海洋沉积物中的碳磷摩尔比(C:P)由火山喷发后的212:1提升至397:1，意味着与碳相比，有机质中的磷更易被降解到水柱中，进一步维持了海洋的富营养状态，促进初级生产力并维持数百万年甚至更长时间。
年龄框架是基于火山灰锆石U-Pb年龄(1392.2±1.0 Ma)以及0.66 cm/kyr的平均沉积速率，Δ199Hg和δ7Li的趋势线由LOWESS平滑给出。(A)缺乏火山活动，Hg同位素的非质量分馏(Hg-MIF)为正值，高的大气CO2含量和降水匮乏导致陆源营养物质输入量低，海洋初级生产力低，缺少黑色页岩沉积；(B)发生区域性火山活动，Hg-MIF值在0值附近，新鲜岩石风化向海洋中输送了大量营养物质，促进生产力勃发；(C)火山喷发后期，Hg-MIF值恢复为正值，尽管陆源输入减少，但水柱和沉积物表层磷的再循环维持了高的海洋初级生产力。
此外，下马岭组火山活动还与中元古代增氧事件的时间相吻合。这可能是由于中元古代海洋长期处于寡营养状态，对陆地磷输送量的变化非常敏感。区域性火山喷发导致的营养物供给增加显著提高了海洋初级生产力，进而有利于有机碳埋藏和大气氧含量升高。
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这项研究揭示，不仅仅是LIP，地表火山活动及其引发的陆地风化状态的改变，可能在打破中元古代环境稳态方面发挥了重要作用，成为驱动中元古代地球表层环境演化和油气资源形成的关键“扳手”。
注：《Subaerial volcanism broke mid-Proterozoic environmental stasis》一文张水昌院士为第一作者和通讯作者，石油地质实验研究中心王华建、王晓梅、叶云涛、柳宇柯、吕怡彤为该文共同作者
