原文来源：Hironao Matsumoto et al., 2026. 143–million-year seawater osmium isotopic record: Trends, rhythms, and dynamics of volcanism and tectonics. Science, 391, 389-393.
https://www.science.org/doi/10.1126/science.adw8301.
科学背景
地球在过去1.43亿年间经历了剧烈的构造和火山活动，这些地质事件深刻地重塑了地球的表层环境。从构造背景来看，这一时期见证了中生代以来最显著的板块重组：冈瓦纳超大陆裂解持续进行，南美与非洲分离形成了南大西洋，印度次大陆从南极-澳大利亚板块脱离并向北漂移，非洲板块与欧亚板块的碰撞则开启了阿尔卑斯-喜马拉雅造山系的演化。这些板块运动不仅改变了海陆分布格局，更通过改变洋流循环、大气环流和降水分布，对全球气候产生了深远影响。基于这一科学背景，本研究聚焦两个关键科学问题：白垩纪以来大火成岩省喷发是否存在长周期节律？这些深部火山事件又如何通过不同机制影响全球海洋元素循环？
研究方法
锇同位素作为一种灵敏的地球化学示踪剂，能够区分地幔来源的非放射性输入和大陆地壳来源的放射性输入，因此锇同位素是追踪火山活动和大陆风化的重要工具。此前白垩纪时期的海水锇同位素数据十分匮乏，研究人员难以对这关键时期的地球系统过程进行定量重建。为了解决这一问题，研究团队采集了来自太平洋中太平洋山脉（DSDP Site 463）、印度洋埃克斯茅斯海台（ODP Sites 762C、763B）以及意大利中部翁布里亚-马尔凯盆地的白垩纪—古近纪沉积岩样品（图1）。通过反王水消解法（inverse aqua regia digestion）提取样品中的锇，并利用负热电离质谱（N-TIMS）精确测定187Os/188Os比值。该方法能有效分离并纯化微量锇，流程空白值低（0.03–0.12 pg），保障了数据的高精度与可靠性。
研究系统收集并整合了已发表的全球海水锇同位素数据，结合本次新测数据构建了从晚侏罗世至晚白垩世的连续海水锇同位素记录生成长期演化曲线，突出大约10–20百万年的周期性信号，剔除了大火成岩省喷发与陨石撞击等短期事件的干扰。
图1 晚白垩世（94 Ma）古地理重建。标注了采样点、LIPs和LLSVPs的位置。
科学认识
研究表明白垩纪时期的海水锇同位素（187Os/188Os）呈现出明显的约为10–20百万年的周期性波动，比值在0.4到0.8之间变化。研究人员在长周期中识别出五次大规模的锇同位素向非放射性输入漂移事件，分别发生在Valanginian期、Aptian期、晚Albian期、Turonian-Santonian期以及Maastrichtian-Danian期。这些锇同位素值漂移事件与已知的大火成岩省喷发时间在年代上高度吻合（图2）。Valanginian期的漂移对应帕拉纳–埃滕德卡大火成岩省，Aptian期的漂移与翁通爪哇大火成岩省相关，而Turonian-Santonian期的漂移则与加勒比高原、马达加斯加大火成岩省以及高北极大火成岩省的喷发相对应。这些发现从海水化学记录的角度证明了白垩纪大火成岩省喷发存在长期的周期性节律。
图2 143 Ma以来海水锇和锶同位素比值数据整合。LIP喷发标注在锇和锶趋势线之下( NAIP ,北大西洋火成岩省; HALIP ;高北极大火成岩省)。黑色线段( Cre-Os1至Cre-Os5 )代表了较宽的( > 100万年)主锇同位素向非放射性输入漂移，变化范围大于0.1。红色线段显示锇同位素值急剧偏离放射性同位素值，且未伴随锶同位素浓度下降。红色箭头表示主要的小行星撞击事件。图中顶部标示了海洋缺氧事件、全球变暖事件和冷却事件的发生及其持续时间。
研究团队进一步指出，大火成岩省对海水锇同位素的影响可以通过两种不同的机制实现。第一种是长期的热液活动和玄武岩风化过程，这种机制会导致锇同位素和锶同位素同步下降。第二种机制是突发性的火山脱气过程。当地幔柱从深部上涌时，携带的氧化性物质可能使锇转化为挥发性形式并直接释放入海水之中，使其直接进入海洋大气系统。这解释了某些时期海水锇同位素急剧下降而锶同位素无明显变化的现象，这种氧化-挥发机制在海底喷发的大火成岩省中更为显著。
图3 海水87Sr/86Sr和187Os/188Os值交叉对比。白垩纪-新生代海水87Sr/86Sr和187Os / 188Os记录(A)及其混合线图(B)。混合线表示给定端元河流成分的期望值和指示的大陆风化和热液活动程度。三角形代表当热液锇的输入率相对于现今热液锇通量增加100%时87Sr/86Sr和187Os/188Os值。圆圈代表大陆锇输入速率相对于现今大陆锇通量减少10%时87Sr/86Sr和187Os/188Os值。
基于Os-Sr同位素的协变关系，研究识别出地球历史上两次重大的古地理和古气候转折点。第一次发生在晚白垩世，海水锇同位素向非放射性值偏移而锶同位素向放射性值偏移。其原因可能与大西洋持续扩张带来的内陆降水增加，同时安第斯造山运动提供的大量新鲜可风化岩石导致冈瓦纳大陆内部风化作用增强有关。第二次出现在始新世—渐新世界限，此时锇、锶同位素同步向放射性值偏移，主要受喜马拉雅快速隆升及相关冰川作用影响，陆源放射性组分输入显著增强（图3）。
研究还记录到了几次与陨石撞击相关的锇同位素急剧下降事件，包括希克苏鲁伯撞击以及波皮盖和切萨皮克撞击，证实了地外物质对海洋化学的瞬时冲击效应。在更长时间尺度上，河流输入对海洋同位素体系具有重要调控作用。除受大火成岩省喷发和大型陨石撞击干扰外，海水锇、锶同位素总体呈现协同变化趋势。新近纪—第四纪以来，两者持续向放射来源漂移，反映大陆风化增强与幔源输入减少导致的综合效应（图4）。模型分析进一步表明，新生代河源锶同位素组成发生系统性演变，其值从晚白垩世的～0.710逐渐上升至新近纪的～0.711，是驱动海水Os-Sr协变关系转折的关键因素。
图4 140 Ma LIP的锇和锶通量估计值。A: 海洋锶同位素记录的演化(黑线); B: 海洋锇同位素记录(黑点)和模型输入的连续长期曲线(红线); C: 海洋锇收支(黑色: 河流输入; 橙色: 热液输入; 浅蓝色: 宇宙输入; 红色: 与LIPs火山作用有关的非放射成因锇通量)； D: 模拟河流输入的锶同位素特征；E: 海洋锶收支(黑色: 河流输入; 橙色: 热液输入; 蓝色: 成岩输入; 红色: 与LIPs火山作用有关的非放射成因锶通量)。C、D、E中阴影表示偏离平均值一个标准差。
重要启示
启示1：白垩纪大火成岩省喷发具有长期节律性。本研究基于1.43亿年的海水锇同位素记录，首次揭示白垩纪大火成岩省喷发存在约10–20百万年的周期性。五次显著的锇同位素向非放射性值漂移事件（Cre-Os1至Cre-Os5）与已知大火成岩省的喷发时间高度吻合，证实深部火山活动具有长期节律，并主要通过热液风化和火山脱气两种机制影响海洋锇循环。
启示2：为古地理演化中的关键转折点提供了重要见解。研究识别出两次关键的古地理演化转折点：晚白垩世大西洋扩张增强了冈瓦纳大陆内部风化作用，导致Os‑Sr同位素趋势分离；始新世‑渐新世喜马拉雅隆升与冰川发育则推动两者同步向放射性值偏移。
——解读人：高远、吴奕洁
——责任编辑：高远
