原文来源：Longman J, Mills B J W, & Merdith A S, 2025. Limited long-term cooling effects of Pangaean flood basalt weathering. Nature Communications, 16(1), 4813.
https://doi.org/10.1038/s41467-025-59480-0.
研究背景：大火成岩省（Large Igneous Provinces, LIPs）是地球历史上与板块裂解、地幔柱活动相关的大规模岩浆喷发事件，其形成往往伴随巨量的玄武岩溢流和火山碎屑沉积。LIPs的喷发会释放大量温室气体（如CO₂、CH₄）和硫化物，短期内可能引发全球变暖甚至生物灭绝事件，例如西伯利亚暗色岩（Siberian Traps）与二叠纪-三叠纪之交（P-T）生物大灭绝的关联已被广泛证实。同时，LIPs形成的玄武岩具有较高的化学风化速率，可通过硅酸盐风化反馈消耗大气CO₂，理论上可能驱动长期气候冷却。此外，LIPs的风化还会向海洋输送营养元素（如铁、磷），增强生物泵效率，进一步促进碳埋藏。潘基亚超大陆裂解期（300–150 Ma）是LIPs活动的高峰期，包括西伯利亚暗色岩、中大西洋岩浆省（CAMP）、卡鲁-费拉尔（Karoo-Ferrar）等，这些事件与多次气候突变和生物灭绝事件在时间上耦合。
科学问题：尽管LIPs对气候的短期变暖效应已有较多研究，但其长期冷却潜力仍存在争议。部分学者认为LIPs的风化是地球历史上冰室气候的重要驱动力，一项近期研究认为新元古代的弗兰克林大火成岩省是引发雪球地球的关键因素。但又有其它学者指出LIPs的冷却效应可能被高估。近期一项研究汇总了显生宙期间低纬度地区大火成岩省的面积，得出结论认为它们并非温室 - 冰室周期的主要控制因素。传统模型多单独考虑LIPs的脱气或风化效应，缺乏对两者协同作用的系统评估，且模型结果与代理记录（如温度、Sr同位素）的匹配度不足。因此，这项研究利用改进的SCION模型，在统一框架下量化潘基亚LIPs对碳循环和气候的影响，旨在解决上述争议。
本研究采用了SCION地球演化模型的1.1版本，并对其进行了针对性地改进。SCION模型是一个耦合的长期生物地球化学箱模型，结合了三维稳态气候和二维大陆岩石及风化模块。该模型能够模拟大气二氧化碳浓度、全球平均温度、海洋碳同位素和锶同位素等关键指标。为了研究LIPs对气候的影响，研究将LIPs作为高风化性岩层（LIPs的玄武岩风化速率设定为普通硅酸盐岩石的 7倍）添加到模型中，利用古地理重建数据确定其位置和面积，并通过指数衰减函数计算其随时间侵蚀的面积变化，最后计算出硅酸盐风化通量（图1）。研究还根据LIPs岩性（基性LIPs的释放速率1012 gC/km³，长英质LIPs的释放速率1011 gC/km³）和相关文献中的数据（岩浆体积和持续时间），估算每个LIP的二氧化碳排放量。这些数据被集成到模型中，使得模型能够动态地模拟LIPs的风化和二氧化碳排放对气候的影响。
图1 研究考虑的大火成岩省（LIPs）的位置。每个面板展示了每个LIP在每个时间点的位置。缩写代表以下LIP名称：马德琳（M）、潘贾尔（P）、塔里木（T）、卡尔卡林吉（Kj）、西伯利亚地台（S）、峨眉地台（E）、羌塘（Q）、中大西洋磁性省（C）、卡拉哈里（K）、费拉尔（F）和澳大利亚西北部（N）。海洋用白色表示，而土地覆盖用芥末色突出显示。每个地图上叠加了LIP的位置，其颜色根据其覆盖比例从蓝色（LIP覆盖非常低）到红色（完全LIP覆盖）变化。这些覆盖比例值用于计算每个网格单元的风化通量。为了验证模型的合理性，研究者将模型输出的全球平均温度、海水锶（Sr）同位素组成、大气二氧化碳浓度等指标与地质记录和代理数据进行了对比（图 4）。通过对比，研究者发现模型结果与地质记录具有较好的一致性，尤其是在中大西洋大火成岩省（CAMP）形成后，模型中的Sr同位素记录与地质记录更为接近（图4 b）。这表明模型能够较好地模拟LIPs的风化对海洋化学组成的影响。此外，为了全面评估LIPs的影响，研究设计了多种模型情景(图 4)，包括原始SCION模型、仅考虑风化、仅考虑碳排放，以及同时考虑两者的组合情景，通过多情景对比分析了LIPs的风化和二氧化碳排放对气候的综合影响（图4 c）。研究通过改进的SCION模型模拟了300至150 Ma期间LIPs的碳循环和气候效应（图2和图4）。
图2 由于大火成岩省（LIP）导致的碳循环强迫。a 在“高风化与脱气”情景下，由于LIP向地球系统输入碳以及从地球系统移除碳导致的整体碳平衡。b 在“高风化与脱气”（紫色线）和“低风化与脱气”（粉色虚线）情景下，LIP相关的脱气导致的碳输入。c 在“高风化与脱气”情景下，通过增强的硅酸盐风化实现的碳埋藏。
大火成岩省（LIPs）对中生代地球系统的冷却作用整体较为有限且具有显著的选择性。在模拟的7个LIPs中，仅CAMP因其位于赤道高风化带(图3 c)，通过增强硅酸盐风化作用和海洋生物泵效应，导致约1-2°C的长期降温，这一过程得到了海水87Sr/86Sr比值下降的验证(图4 b)。然而，其他LIPs（如西伯利亚和Karoo-Ferrar大火成岩省）由于位于高纬度或非热带地区（图3 c），风化效率较低，未能产生显著的全球冷却效应。
值得注意的是，即使是冷却效应最强的CAMP，其降温幅度也远低于某些早侏罗世代理数据记录的5°C降温(图4 c)，且模型显示若将风化效率提高到能解释这一降温的程度，则会与Sr同位素记录产生矛盾（图4 b）。研究还指出，与玄武岩风化相比，LIPs伴生的火山灰可能对短期冷却更重要。这些发现表明，虽然LIPs可以通过特定机制影响气候，但其在中生代全球冷却中的作用相对有限，还需要结合其他地质过程来理解古气候变化。图3 “风化与脱气”情景下3亿至1.5亿年期间的网格化地图输出。a 显示地面气温，b 显示大陆径流，c 显示硅酸盐风化通量。在每张地图中，每个网格单元的变量强度通过色标表示。特别标注了中生代最大的两个大火成岩省（西伯利亚大火成岩省和中大西洋大火成岩省）的位置。
大火成岩省（LIPs）在中生代全球变暖过程中有着关键性的作用。LIPs通过大规模岩浆活动释放巨量CO₂等温室气体，在短时间内（地质尺度）造成剧烈升温，如西伯利亚大火成岩省喷发导致二叠纪-三叠纪边界7-15°C的全球变暖，远超过其可能带来的长期冷却效应（图4 c）。当LIPs侵入富含有机质的沉积层时，会通过热变质作用释放额外的CH₄等温室气体，进一步放大变暖效应。研究显示模型模拟的变暖幅度普遍低于地质记录（如对CAMP模拟4°C升温而代理数据指示5-16°C，图4 c），这种差异可能源于模型尚未完全捕捉"脉冲式排放"和"隐性排放"等大火成岩省其它形式的碳排放过程。正是这种快速、剧烈的变暖效应，使得LIPs活动与中生代几次重大生物灭绝事件（如P-T和T-J灭绝）在时间上高度吻合，成为这些生物危机的主要驱动力。相比之下，LIPs通过风化作用带来的冷却效应（如CAMP仅导致1-2°C降温）显得微不足道，这解释了为什么LIPs活动期总是对应着地质记录中的极端温室气候事件。
图4 四种不同情景下的模型输出对比。a 模型得出的碳同位素组成变化的估算值，与灰色圆圈所示的代理重建数据（来自参考文献）进行对比。b 重建的海洋锶同位素组成与海洋锶同位素代理数据（灰色阴影区域）进行对比。c 重建的全球平均温度与基于代理数据的重建结果（橙色阴影区域）进行对比。d 重建的大气二氧化碳水平（实线）与二氧化碳的代理测量值（灰色圆圈）进行对比。
启示一：LIPs的长期冷却效应具有显著的选择性和局限性。传统观点往往简单地将LIPs与全球气候变化直接关联，但这项研究通过精细建模表明，LIPs的气候效应高度依赖于其具体特征和地质背景。研究发现，在300-150 Ma期间的七个主要LIPs中，仅有CAMP产生了长期冷却效应（全球降温约1-2°C），这主要得益于其特殊的地理位置——位于赤道高风化带。相比之下，其他LIPs如西伯利亚大火成岩省由于位于高纬度地区，风化效率低下，几乎未能产生显著的全球冷却效应。这一发现强调必须结合具体地质背景评估LIPs的气候效应。研究即便是CAMP，其降温幅度也远低于某些地质记录显示的5°C降温，说明单靠LIPs风化难以解释重大气候变冷事件，需要综合考虑其他因素。
启示二：LIPs的碳排放的短期变暖效应远超长期冷却潜力。LIPs通过碳排放造成的短期剧烈变暖效应，远超过其可能带来的长期风化冷却作用。模型显示，西伯利亚大火成岩省在二叠纪-三叠纪边界引发的全球升温可达7-15°C，而CAMP在快速排放情景下也能导致8°C升温。这种变暖无论在强度还是速度上都完全超过了风化作用带来的微弱冷却（CAMP仅降温1-2°C）。
