原文来源：Westerhold T, Dallanave E, Penman D, et al., 2025. Earth orbital rhythms links timing of Deccan trap volcanism phases and global climate change. Science Advances 11, eadr8584.https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adr8584.
研究背景：地球表层系统的万年至百万年尺度气候变化，本质上是外部轨道强迫与内生地质过程共同作用的结果。米兰科维奇旋回理论揭示的周期性轨道参数变化，不仅通过调制太阳辐射的纬度梯度与季节分配构成全球气候变化的基准韵律，还可能影响深部地质过程，如岩浆活动的积累与火山喷发的时间和强度。白垩纪末期（约66 Ma），地球经历了白垩纪-古近纪（K-Pg）灭绝事件，导致包括恐龙在内的约75%的物种消失，此时大规模的德干火山喷发被视为全球气候恶化的主要驱动因素之一。然而，火山喷发到底是如何影响气候的，尤其是如何与其他环境变化因素区分开来，一直是科学家们亟待解答的问题。此外，由于火山喷发与白垩纪-古近纪（K-Pg）灭绝事件之间存在时间差，且现有的时间分辨率不足，科学界长期无法明确两者之间的具体关系。
科学问题：本研究通过高精度的天文年代学校准，精确地将时间刻度与岩心数据对接，重点分析K-Pg界线附近的海相岩心，进行高分辨率的XRF扫描，同时还通过锇同位素和底栖有孔虫稳定同位素等分析方法，探究火山喷发、气候变化与碳循环之间的复杂互动。研究的核心科学问题包括：1. 天文年代校准能否精确约束德干火山喷发的时间，并将其与全球气候变化事件相匹配；2. 地球轨道韵律是否影响德干火山喷发的时间和强度；3. 不同阶段的火山喷发如何具体影响全球碳循环和深海温度变化，特别是二氧化碳（CO₂）和二氧化硫（SO₂）等气体的排放在不同时间点产生的气候效应。
科学内涵
研究团队基于天文年代校准和旋回地层学年代模型，结合405千年偏心率长周期与约20.4千年的岁差旋回，精准地约束了多个大洋钻孔的沉积序列。利用高分辨率XRF岩心扫描技术，团队建立了不同站点间的地质数据对比，特别是对ODP Site 1209底栖有孔虫进行了稳定同位素分析，从而重建了K-Pg界线期间的古温度与碳循环变化。此外，锇同位素分析被用来探测火山活动对海洋化学的影响，磁性地层学则帮助确定了C30n/C29r磁性极性转换的位置，从而为年代标定提供了精确的数据支持。结果表明，在马斯特里赫特期的最后百万年间，研究站点的地球化学记录明显受地球轨道周期的影响。例如，XRF岩心扫描的铁和钡元素浓度，以及底栖有孔虫的碳（δ¹³C）和氧（δ¹⁸O）同位素记录，均显示出与地球轨道韵律相关的变化趋势（图1）。
在66.49百万年前与66.29-66.28百万年期间，锇同位素（187Os/188Os）经历了显著的负偏移，这与汞（Hg）浓度峰值的出现高度吻合，并且恰好与C30n/C29r磁性极性转换的时间点一致（图1）。这表明德干火山喷发不仅影响了全球碳循环，还可能与地磁场变化存在联系。其中，第一次锇同位素负偏（66.49 Ma）伴随δ¹⁸O约0.2‰的负偏，此时火山喷发释放的大量挥发性物质（如SO₂与CO₂）导致深海温度上升约1°C。而第二次锇同位素负偏（66.29-66.28 Ma）与碳循环的剧烈扰动相关，对应着δ¹³C的快速偏轻（0.3-0.4‰）和更显著的δ¹⁸O负偏，显示深海温度上升3-4°C，表明火山喷发加剧了温室效应（图1）。数值模拟进一步揭示，不同阶段的火山喷发可能释放不同成分的气体，其中SO₂排放可能导致短暂的δ¹³C正偏，而CO₂释放则引发显著的δ¹³C负偏，影响全球碳循环和气候系统的长期变化。研究还表明，火山喷发的气体释放模式可能与火山活动的阶段性有关，火山的初期喷发阶段可能以SO₂为主，导致温室效应暂时减弱，而后期的CO₂主导喷发则加剧了全球气候变暖。
图1 基于高精度天文年代模型的晚马斯特里赫特期大西洋与太平洋海洋地球化学记录本图整合了南大西洋Walvis Ridge、西赤道太平洋Shatsky Rise的海洋沉积记录和Elles陆相剖面的汞浓度，揭示了与德干火山活动开始有关的关键事件序列。
锇同位素数据支持火山喷发在这两个时间点对全球碳循环和气候的强烈影响（图2）。66.49 Ma时锇同位素负偏，与Elles剖面的汞浓度峰值一致，表明该时期发生了大规模的火山活动，火山风化输入增强，影响了全球海洋化学。66.28 Ma时，锇同位素再次急剧下降，同时δ¹³C快速负偏，与汞浓度的另一个峰值同步，这进一步证明该时间点火山喷发的规模更大，并释放了大量CO₂，对全球碳循环产生了更强烈的冲击。66.35 Ma-66.30 Ma期间，δ¹³C逐渐上升，这与火山喷发的初期阶段可能释放了较高比例的SO₂有关，SO₂进入大气后，形成硫酸气溶胶，短期内减少了温室效应，导致海洋酸化并抑制了碳酸盐沉积，从而使δ¹³C记录表现为正偏。在66.30-66.28 Ma期间，δ¹³C迅速下降0.3‰-0.4‰，并伴随δ¹⁸O的急剧负偏（对应深海温度升高3-4°C），表明这一时期火山喷发向大气释放了大量CO₂，加剧了全球温室效应。这段时间的变化趋势也支持了碳和温度的长期协同变化，说明火山喷发的影响具有阶段性，且可能与轨道周期密切相关。
研究还表明，德干火山喷发的时间高度匹配405 kyr长周期偏心率变化。在偏心率较低的时期，岩浆可能逐步积累，而在偏心率较高的时期，火山喷发可能更为剧烈。这一结论不仅适用于德干玄武岩喷发，还可能扩展到其他大火成岩省（LIP）事件，例如二叠纪-三叠纪灭绝期间的西伯利亚大火成岩省喷发。此外，研究团队还使用LOSCAR碳循环模型，探讨了火山喷发期间SO₂和CO₂的不同排放模式对全球气候的影响。模拟结果表明，富含硫的火山喷发可能导致δ¹³C正偏，而富含碳的喷发则导致δ¹³C负偏。
图2 德干火山岩喷发历史及其在海洋地球化学中的记录特征
图中为Malwa高原和西高止山脉（Western Ghats）德干火山岩的U-Pb和Ar-Ar年龄数据，以及南大西洋Walvis和西赤道太平洋Shatsky的锇同位素记录。
研究强调，德干火山喷发不仅是一次简单的地质事件，而是一个复杂的、多阶段的过程。不同的喷发阶段可能释放不同成分的气体，进而影响气候和碳循环的演化。这项研究提供了新的证据，支持火山活动在K-Pg灭绝事件前已经显著影响全球气候，并可能与其他环境因素（如小行星撞击）共同作用，导致生物大灭绝。这些发现为K-Pg灭绝事件提供了新的证据，表明火山喷发、轨道周期和环境变化共同作用，可能是导致生物大灭绝的关键因素之一。
重要启示
启示1：地球轨道韵律深刻影响地质事件。研究发现，德干玄武岩喷发的主要阶段与405 kyr长周期偏心率的高值期密切对应，表明地球轨道韵律可能通过调节地壳应力或岩浆房的充填速率，控制火山喷发的时间和强度。这一发现为大规模火山喷发的成因提供了新的视角，说明深时地球系统中的气候-火山相互作用可能具有可预测的轨道调控模式。这不仅有助于理解地球历史上的大规模火山事件，也对未来可能的气候变化趋势提供了重要的启示。
启示2：德干玄武岩喷发在大灭绝事件中扮演关键角色。本研究的锇同位素和汞浓度记录表明，德干火山喷发的环境影响在K/Pg事件发生前引发了显著的气候扰动（晚马斯特里赫特变暖），K-Pg的大灭绝事件可能是德干大火成岩省的火山作用和希克苏鲁伯小行星撞击事件共同作用的结果。研究结果表明，在小行星撞击发生之前，德干火山喷发已对全球气候产生显著影响，并可能导致生态系统处于高压力状态，使其对撞击事件更为敏感。
——解读人：高远、毋正轩
——责任编辑：高远
