SA：白垩纪-古近纪大灭绝前30kyr，火山硫酸盐驱动冷却事件的陆地证据

Marine Sedimentology · 公众号 · 科技自媒体 · 2024-12-29 14:55

主要观点总结

本文研究了白垩纪末期气候变化与德干火山活动的关系，发现存在长期变暖事件中的短期冷却事件，且这一过程与火山活动有关。然而，这种气候变化并非导致K-Pg生物灭绝的主要原因。

关键观点总结

关键观点1: 研究背景及科学问题

文章探讨了白垩纪末期气候变化和德干火山活动对生命进化的影响，特别关注了K-Pg界线附近的气候变化事件，这是一个具有争议的科学问题。

关键观点2: 研究方法

通过对美国西部内陆的褐煤地层进行连续取样和地球化学分析，利用有机古温度计MBT' 5me重建了美国西部内陆两个中纬度地点的K-Pg界线前的年平均气温（MAATs）。

关键观点3: 研究结果

研究发现，白垩纪最后~100 kyr存在长期变暖事件中的短期（≤10 kyr）冷却事件，变化幅度为2-5℃，并且认为这是由德干火山喷发引起的气候变化。

关键观点4: 气候变化的驱动机制

研究认为白垩纪末期的气候变化与德干火山喷发有关，且气候变化的不同速度与碳、硫循环的不同时间尺度直接相关。

关键观点5: 气候事件与生物灭绝的关系

尽管气候变化可能引起了生态压力，但研究认为气候变化并非K-Pg生物灭绝的主要原因。

正文

原文来源： O’Connor L K, Jerrett R M, Price G D, et al., 2024. Terrestrial evidence for volcanogenic sulfate-driven cooling event ~30 kyr before the Cretaceous–Paleogene mass extinction. Science Advances, 10: eado5478.
https://www.science.org/doi/full/10.1126/sciadv.ado5478.

研究背景和科学问题

白垩纪 - 古近纪（ K-Pg ）界线发生了最近的大灭绝事件，约有 75% 的物种灭绝，包括所有的非鸟类恐龙，这一事件改变了生命进化树的轨迹，导致了从恐龙主导到哺乳动物主导的生态系统的完全重建。希克苏鲁伯陨石撞击和德干火山活动被认为是 K-Pg 大灭绝的主要触发因素，但仍存在争议。此外，陨石撞击和德干火山活动两者都可以引起全球变暖和全球降温，但这两种气候响应的相对时间、持续时间和幅度仍不确定。近年的高精度放射性测年法提供了 K-Pg 界线附近陨石撞击、生物灭绝、德干火山主要喷发阶段的高精度地质年代学约束，从而可以使用具有年龄限制的指标重建来检验气候变化的矛盾假设。本文在高分辨率测年基础上探讨 K-Pg 气候变化的精细过程及其驱动机制。

泥炭化石（褐煤）中的支链甘油二烷基甘油四醚（ brGDGTs ）是生活在土壤和泥炭中的细菌的膜脂，它可以根据温度的变化调节附着在烷基主链上的甲基分支的数量。甲基化程度用 5- 甲基支化甘油二烷基甘油四醚指数（ MBT' _5me ）来量化，并可以使用泥炭特异性传递函数转化为年平均气温（ MAAT ）。然而， brGDGT 分布所反映的温度信号可能受到混杂因素的影响，将其解释为温度信号之前需要进行仔细评估。本文研究探索了褐煤和煤炭记录作为深时陆地气候变化的敏感替代指标的适用性。

研究方法

对美国西部内陆 Pyramid Butte （ 46°25′03″N ， 103°58′33″W ）和 West Bijou （ 39°34′14″N ， 104°18′09″W ）地区褐煤地层进行连续取样，经冻干、粉化处理后进行地球化学分析。利用有机古温度计 MBT' _5me ，以千年分辨率重建了美国西部内陆两个中纬度地点的 K-Pg 界线前的年平均气温（ MAATs ）；并结合跨越 K-Pg 界线的褐煤的碳同位素组成，测试大灭绝前 ~100 kyr 的火山活动 - 大气温度变化模型。

图 1 北美古地理背景，突出了研究地点 West Bijou （蓝色）和 Pyramid Butte （橙色）、物性地层、 MBT ' _5me 和有机 δ ¹³ C 记录。中等色和深色实线分别表示 3 点和 5 点移动平均线。虚线表示地点之间的相关性。图中显示了凝灰岩的地层水平及其放射性测年（ 25 ）。灰色实线表示 K-Pg 界线的位置 —— 主要连接点 —— 由两个地点的冲击矿物、铱异常和孢粉灭绝的存在来定义。注意，数据过滤（补充材料）排除了受非热影响的 MBt ' _5me 记录，并且在 K-Pg 界线下方直接存在一个短间隙。

科学认识

（ 1 ）晚白垩世 ~3 ℃ 的长期变暖事件中存在 ~5 ℃ 的短期（ ≤10 kyr ）冷却事件。

本文使用泥炭 MBT' _5me 指标重建了 MAATs ，发现白垩纪最后 ~100 kyr ， Pyramid Butte 地区的 MAAT 从 24 ℃ 增加到 27 ℃ ， West Bijou 地区 MAAT 从 21 ℃ 增加到 27 ℃ （图 2 ）。这两个温度记录在地层重叠处具有显著的同步性。该时期温度变化细分为三个不同的阶段：（ i ） Pyramid Butte 地区记录表明， K-Pg 界线前 ~100-30 kyr ， MAAT 从 23 ℃ 逐渐增加到 26 ℃ ；（ ii ） K-Pg 界线前 ~30-20 kyr ， Pyramid Butte 地区 MAAT 下降到最低值 23 ℃ ， West Bijou 地区 MAAT 由 27 ℃ 下降到 21 ℃ ；（ iii ）白垩纪最后 ~20 kyr ，两个地区的 MAAT 又回到事件前的 27 ℃ ，并稳定在该温度。综上所述，两个地点均显示出明显的变冷事件，变化幅度为 2-5 ℃ ，始于 K-Pg 界线前 30 kyr ，持续时间不超过 10 kyr 。该变冷趋势叠加在晚白垩世马斯特里赫特期 3 ℃ 的长期（至少 100 kyr ）变暖事件上。

Pyramid Butte 、 West Bijou 两个地点相距 750 km ，但基于 MBT' _5me 指标重建的 MAAT 绝对值及其随时间变化趋势一致，为单个站点记录区域气候信号和 MBT' _5me 指标的可靠性提供了支持。重建的 MAAT 也与基于褐煤 MBT' _5me 重建的加拿大南部古温度（ 20~25 ℃ ）和基于陆相软体动物团簇同位素重建的蒙大拿州古温度（ 23~30 ℃ ）一致。此外，本文两个地点 δ ¹³ C _org 记录一致，分别为 -26.8‰~-23.6‰ ( Pyramid Butte )、 -27.3‰~ -24.9‰ ( West Bijou )，且与其他地区陆相记录结果一致。因此，本文研究结果是一个全球信号，即晚白垩世晚期发生 ~3 ℃ 的长期变暖事件，且该变暖事件中存在 ~5 ℃ 的短期（ ≤10 kyr ）冷却事件。

图 2 相对于 K-Pg 界线时间（ kyr ）绘制大气 -CO2 δ13C 和年平均气温（ MAAT ）曲线。记录中的中等色线和深色线分别表示 3 点和 5 点移动平均线。 K-Pg 界线的 95% 置信区间（ CI ）（虚线），引自 Schoene 等（ 2019 ），用灰色表示。右侧显示了德干玄武岩的概率体积喷发率（红色阴影表示 68% CI ，黑线表示平均值）；最大喷发量可能在 K-Pg 界线前 50 ~ 10 kyr 之间，峰值在 30 kyr 左右。

（ 2 ） K-Pg 界线前 ~100 kyr 的气候变化，与德干火山喷发有关，且德干火山引起的气候变化的不同速度与碳、硫循环的不同时间尺度直接相关。

德干火山活动中 Poladpur 喷发发生在白垩纪最后 100 kyr ，峰值在 K-Pg 界线前 30 kyr ，与本文观察到的升温事件时间一致。其次，岩浆、生物与矿物的相关研究表明，早期的 CO ₂ 脱气阶段能更有效地推动全球变暖，新增加的 CO ₂ 排放所产生的温室效应逐渐减少。本研究观察到的 3 ℃ 增温事件的升温幅度小于 K-Pg 界线前 300-200 kyr 第一次德干火山喷发事件引起的马斯特里赫特晚期变暖事件（ LMWE ） 5 ℃ 的增温幅度，与该假设一致。此外，德干玄武岩侵位相关的碳氢化合物的变质和燃烧作用、马斯特里赫特晚期生物量减少使得 CO ₂ 或 CH ₄ 释放，这些碳源相对较轻，以 δ ¹³ C 负偏移的形式被记录下来；但是本研究数据中唯一显著的 δ ¹³ C 负偏对应于 K-Pg 界线本身，且晚于升温时间，重建的 MAAT 与大气 δ ¹³ C 之间也没有相关性（ r ² =0.005 ），所以排除了有机碳源驱动长期变暖的可能，也支持了有机碳在 LMWE 中只起了次要作用的观点。基于以上考虑，本文认为白垩纪末期 ~3 ℃