火山活动对气候影响的研究进展

火山活动对气候影响的研究进展

火山活动是气候变化的驱动因素之一。大规模火山作用将大量喷发物由岩石圈(或软流圈)输送至大气圈、水圈和生物圈,从而造成气候、环境的快速变化,甚至导致大规模生物灭绝。Vogt首次提出印度德干玄武岩是造成K/Tr界限生物灭绝的原因以来,火山活动引起气候变化以及导致生物灭绝研究一直是火山学领域关注的焦点。20世纪70年代前,研究者认为火山活动喷入大气圈的火山灰及火山尘级微粒是造成气候变化的重要原因,因此早期有关火山活动气候效应方面的研究主要涉及火山灰。自80年代初,科学家逐渐认识到火山气体及其气溶胶才是导致火山喷发对气候影响的主要原因,目前有关火山活动对气候影响的研究主要讨论火山喷出挥发分气体及其形成的气溶胶的气候效应。本文综述了地史时期不同类型火山喷发的气体及其气溶胶对气候影响的研究进展及其发展轨迹。1与板块运动有关的火山喷发从地史时期看,大规模火山活动与板块运动、地幔柱密切关联,全球剧烈的火山活动往往发生在大规模板块俯冲、碰撞及其大陆裂解期间。按成因,可将火山活动分为两大类①与地幔柱有关的火山活动;②与板块俯冲和碰撞有关的火山活动。与地幔柱有关的岩浆作用形成的火山岩包括广泛出露于板块内部的大洋玄武岩和大陆玄武岩,即通常所说的大火成岩省(LargeIgneousProvinces,简称LIPs),除此之外,一些位于张性火山盆地内的中小规模玄武质以裂隙式喷发为主的火山活动,其成因也往往与地幔柱有关。与板块运动有关的火山喷发主要包括位于板块边缘和古老缝合带附近的、成分以中酸性为主的火山活动,但它们常常形成基性—中性—酸性火山岩组合。上述两类火山活动成因不同,形成的火山喷发物成分也不相同,喷入大气圈的火山气体成分、含量及其气候环境效应也不相同(详见后述)。第四纪以来的火山活动主要包括与地幔柱有关的中小规模玄武质火山喷发(如冰岛Laki火山活动、夏威夷火山活动等)和与板块构造有关的火山活动(如现代大洋中脊火山活动和现代岛弧火山活动等),缺少喷发物体积接近1×106km3、属于大火成岩省级的火山活动。因此,从地史学的角度分析,第四纪火山活动的第一个特点是其喷发规模相对较小。第四纪火山活动的第二个特点是其喷发频率高,整个第四纪火山活动频繁发生,仅10ka以来,地球上保持活动的火山不少于1343座,它们至少都有过一次喷发,有的甚至数次、数十次。仅过去2ka以来记录下来的独立火山喷发就达5000多次,而近几十年每年都有50多次喷发,这些火山喷发不仅发生在大陆上,也发生在海洋中。第四纪火山作用的另一个特点是火山活动和火山岩类型较齐全,如前所述,在整个第四纪期间,不仅包括爆发性强的中酸性火山喷发,而且包括平静溢流的玄武质火山喷发。其喷发物既包括熔岩,也包括火山碎屑岩。既有陆地上的火山喷发,也有水下喷发。第四纪火山喷发的第四个特点是火山活动与高频震荡的古气候变化之间存在着明显的对应关系。例如,McGuire指出第四纪火山活动与海平面变化之间存在因果关系,Zielinski等认为110ka以来全球火山喷发与冰期/间冰期旋回之间存在对应关系等。2火山喷发对气候的影响火山喷出的气体主要包括H2O、CO2、SO2、H2S、HCl和HF,其次还有少量CO、O2、H2、N2、HBr、HI等。它们对气候影响的持续时间是不同的,因此分为短期效应和长期效应气体。研究表明,SO2、H2S、HCl和HF属于短期气候效应火山气体;CO2属于长期气候效应的气体(图1)。火山喷发开始,SO2作为一种温室气体主要导致火山口周围地区地表温度升高。随后,SO2与大气中或火山喷出的水蒸汽发生光化学反应,形成H2SO4气溶胶;同时,火山硫化物气体与卤化物气体可在大气圈中形成酸雨。并且,火山成因的HCl可以与O3发生反应,最终导致大气圈臭氧总量减少。火山气溶胶可以反射和吸收太阳辐射,造成地表温度下降。现代活火山观测结果表明,硫酸气溶胶和酸雨液滴在大气圈中滞留时间为数月至数年,因此它们对气候的影响至多也仅为数年(图1)。由于造成臭氧层破坏的光化学反应是在火山灰(尘)及气溶胶表面进行的,因此与酸雨一样,火山活动对臭氧层破坏的持续时间也较短(图1)。如果喷发柱高达平流层,它对气候的影响可达半球甚至全球范围;如果火山喷发柱较低,那么其对气候的影响仅限于火山口及其周围附近地区。统计资料显示,火山喷出的SO2总量与北半球气温下降幅度之间存在明显正相关关系,即大规模富S岩浆喷发可以导致地表气温明显下降。74ka前托巴(Toba)火山喷发形成3000km3(DRE)岩浆,它喷入平流层的4400Mt硫酸气溶胶导致北半球地表温度平均降低3.5℃即是一个例证。GISP2冰芯研究结果显示,托巴喷发形成的气溶胶造成地表温度降低的持续时间约为6a。CO2作为最主要的温室气体,它的气候效应主要是导致地表气温升高,它在大气圈中停留时间较长(图1)。卫星观测资料显示,地球上火山活动平均每年向大气圈输送大约1011kg的CO2,这一数值远小于近年来人类活动每年向大气圈排放的CO2(1013kg)。因此,一次短时间的火山喷发不可能造成大气圈温室气体浓度明显增加。但是,由于火山喷发的CO2气体可以长期滞留在大气圈中,因此长时间持续性火山喷发(如大火成岩省)的CO2气体能够导致大气圈CO2浓度显著增加,从而造成地表气温明显升高。研究表明,一次火山喷发的CO2气体总量可用下面公式计算:mCO2=fdg(sud)/m⋅w⋅CO2mCΟ2=fdg(sud)/m⋅w⋅CΟ2其中,mCO2为火山喷出CO2的摩尔数;s是岩浆中CO2的百分含量;fdg为岩浆释放出的气体占气体总量的质量分数;u为岩浆总体积;d是岩浆密度;m·w·CO2为CO2的摩尔质量。目前,国外有关火山喷发气体对气候影响的研究主要涉及3种不同类型(或成分)的喷发:中酸性普林尼式火山喷发、以溢流式为主的大火成岩省喷发和中小规模玄武质裂隙式喷发。下面分别阐述它们对气候的影响。3主要影响区域气候的因素中酸性普林尼式喷发的爆发强度高,喷发能量大,喷发柱高,可达平流层中部。喷出岩浆粘度大,挥发份气体含量高。气体成分以H2O、SO2、H2S、HCl和HF为主,CO2含量相对较低,因此,主要气候效应是降低地表温度、破坏臭氧层和形成大面积酸雨。现代活火山活动观测表明,中酸性喷发对气候影响的持续时间较短,一般为5～6年,最长达10年(图1)。由于普林尼式喷发柱可伸入平流层,大量火山气体进入平流层会迅速扩散至半球甚至全球范围,所以,火山喷发对气候影响的空间范围较大;它们对陆地和海洋的气候影响有差异。研究表明,由于海水热容量较高,大规模中酸性火山活动(如托巴火山)导致陆地温度降低的幅度比海洋大。中酸性火山喷发对气候影响幅度的研究是目前火山气候学领域的热点课题之一。早期研究认为喷发物体积、爆发强度(VEI)和喷发柱高度是制约火山活动对气候影响幅度的关键因素,然而1982年墨西哥ElChichon火山喷发观测结果表明,尽管它与1980年5月美国圣海伦斯(St.Helens)火山喷出的中酸性岩浆体积相当,均为0.3～0.4km3(DRE),并且二者都属于普林尼式喷发,但对气候的影响却明显不同,前者形成平流层气溶胶的浓度约为后者的70倍,造成气候剧变(如温度下降等)的幅度也显著比后者大。后来一些研究者提出火山活动对气候影响的幅度主要受输送至平流层内的火山喷发物(火山灰、气体和气溶胶等)总量控制,因为只有喷至平流层的火山物质才能在大气圈中滞留时间较长,并对气候有严重影响。研究表明,火山硫化物气体和火山灰的质量比与平流层内火山喷发物总量呈正比关系,因此认为,硫化物气体和火山灰的质量比是控制火山喷发对气候影响幅度的重要参数,这一理论对“圣海伦斯火山喷发对气候影响较微弱”的事实作出了合理解释;但是,Chester对两个世纪以来三次最大规模中酸性喷发(Tambora,Krakatau和Agung)的气候效应进行了对比研究,结果显示,这三次火山活动对气温影响的范围和幅度相似,然而它们喷入平流层硫酸气溶胶和硅酸盐火山灰的重量及其二者比值都差别很大,因此,火山硫化物气体与火山灰的比值和气候变化幅度之间并不是线形关系。大气物理学研究表明,平流层对火山气溶胶的容纳程度是有极限的。火山喷发动力学实验及其气候模式模拟结果也显示,在大规模爆发性火山喷发过程中,随着输送至大气圈的硫化物气体总量及喷发速率增加,它们在平流层内形成硫酸盐气溶胶颗粒的粒径会呈指数关系增加,这些大粒径的气溶胶粒子在大气圈中滞留时间更短,因此,平流层内气溶胶总量不会呈现大幅度增加;其次,伴随大量气溶胶形成,会造成大气圈中水蒸汽含量降低和相对亏损,从而也限制了火山气溶胶在大气圈的形成速率。上述研究表明,中酸性火山喷发对气候影响的幅度除受硫化物气体/火山灰的比值限制外,还受到大气圈平流层对H2SO4气溶胶容纳程度的约束,即使是大规模的中酸性喷发,它们对气候影响的幅度也比大火成岩省(见后述)小。因此,中酸性普林尼式喷发对气候影响的时间短和幅度较小等特点决定了它不足以造成全球海平面大幅度变化,也不能导致大规模生物灭绝。Huff等和Erwin分别研究了地史时期6次特大规模(火山碎屑岩体积大于1000km3)、硫化物气体和火山灰比值高的中酸性喷发形成的熔结凝灰岩(Toba,HuckleberryRidge,Blacktail,BlueCreek,ElkhornMountainvolcanics和mid-CaradocSeries)的年龄和空间分布,也发现它们与海平面快速变化、生物灭绝事件之间不存在时空对应关系。由于中酸性喷发质流速率(即单位时间内喷出的熔岩质量)大,火山气体扩散速率快,因此火山喷发可以在喷发后短时间内导致大范围气候快速变化。例如,1991年5月15日菲律宾Pinatubo火山,它被认为是20世纪喷出硫化物气体总量最高的一次火山活动,它将20Mt的SO2和30×1012g的H2SO4气溶胶喷入30km高的平流层,气溶胶在10日之内扩散至中非地区,形成约11000km长的火山气溶胶带,导致1992—1993年北半球气温明显降低,造成1992—1993年南极上空臭氧洞面积显著扩大。4大火成岩省火山气体总量及形成机制大火成岩省主要由席状基性熔岩组成,岩性以石英拉斑玄武岩为主。火山岩分布面积大,超过106km2,最大厚度达数千米。地球物理研究结果显示,岩浆总体积达106km3数量级。整个火山喷发持续时间较长,但是高峰期喷发时间较短,仅为1～2Ma,有的甚至小于1Ma。在整个大火成岩省喷发过程中,岩浆喷溢速率十分不均匀。Baksi和Widdowson等先后详细研究了哥伦比亚和德干玄武岩从早到晚的喷发速率,结果表明,大陆玄武岩喷发早期的1～2Ma速率很大,在此之后喷发速率大幅度锐减。如哥伦比亚玄武岩于17.2MaBP开始喷发,在16.5～15.4MaBP期间喷发速率高达300km3/ka,在15.4MaBP之后喷发速率骤然降为10～15km3/ka,并且随着时间推移还逐渐减小。大火成岩省在喷发高峰期间极大的喷发速率是它造成环境急剧恶化的物质基础。早期研究认为,大火成岩省中火山碎屑岩含量很低,绝大多数由熔岩组成。然而,近年来对一些典型剖面详细的岩相学研究表明,大火成岩省中火山碎屑岩含量可达10%～20%,表明其喷发具有一定的爆发性。目前对大火成岩省成因认识尚存在争议,多数研究者认为它的形成与地幔柱有关;但是近年来一些研究表明它可能是富挥发分的上地幔岩石圈减压熔融的结果。这二种不同的成因观点导致估算火山气体总量大不相同,因此,深入研究LIPs成因对于准确估算它喷发的火山气体总量是至关重要的。目前,LIPs的气候效应研究主要包括温度的变化、酸雨的形成、海平面升降及其与生物灭绝的关系等方面。下面分别进行阐述。4.1岩浆不断开裂期造成的海平面下降,造成了研究表明,大火成岩省喷发早期会导致较短时间地表温度降低,海平面下降,甚至造成冰期来临;随着岩浆不断喷发会骤然呈现长期温度升高,引起海平面上升,甚至出现大洋缺氧事件。下面分别阐述这二种不同的温度效应。4.1.1大陆玄武岩火山能够导致地表温度明显降低的大火成岩省具有如下二个特点:①火山碎屑岩含量较高;②岩浆S和H2O的含量较高。大面积火山碎屑岩出露表明岩浆喷发的爆发性较强,喷发柱较高;岩浆中高S含量暗示火山喷出的硫化物气体总量大。大量硫化物气体与水蒸汽随喷发柱进入对流层顶甚至平流层底,在大气圈中形成气溶胶,影响太阳辐射,最终导致地表温度快速下降。Campbell等研究表明,二叠纪末西伯利亚厚3km的大陆玄武岩剖面中含有多层火山碎屑岩,它们的喷发在大气圈中形成高密度火山气溶胶,最终导致二叠纪末的冰期和大规模海平面下降,只是由于冰期存在时间较短(约600ka)没有残留下明显的冰川遗迹。McCartney等估算印度德干玄武岩喷发向大气圈输送了大约6×1018g的S,如此大量的硫造成明显气候变冷;同时,也导致湖泊严重酸化和海水pH值降低。Officer等的定量计算结果显示,它们导致海洋碱化程度降低10%。Cox研究了德干玄武岩岩相学和火山物理学特征,认为对应于火山集块岩及角砾岩层位的喷发柱可达平流层,并指出多次火山碎屑流喷发可导致地表温度较长时期持续降低。在上述研究基础上,Widdowson等定量模拟了德干玄武岩浆喷出硫化物气体的气候效应,结果表明,在喷发高峰期间(约1Ma),火山向当时大气圈平流层输送H2SO4气溶胶的质流速率为1.7×1013g/a,最终导致全球地表温度平均降低10～15℃。Abramovich等研究了大陆玄武岩喷发对地球不同纬度带气候影响的差异,结果表明,赤道及低纬度地区对大陆玄武岩喷发造成的降温效应响应最快,幅度也最大;随着纬度升高,它们对火山活动造成地表降温的响应滞后时间越长,并且幅度也越小。4.1.2大陆地壳温度变化大陆玄武岩喷出的大量CO2及其反馈效应是造成岩浆喷溢后长期地表温度升高(图1)和海平面上升的主要原因。Wignall利用McCartney等的模式,在Courtillot等计算的喷发物体积(4×106km3)基础上,估算出西伯利亚玄武岩喷出的C总量为20×1018g,如此高的CO2进入大气圈能够导致当时全球气候出现长时间变暖。古生物学研究也显示,在西伯利亚大陆玄武岩喷发后,大量低纬度钙质藻类出现向北半球高纬度区大规模迁移趋势,并且原来生长于高纬度的植物群大规模减少,在当时纬度为80°S的古极地地区大面积发育古土壤。氧同位素地球化学研究表明,在P/T边界,古赤道地区地表温度出现快速增高趋势,升温幅度为6℃。所有这些特征表明,伴随西伯利亚玄武岩喷发,地球表面温度出现长时间显著升高。最近,Martin等系统研究了全球P/T界限附近碳酸盐地层Sr同位素变化趋势,结果显示,从P2末期至T1早期,87Sr/86Sr比值呈现快速增加趋势,并且在T1末期达到最大值。随着87Sr/86Sr比值增加,海平面也呈现快速上升趋势,由此认为,造成这一趋势的原因是由于西伯利亚火山活动向大气圈输送大量CO2气体,导致大气圈CO2浓度快速增加,造成地表温度上升,并且由于其它火山气体(SO2,HF,HCl等)喷出,导致酸雨形成,加速地表岩石淋滤作用,加快大陆岩石风化速率,最终造成87Sr/86Sr比值快速增加。其次,Wingnall等在二叠纪末期发现大量厌氧海洋生物化石,认为当时存在一次大规模厌氧事件。同位素年龄显示,这一“超级”厌氧事件与西伯利亚大陆玄武岩喷发一致,暗示二者之间存在因果关系。研究表明,由于西伯利亚基性岩浆喷发,造成大气圈CO2浓度大幅度增加,引起温室效应,造成全球平均气温升高。一方面会引起赤道—极地温差减小,降低海水对流速率;另一方面会造成海水中氧溶解度下降。最终导致海底厌氧生物生存空间增大和异常繁盛。最近,McElwain等研究了东格陵兰和波罗的海地区下侏罗统地层中植物化石叶子气孔密度,表明在J1存在一次明显大气CO2浓度增加和气候变暖事件,认为这一事件是由于早侏罗世大西洋中部岩浆岩省(CentralAtlanticMagmaticProvince,简称CAMP)喷发所致。Jenkyns等对与Karro和Ferrar大陆玄武岩同时代的Falciferum剖面中C同位素研究结果表明,伴随Karro和Ferrar玄武岩喷发,由早到晚Falciferum的δ13C呈现出-3‰的偏移,二者时代相同表明Karro和Ferrar喷出CO2(火山成因CO2的δ13C=-5‰)是造成这一负偏差的原因之一。但是,定量模拟结果显示,Karro和Ferrar玄武岩浆喷出的CO2远远不足以造成Falciferum中δ13C=-3‰的偏移。Bowring等和Hesselbo等认为由于火山喷出大陆CO2造成地表温度升高,导致海底冷藏的大量甲烷水合物(δ13C=-65‰)分解逸出是造成δ13C大幅度偏移的另一个原因。由于CH4从海洋进入大气圈,又会进一步增加温室效应,增加了地表温度升高的幅度。目前研究表明,西伯利亚和Brito-Arctic大火成岩省喷发也不能引起P/T界限附近和早第三纪地层所出现的大幅度δ13C偏移,研究者普遍认为由于火山成因CO2引起海洋中甲烷水合物分解是造成与西伯利亚和Brito-Arctic火成岩省同时代地层中C同位素大幅度变化的另一重要原因。大陆玄武岩喷发造成地表温度上升的定量研究报道尚不多见。McLean利用Leavitt的模式计算了德干玄武岩在喷发高峰期间(1.36Ma)喷出CO2为5×1017mol(相当于6×1018g的C)。后来,McCartney等采用不同的模式估算了整个喷发过程喷出的C总量为13×1018g。气候动力学研究表明,火山成因CO2对气候的影响是一个动态过程,即在玄武岩喷发持续的时间内,喷出的CO2并不会一直滞留在大气圈中,而是随着火山喷发,大气圈CO2浓度增加的结果会导致陆壳风化速率增大,从而增加C循环速率,使大气圈C的消耗速率增加。其次,白垩纪末期海水温度升高导致海水中CO2溶解度降低,造成大量CO2从海水逸出到大气圈中。以此为基础,Caldeira等定量模拟德干玄武岩喷出的CO2造成0.5Ma全球平均温度升高至少2℃。洋底侵位的大火成岩省造成全球温度升高机理与上述大陆溢流玄武岩有所区别,前者不会造成δ13C大幅度的负偏移。Bralower等研究了早白垩世大洋内缺氧事件(即Selli事件),认为这一缺氧事件与大幅度海平面上升相伴出现。Tarduno等也指出由于同时期翁通爪哇(OntongJava)洋底高原玄武岩侵位,一方面抬升了洋底造成海平面上升;另一方面它加热了海底海水,使海水中O2的溶解度减小,同时由于玄武岩浆喷出的CO2输送到大气圈以及由于海水加热使海水中CO2溶解度降低,最终引起地表气温升高,造成Selli事件。研究显示,翁通爪哇洋底玄武岩喷出的硫化物及卤化物气体会溶解于水,因此它们对气候的影响相对较微弱。Kerr利用上述机理解释了大西洋底加勒比—哥伦比亚(Caribbean-Colombian)岩浆溢流和马达加斯加(Madagascar)玄武岩喷发造成白垩纪鳄鱼化石出现在北极的现象。但是,Kerr估算加勒比—哥伦比亚玄武岩浆喷出SO2的质流速率高达3×1017kg/a,并认为与OntongJava玄武岩喷发不同的是,加勒比—哥伦比亚喷发造成大面积洋底海水酸化作用,并且由于火山喷发造成地表温度升高和潮湿气候条件增加了从大陆向海洋输送养分的速率,提高了海洋生物产率;其次由于洋底玄武岩喷溢增加了洋底海水中铁离子浓度,最终加速了海底有机碳埋藏速率。这种C循环的副反馈效应造成在早土伦(Turonian)早期突然出现变暖趋势反转。4.2生物东北部因素地史时期大规模生物灭绝的成因是地质学界争论较强烈的议题之一。目前最主要的证据包括两个方面:地内(火山喷发)和地外(小行星撞击)成因。本文只涉及前者,对于后者不做评论。大火成岩省喷发造成的灾难性气候和环境效应以及地质历史时期大火成岩省与生物灭绝事件之间年龄和周期的一致性表明二者存在因果关系。目前研究认为,LIPs主要通过2种途径造成生物灭绝:①导致海平面变化;②形成大规模酸雨以及造成生物链中断。4.2.1海平面上升和岩浆喷发前地壳和岩石圈大幅上升大火成岩省喷发主要通过以下几种途径导致海平面变化:①在大陆玄武岩喷发过程中,喷出大量CO2及其引起洋底甲烷水合物分解出CH4,它们进入大气圈导致温室效应,造成地表温度长时期快速升高,最终引起海平面上升。如印度德干玄武岩喷发造成K/Tr界限附近海平面快速上升。②如前所述,大火成岩省有二种成因:一种认为与地幔柱上升有关,研究表明,地幔柱上升会在岩浆喷发前造成地壳及岩石圈大幅度隆升,从而导致海平面下降。例如,峨嵋山玄武岩喷发前地壳大幅度上隆和海平面下降认为是由于地幔柱头部侵位在岩石圈底部的结果。另一种观点认为LIPs是由于上地幔岩石圈部分熔融的产物,它们通常与大陆裂谷伴生,从而引起海平面上升。③由于洋底玄武岩省占据海底空间以及玄武岩对海水的加热效应(大洋中O2和CO2溶解度减小,洋底CH4水合物分解、逸出等),最终造成海平面上升。例如,翁通爪哇海底高原玄武岩喷发导致早白垩世海平面大幅度上升。研究表明,大幅度海平面变化通过如下机制导致生物灭绝:①海平面下降使浅海生物失去(或缩小)栖息场所,从而引起浅海生物灭绝;其次,往往与海平面下降伴随的大幅度降温还会引起陆生生物灭绝。②由于温度升高引起大规模海平面上升会造成大洋环流速度减小,导致洋底出现缺氧事件,最终造成大规模深海生物灭绝。例如,Karro和Ferrar基性熔岩喷发造成J1大规模深海生物灭绝;德干玄武岩喷发导致K2末期大规模浮游生物灭绝。4.2.2生物东北部主发酵区Officer等和McCartney等先后指出,由于德干玄武岩喷出大量CO2和SO2气体,它们与海水反应形成新的海水—大气圈平衡,造成海洋表面酸度增加(pH值降低),最终引起大规模浮游生物灭绝,特别是那些对pH值变化非常敏感的浮游生物更易灭绝,从而引起海洋中食物链中断,造成其它以浮游生物为食物的底栖生物灭绝。其次,大陆溢流玄武岩喷出大量SO2,H2S,HCl,HF和一些有害微量元素(如Hg,Pb,As等)可以形成大规模酸雨(雾),从而造成陆地生物灭绝和喜酸菌类恶性增殖,例如,Eshet发现P/T界限附近出现异常高含量的亲硫真菌孢子化石带,特别是在低纬度地区这些亲硫真菌组合占绝对优势。Visscher等认为这是由于西伯利亚大陆玄武岩喷发形成大规模酸雨(雾),导致了植物界生态系统恶性退化的结果。研究表明,大火成岩省喷发导致海洋和陆地上生物灭绝事件相位不同步。Palfy等研究了大西洋中部大火成岩省(CAMP)喷发对全球T/J界限附近海陆生物灭绝的相位关系,结果表明,CAMP喷发造成海洋生物灭绝时间滞后陆地上生物灭绝时间约700ka,他们认为这是由于海水热容较大并且海洋中生物与火山气体不直接接触造成的。近年来研究表明,虽然大火成岩省主要通过上述两种方式导致生物灭绝,但是地史时期与火山喷发有关的生物灭绝事件往往是这两种因素综合作用的结果,只是二者的作用有主次之分。4.2.3质流速率与火山喷发的关系最近,Wignall(2001)详细研究了250MaBP以来地球上出现的11次大火成岩省喷发的精细年龄与地质历史时期大规模生物灭绝时代之间的对应关系,结果显示,二叠纪以来11次大规模玄武岩喷发中的7次与生物灭绝年龄吻合,其中5次对应着大规模生物灭绝,2次与中小规模生物灭绝时间一致。那么,是什么因素制约着大规模火成作用对生物圈的影响呢?Sepkoski研究表明,大火成岩省的喷发物体积与生物种属灭绝的相对比例之间不存在任何相关关系,因此认为喷发物初始体积并不是决定生物灭绝的主要因素。另一些研究者认为,岩浆喷溢的质流速率是制约LIPs与气候变化关系的重要因素。但是,这一观点遇到了如下两个方面的困难:①目前还没有对上述11个大火成岩省中每次熔岩流和火山碎屑流的喷发速率开展定量研究,因此很难直接证实质流速率是否是限制火山气候效应的重要因素。②对历史时期和现代活火山研究表明,质流速率与喷发型式密切相关,即火山碎屑流含量越高,表明其爆发性越强,质流速率也越大,反之亦然。近年来,Sadovnikov等详细地研究了西伯利亚大陆玄武岩典型剖面,指出以往的研究明显地低估了喷发物中火山碎屑流所占的比例和爆发强度,认为西伯利亚玄武岩实际的质流速率很高,正是由于它高的质流速率导致喷发将大量气体快速输送到大气圈,使大气圈中火山气体和气溶胶的浓度剧增,因此造成P/T界限附近的环境急剧恶化,最终导致生物灭绝。但是,Brito-Arctic火成岩省中火山碎屑岩的比例较西伯利亚还高,却没有造成明显气候变化和生物灭绝。因此,目前研究者对“质流速率控制火山喷发的气候效应”观点也提出质疑。Courtillot综合研究了地史时期大火成岩省对生物活动的影响,认为如下几个因素制约着火山喷发造成气候变化的时空范围与幅度:①火山喷发时海陆分布及气候状况。②大火成岩省喷发的爆发强度。③大火成岩省剖面中熔岩流和火山碎屑流的层数、厚度及其持续时间。④生物活动与火山喷发的时间间隔。但是近期研究表明,除上述因素外,还有一个以往人们一直忽视的因素就是火山喷出气体总量和成分,近5～6年来,随着高精度和高分辨率测试手段(如电子探针、离子探针、拉曼光谱和红外光谱等)在岩浆包裹体研究领域的成功应用,人们可以定量测量火山喷发至大气圈的气体总量和成分(如H2O、CO2、CO、HCl、HF、SO2、H2S和N2等),从而能够高精度地计算大火成岩省喷出的不同特征的气体组合对气候变化和生物灭绝的影响。这一领域内工作的大量开展将为大火成岩省与生物灭绝的研究增添新证据。5火山喷发对气候的影响此类火山喷发的岩浆以玄武质为主,与LIPs相比其规模小(分布面积<105km2),露头主要由受断裂控制的中心式中小型火山锥(口)和熔岩流组成,它们座落于张性火山盆地内,火山锥成群出现,形成众多玛珥湖。如德国的艾费尔(Eifel)地区,我国东北龙岗火山群和雷州半岛火山盆地等。在岩相学上,以熔岩为主,夹有成层的玄武质火山碎屑岩,岩石含大量地幔岩包体。说明岩浆上升速率较快,并且盆地内地下水面较浅,火山喷发的爆发性强。Woods对其火山喷发物理学特征研究表明,喷发开始形成熔岩喷泉(firefountains),随着喷发物上升,在喷泉之上形成火山对流柱(convectiveplume),对流柱在对流上升过程中将周围大气圈中不饱和状态的大量水蒸汽卷入柱中,此时对流柱的热能将作为其上升动力源。随着对流柱高度增加,大气压逐渐减小,对流柱内水蒸汽会达到饱和状态。水蒸汽饱和的高度称为饱和高度(saturationheight)。在饱和高度之上,水蒸汽将冷凝形成液态微滴,水凝结过程释放出的大量潜能作为饱和高度之上对流柱继续上升的推动力,最终,对流柱高度可达到对流层顶或平流层底部。实验室模拟与野外观察表明,中等规模的喷发,熔岩流面积较大,由于空气热膨胀作用,可以在熔岩流上方大气圈中形成垂向温度梯度,出现对流环,这种大气对流环导致熔岩流上空形成类似飓风规模的上升流,甚至可以将大量火山气体和气溶胶直接输送至平流层。这类火山喷出的气体富含H2S和SO2,卤族气体含量相对较低;CO2含量也较高,尽管由于岩浆总量小,与大气圈中CO2总量相比,其喷出的CO2气体量较小,但是会造成火山盆地内CO2浓度明显增加。因此,火山活动的主要气候效应是,由于火山喷发导致火山盆地内CO2和SO2等温室气体浓度急剧增加,造成火山喷发后的较短时间里盆地内气温快速上升,之后由于火山喷出的硫化物气体形成H2SO4气溶胶,导致火山口周围地区温度急剧下降和形成酸雨(图1)。火山喷发对气候影响的时空范围较小,往往仅局限于火山盆地内,对盆地以外地区影响很小;由于喷出主要气体在大