彭澎等-ESR：大火成岩省延长大氧化事件?

导语：

地球大气氧气增加对宜居环境的形成十分关键。在漫长的大气增氧历程中，发生于24-21亿年前的大氧化事件是一次“革命性”事件，是元古宙地球系统演化的“里程碑”。学术界对大氧化事件起始-终止时间、过程及成因等的研究取得了重要进展，但仍存在广泛争议。大氧化事件期间，全球多地碳酸盐岩无机碳同位素（δ13Ccarb）持久正偏移（+5‰- +16‰；即Lomagundi-Jatuli事件）；同时大量发育以层状侵入杂岩为特征的大火成岩省（对应23-20.5亿年的层侵纪）。目前普遍认为，地质历史时期大火成岩省的形成与风化，可对全球环境和生命演化等产生显著的影响，然而大氧化事件期间大火成岩省与环境演化之间的关系，存在很大争议，且缺乏深入研究。本研究以华北克拉通地质全记录及其全球响应为突破口，寻找大火成岩省活动与大氧化事件成因关联的线索。

华北克拉通发育层侵纪大火成岩省和同时期沉积地层；地层时间跨度长，并被报道存在Lomagundi-Jatuli事件响应，为开展相关研究提供了得天独厚的地质资料。中国科学院地质与地球物理研究所前寒武纪地质学科组、沉积与地球环境学科组及稳定同位素实验室，联合中国地质科学院地质研究所、天津地质调查中心、山西地质调查院有限公司等单位，对华北古元古代大火成岩省记录和同期地层开展了大量野外考察和室内工作，并系统梳理和综合分析已有资料，围绕大火成岩省活动峰期与大氧化事件，尤其是Lomagundi-Jatuli事件的联系开展研究，取得了如下认识。

（1）限定了华北克拉通部分层侵系地层的形成时代。如：通过高凡群中凝灰岩定年，确定其沉积时代为21.85亿年；通过上下地层碎屑锆石年龄，约束高凡群张仙堡组沉积于约22.7-21.85亿年；通过滹沱群底部砾岩中花岗岩-火山岩砾石及少量火山碎屑岩夹层年代学研究，确定其沉积始于21.25亿年；通过火山岩等关键地层对比，支持东冶亚群和豆村亚群大致可对比的认识，并提出了对比方案；通过岩床年代学研究，限定了三岔子群形成年龄普遍老于21.25亿年等。

（2）梳理了华北克拉通层侵系地层-时代-事件综合框架（图1a）。华北克拉通山西、辽宁和朝鲜层侵系地层可以对比，构成了23-20亿年相对接续的地层剖面；其中，可能响应了Lomagundi-Jatuli事件的地层包括22.7-21.85亿年的高凡群张仙堡组、21.85-21.25亿年三岔子群关门山组、21.25-20.25亿年的滹沱超群文山组-大关山组及其对应地层，跨越2亿年左右；层侵系富有机质岩石在其后造山纪经过变质作用形成大量石墨矿。

图1 华北克拉通古元古代25-18亿年重要沉积-岩浆-变质-构造-成矿事件及其与全球性事件包含大氧化事件不同阶段在时间轴上的对应关系简图

（3）厘定了华北克拉通层侵纪大火成岩省地质记录。新识别出21.85亿年的大火成岩省遗迹，提出层侵纪至少存在多个重要大火成岩省活动期（分别发育于22.2亿年、21.85亿年、21.45亿年、21.2亿年、20.9亿年、20.6亿年前后），相隔2500-4000万年就发育一个，结合全球大火成岩省数据库，提出22.5-20亿年是全球大火成岩省发育的峰期，也是水下喷发活动的峰期（图1d）。

（4）探讨了层侵纪和造山纪岩浆-变质作用在该时期环境-生命演化等方面可能的作用（图2）。22.5-20亿年期间，多期次大火山岩省活动贯穿大氧化事件，它们所形成的大量岩浆及其所形成的火山岩和火山碎屑岩以及喷发的火山灰等，有可能直接或间接促进了海洋营养元素供应、增强了海洋初级生产力，进而促进了沉积物有机质埋藏和大气氧气增加，对应了大氧化事件和Lomagundi-Jatuli事件。21-18亿年期间，大火成岩省的活动减弱，岛弧岩浆活动加强，并紧随岛弧岩浆活动发育陆-陆碰撞造山作用，对应大量石墨矿、花岗岩及相关火山岩的形成；这一过程可能使得部分有机碳发生相变，伴随岩浆去气释放到大气之中，影响了碳循环。

图2 华北克拉通层侵纪-造山纪（23-18亿年）重大地质事件及其与表生环境演变的潜在影响和响应示意图

该研究揭示了全球大火成岩省的活动峰期与大氧化事件大气氧气水平和Lomagundi-Jatuli事件，以及弧岩浆活动和变质岩的发育峰期与紧随大氧化事件的Shunga-Francevillian事件的对应关系（图1）。研究初步提出，层侵纪持续高频爆发的大火成岩省（地幔柱活动）在促进海洋生产力和大气氧气水平方面起到了积极作用；而大火成岩省峰期的消退，以及弧岩浆活动和造山活动的加强，则可能一定程度驱动了大氧化事件的结束（图2）。华北克拉通古元古代地质记录及其对全球事件的响应为后续研究提供了线索。

研究成果发表于国际学术期刊ESR上（彭澎*，刘旭，冯连君，周锡强，旷红伟，柳永清，康健丽，王欣平，王冲，戴克，王惠初，李建荣，苗培森，郭敬辉，翟明国. Rhyacian intermittent large igneous provinces sustained Great Oxidation Event: Evidence from North China craton[J]. Earth-Science Reviews, 2023, 238: 104352. DOI: 10.1016/j.earscirev.2023.104352）。研究受国家自然科学基金项目（41890833、42125206）、中国科学院前沿重点项目（QYZDBSSW-DQX042）、先导项目（XDB41000000）和国际合作伙伴计划项目（GJHZ2016）等共同资助。研究得到DDE深时数字地球大科学计划大力支持。

美编：傅士旭（华东师大）

校对：万鹏（地质地球所）