二叠纪-三叠纪之交发生了显生宙以来最大规模的生物灭绝事件，并伴随着全球的碳循环扰动和显著升温。碳循环扰动在地质记录上主要表现为碳同位素的负偏和大气CO₂浓度的急剧升高，反映了大规模的轻碳（¹²C）被释放到地球表层系统中。同时期的火山活动被广泛认为是引起大规模碳释放的主要原因，但是当前对这一具体过程仍缺乏清晰的认识。近日，中国地质大学（武汉）研究团队联合美国蒙特克莱尔州立大学和加州大学河滨分校发表了一项重要研究成果：利用地球系统模型和地质记录定量揭示了二叠纪-三叠纪之交火山喷发形式及轻碳释放的演变过程。该成果于2023年2月16日在线发表在《Science Advances》上。

地质证据与数值模拟相结合进行数据同化是解决这个科学问题的有效手段之一。前人研究大多数需要假设碳来源的类型（如火山幔源，热变质成因，有机质氧化或者甲烷来源），从而进行数值模拟并将模拟结果与所观测的地质记录做对比。本研究的亮点在于采用了一种无需假设轻碳来源的新方法—“双参数反演”数据同化(“double inversion”)。这一新方法将全球观测碳同位素和大气CO₂浓度数据作为cGENIE地球系统模型的“双参数”进行反演计算碳排放速率及其碳同位素的演化曲线，从而推测轻碳来源的变化，得出热变质碳排放先于火山CO₂释放的结论。其中，高分辨率碳同位素数据和大气CO₂浓度曲线来自研究团队前期发表在《Nature Communications》和《Geology》上的成果。

图1. 二叠纪末碳释放以及海水表层温度和pH变化的模拟结果

A. 热变质排放与火山CO₂排放的碳同位素组成；B. 碳排放速率；C. 碳排放累计总量；D. 海水表层温度变化地质指标与模拟结果对比；E. 海水pH变化地质指标与模拟结果对比

数据同化结果表明二叠纪末生物灭绝期间的碳排放具有两期特征：早期碳排放的碳同位素值偏低，且碳释放速率低；而晚期碳排放的碳同位素值和碳释放速率都显著提高。碳排放的两期特征很可能反映了西伯利亚大火成岩省的演变过程：碳排放一期以岩浆侵入富含有机质岩层为主，缓慢释放碳同位素值偏低的热变质成因CO₂和甲烷，碳释放规模小，造成的全球升温和海洋酸化程度低，导致全球海洋-大陆系统碳同位素负偏显著；碳排放二期的火山喷发作用加强，快速排放大量幔源CO₂，导致大气CO₂浓度激增和进一步的碳同位素负偏，进而引起全球大幅升温和海洋酸化，最终导致二叠纪末生物大灭绝事件。地质记录显示的海水表层温度和海水pH值的两期变化与模拟结果整体一致，进一步支持了本研究的结论。此外，本研究认为早期的陆地生态系统危机引起的土壤有机碳排放很可能为第一期碳同位素负偏提供了额外的轻碳，而随后的植物灭绝与陆地生态系统的崩溃则进一步加剧了二期碳排放及气候与环境的恶化。

图2. 二叠纪末全球海水表层温度和pH变化的模拟结果

相关论文信息：

Wu, Y.Y., Cui, Y., Chu, D.L., Song, H.J., Tong, J.N., Dal Corso, J., Ridgwell, A., 2023. Volcanic CO₂ degassing postdates thermogenic carbon emission during the end-Permian mass extinction. Science Advances (9): eabq4082. DOI: 10.1126/sciadv.abq4082.

Wu, Y.Y, Chu, D.L., Tong, J.N., Song, H.J., Dal Corso, J., Wignall, P.B., Song, H.Y., Cui, Y., 2021. Six-fold increase of atmospheric pCO2 during the Permian-Triassic mass extinction, Nature Communications 12(2137). DOI: 10.1038/s41467-021-22298-7.

Chu, D.L., S. E. Grasby, Song H.J., J. Dal Corso, Wang Y., T. A. Mather, Wu Y.Y., Song H.Y., Shu W.C., Tong J.N., P.B.Wignall, 2020. Ecological disturbance in tropical peatlands prior to marine Permian-Triassic mass extinction, Geology 48, 288-292. DOI:doi.org/10.1130/G46631.1.