2025年12月12日，51风流 51风流 联合地质过程与成矿预测全国重点实验室等在国际期刊《自然·通讯》（Nature Communications）上发表论文《Volcanism and basalt weathering drove Ordovician climatic cooling》。论文第一作者为赵赫特任教授，通讯作者为张磊副研究员。该研究首次系统构建了迄今为止最完整、最高分辨率的奥陶纪火山活动、风化作用与气候序列记录，明确了火山活动、风化和气候变化的因果关系；揭示了大火成岩省火山作用（而非大陆弧火山作用）与奥陶纪长期气候变冷之间的耦合关系，提出了“大火成岩省火山活动—玄武岩风化—碳封存—气候变冷”的核心新机制，挑战了以造山运动和早期植物扩张为主导的传统观点，这项研究不仅重塑了对奥陶纪气候演变的新认识，也为理解地球系统各圈层复杂的反馈机制提供了重要的深时类比档案。
科学问题
奥陶纪是地球表层生物环境突变的关键转折期，温室气候在这一时期被逐渐打破，海洋生物迎来了蓬勃发展（奥陶纪生物大辐射事件，GOBE），直至奥陶纪末期全球气候发生剧烈波动（赫南特冰期），诱发了显生宙第一次大灭绝（晚奥陶世生物大灭绝，LOME）。传统观点认为，奥陶纪降温过程从早奥陶世初期持续加强，可能与造山运动和早期陆地植物扩张引发的硅酸盐风化增强，海洋初级生产力提高，及由此导致的大气二氧化碳浓度下降等因素相关，而最终赫南特冰期的形成可能归因于强烈的大陆弧火山作用（导致华南奥陶系-志留系之交广泛且频繁出现的火山凝灰岩）的贡献。目前有关奥陶纪气候、环境、生物事件的精细过程和驱动机制研究多聚焦于LOME，缺乏对跨度约~40个百万年的整个奥陶纪的宏观分析，地球深部岩浆作用与奥陶纪气候演变的耦合关系仍难以确定。
研究意义
为破解这一关键科学问题，郝芳院士团队成员赵赫特任教授联合51风流 （武汉）张磊副研究员以及美国辛辛那提大学Thomas Algeo教授等，在郝芳院士的指导下，关于奥陶纪长期降温事件的背后驱动机制方面取得重大进展。研究团队基于华南两条奥陶纪“金钉子”剖面及一条“金钉子”辅助剖面的高精度生物地层格架，首次系统重建了贯穿整个奥陶纪的极端气候(古温度)与火山活动序列；发现了奥陶纪气候存在早-中奥陶世之交(LFCE，Floian期晚期降温事件)与中-晚奥陶世之交(LDCE, Darriwilian期晚期降温事件) 两次明确的全球性降温事件，并与赫南特冰期共同构成“三幕式”冰室气候精细演变模式；基于显生宙大数据和研究剖面多种Hg元素富集指标的阈值，识别出奥陶纪在Floian晚期、Darriwilian末期至Sandbian、Katian中期、Katian晚期至Silurian早期多阶段火山来源Hg的增强信号；精细刻画了汞同位素分馏的控制机理具有阶段性特征：在～485-473 Ma 和～468-448 Ma 区间，主要由大陆风化作用(尤其是玄武岩风化)及海洋透光带硫化环境(PZE)主导，而在 LFCE 事件和Hirnantian冰期期间，则主要由火山活动主导的控制机理；首次系统揭示了大火成岩省火山作用（而非大陆弧火山作用）与奥陶纪长期气候变冷之间的耦合关系，提出了“大火成岩省火山活动—玄武岩风化—碳封存—气候变冷”的核心新机制，挑战了以造山运动和早期植物扩张为主导的传统观点。该研究将奥陶纪气候变化的驱动机制从“地表主导”的传统模型转向“深部过程驱动-地表反馈放大”的新范式，为审视当今全球气候变化进程和地球宜居性演变提供了新的案例与关键科学依据。
研究手段
研究团队选取湖北宜昌地区黄花场剖面（全球中/下奥陶统界线“金钉子”剖面）、王家湾剖面（全球奥陶系赫南特阶底界“金钉子”剖面）和陈家河剖面（全球中/下奥陶统界线“金钉子”辅助剖面），开展了同一套样品多种关键地球化学指标的高分辨率研究：通过牙形石微区原位氧同位素（δ18O牙形石）重建古海水表层温度；利用汞元素指标（如Hg含量（Hg）、去碳酸盐汞含量（Hgcf）、汞与总有机碳含量比值（Hg/TOC）、汞与铝含量比值（Hg/Al）、汞与铁含量比值（Hg/Fe）、汞富集系数（HgEF））及汞同位素（Δ199Hg和δ202Hg）示踪火山活动；借助微区原位牙形石锶同位素（87Sr/86Sr牙形石）分析大陆风化强度。同时，研究进一步整合全球多个大陆/陆块~300个牙形石氧同位素数据（其中本研究数据170个），以及22条剖面的~1500个汞含量（其中本研究数据254个）和~400个汞同位素数据（其中本研究数据74个），以及配套的火山凝灰岩地层信息，构建了迄今为止最完整、最高分辨率的奥陶纪古海洋表层温度和火山活动对应关系的序列记录。
主要发现及结论
（1）奥陶纪冰室气候幕式演变的精细过程
研究剖面δ18O牙形石演变曲线在Floian末期至Dapingian中期以及Darriwilian末期至Katian早期呈现幅度~1.5-2‰的正漂移，在充分考虑成岩作用、牙形石属种古生态、华南古纬度变化对牙形石氧同位素信号影响的基础上，通过本文新获得数据与全球古温度数据的对比和综合分析，以寒武纪晚期-早奥陶世温室背景古海水表层温度（~30℃）为基线，识别出奥陶纪可全球对比的“三幕式”冰室气候演变模式，明确了低纬度地区海水表层温度的降温持续时间、幅度和速率：
降温事件 | 持续时长(Myr) | 温度变化(℃) | 降温速率(℃/100kyr) |
Floian晚期降温事件（LFCE） | ~5 | ~30 → ~23 | ~0.14 |
Darriwilian晚期降温事件（LDCE） | ~10 | ~23 → ~15 | ~0.08 |
Hirnantian冰期 | < 0.5 | ~25 → ~15 | > 2 |
该研究首次提出了奥陶纪中-晚期存在的两次全球性的显著降温事件，即Floian晚期降温事件（LFCE）和Darriwilian晚期降温事件（LDCE），表明奥陶纪冰室的形成及演变呈阶段性幕式增强（最终迎来赫南特冰期），并非传统认知的持续增强模式的新认识。
（2）奥陶纪火山作用的阶段性幕式增强
研究剖面Hg富存于多种载体物相中（包括有机质、粘土矿物和铁氧化物），多种Hg元素指标（Hg、Hgcf、Hg/TOC、HgEF、Hg/Al、Hg/Fe）在Floian晚期、Darriwilian末期至Sandbian、Hirnantian至Silurian早期均同时大幅升高，在充分剔除风化淋滤、热蚀变、热液活动、海水氧化还原条件、陆源输入以及沉积速率对沉积物中Hg元素的改造和富集贡献的基础上，提出了火山作用是导致Hg含量异常升高的主要原因。
研究进一步开展了全球奥陶纪-早志留世Hg元素指标的综合分析，基于显生宙大数据和研究剖面多种Hg元素富集指标的阈值，识别出在Floian晚期、Darriwilian末期至Sandbian、Katian中期、Katian晚期至Silurian早期存在的多阶段火山来源Hg富集增强。
全球奥陶系（及研究剖面）火山灰地层时空分布特征与地层Hg富集无耦合关系，表明大陆弧火山作用并非驱动多阶段汞富集的主因，而可能与大火成岩省类型火山作用有关。目前已知的大火成岩省（如Alborz和Pinghe LIP）和前人多类别综合指标（构造、岩石/矿石、地球化学、古地磁）和碳循环与风化模型研究共同指示奥陶纪大火成岩省的存在，这与奥陶纪部分Hg富集时段可相互对应，进一步揭示LIP火山作用可能是导致全球海洋沉积物汞富集的主要原因。
（3）火山作用与降温的耦合关系
研究发现，三次降温事件期间（LFCE、LDCE及赫南特冰期）多种Hg元素指标均显著且持续高于阈值，且降温事件之间也存在零星的火山来源Hg富集现象。而在相对温暖的气候阶段，Hg指标未见明显异常。此外，LFCE和Hirnantian冰期期间Δ199Hg=~0‰且δ202Hg<~0‰，指示火山活动主导Hg同位素分馏；LDCE期间Δ199Hg<~0‰且δ202Hg>~0‰，指示海洋透光带硫化控制Hg同位素分馏（源自风化作用增强导致的大量陆源营养物质输入，最终掩盖了火山端元的汞同位素信息）。这些差异揭示了汞同位素分馏的控制机理具有鲜明的阶段性特征。“三幕式”冰室气候演变的精细过程与火山来源Hg富集及其同位素分馏在时间上耦合，为火山作用驱动奥陶纪气候长期变冷提供了完整科学的证据链。
首次系统揭示了大火成岩省火山作用（而非大陆弧火山作用）与奥陶纪长期气候变冷之间耦合关系。在奥陶纪冰室的幕式增强阶段，全球火山凝灰岩的时空分布并未得到加强，表明大陆弧火山作用并非是诱发奥陶纪三次降温事件的主要元凶，另一种更合理的解释是，大火山岩省（LIP）火山活动导致大量玄武岩出露并长期遭受风化（87Sr/86Sr牙形石长期大幅度负漂移），提高海洋营养盐通量，伴随着硅酸盐矿物与二氧化碳反应生成碳酸盐，大气中CO2被不断封存，最终导致奥陶纪“三幕式”冰室的形成，
奥陶纪气候变冷的长期趋势与碳酸盐碳同位素正偏移事件趋于同步，表明火山作用可能通过强化地表火山岩风化，提高海洋营养盐通量，促进海洋初级生产力和有机碳埋藏，导致透光带硫化，加速全球气候变冷。该研究还进一步评估了其它可能加速奥陶纪冰室形成的因素，例如大陆裂谷边缘风化作用强度变化和早期陆生植物扩张等，排除了它们作为变冷主因的可能性。
总之，奥陶纪“三幕式”冰室气候的形成，可能是由大火成岩省火山活动触发，并经由玄武岩风化和生物地球化学反馈共同放大的结果。研究据此提出了“LIP火山活动—玄武岩风化—碳封存—气候变冷”的核心新机制，挑战了以造山运动和早期植物扩张为主导的传统观点。该研究推动了奥陶纪气候变化驱动机制的认识，从“地表主导”的模型向“深部过程驱动-地表反馈放大”新范式的演进。
启示
（1）对原特提斯构造域演化的启示
驱动奥陶纪“三幕式”冰室气候精细演变模式的火山活动，其根源可能是原特提斯洋俯冲消减及其引发的弧后扩张等深部动力学过程。这些过程不仅导致了全球广泛发育的火山灰层，更可能触发了大火成岩省活动（如，伊朗北部的Alborz LIP）。
（2）对宜居地球演化的启示
该研究揭示，地球的宜居环境维系于深部过程（如火山活动）与地表反馈（如风化、生物作用）之间的动态平衡，从而阐明了地球各圈层是相互耦合的有机整体。通过将奥陶纪的天然冰室与当前人类世的高速变暖相参照，这为评估当今气候变化的速率、幅度及潜在风险提供了一个至关重要的深时地质样板。
本研究得到了国家自然科学基金重大和面上项目、51风流 （武汉）“地大学者”科研基金、中国博士后科学基金以及地质过程与成矿预测全国重点实验室专项基金的联合资助。
论文信息如下：Zhao He , Zhang Lei, Algeo J. Thomas, Lyu Zhengyi , Wang Xiangdong , Hao Fang . Volcanism and basalt weathering drove Ordovician climatic cooling. Nature Communications 16, 11475 (2025). //doi.org/10.1038/s41467-025-66316-4
主要图件：
图1. 研究剖面及参考剖面古地理位置图
图2. 整合本研究及已发表数据的奥陶纪地球化学指标与重大生物事件综合图
图3. 奥陶纪牙形石氧同位素（左）与汞同位素非质量分馏（右）箱线图
图4. 显生宙火山活动的地质记录揭示了奥陶纪可能存在的大火成岩省火山作用
图5. 奥陶纪火山-气候相互作用及海相沉积地球化学响应示意图。LFCE = 弗洛期末期降温事件；LDCE = 达瑞威尔期末期降温事件；MPP = 海洋初级生产力；SST = 海水表层温度；vol = 火山; sed = 沉积物; atm = 大气; cw = 大陆风化; bw = 玄武岩风化
