古新世-始新世极热事件(PETM; ～56 Ma)发生在早新生代长期增温背景下，为一历时极端短暂的快速增温和大规模海洋底栖生物灭绝事件。在地质记录上，该事件主要表现为大幅度的碳同位素负漂和显著的碳酸盐补偿深度(CCD)变浅。这些观测事实说明该事件是由巨量轻碳快速注入到海-气系统而引起。然而，关于巨量轻碳的来源及释放机制，目前学术界存在很大争议。潜在的碳源包括海底天然气水合物、泥炭燃烧、冻土分解、热变质成因甲烷和地幔去气(McInerney and Wing, 2011)。一个核心问题是什么原因诱发了巨量轻碳的释放？部分学者提出晚古新世北大西洋火山岩省的剧烈活动是巨量轻碳释放的“触发器”(trigger)，但由于年代数据的稀少，且精度较低，火山活动与轻碳释放的关系并不明确。
大规模的火山活动会释放大量的Hg，这些火山来源的Hg在年际尺度以有机物吸附的方式被保存在沉积物中。因此，通过测定沉积物中Hg的含量，可以揭示地质历史时期的火山活动强度。近期，英国埃克塞特大学Kender教授及合作者对北海(North Sea)盆地(图1)两个钻孔岩心(22/10a-4和E-8X)进行高分辨率的碳同位素组成和Hg含量分析，详细梳理了PETM时期火山活动同碳释放之间的耦合关系，相关成果发表于Nature Communication。 Kender等人发现，经有机碳(TOC)标准化后的Hg含量(Hg/TOC)呈现出两个显著特征(图2)：(1)碳同位素负漂开始阶段，Hg/TOC值剧烈波动，整体上显著高于事件发生前的背景值；(2)距离北大西洋火成岩省越远，沉积物中Hg/TOC值波动幅度和频率逐渐递减。这些观测事实证明沉积物中Hg的异常富集主要来源于北大西洋火山岩省的剧烈活动，且火山喷发发生在海底。
图1 北大西洋火山岩省和钻孔位置图（Kender et al., 2021）
图2 PETM负漂期不同研究点Hg和Hg/TOC数据（Kender et al., 2021）
为了进一步厘清火山活动和碳排放之间的关系，Kender教授团队对E-8X钻孔进行了高分辨率碳同位素分析，结果显示碳同位素负漂分两步实现，每一步负漂的幅度接近2‰(图3)。对比Hg数据，碳同位素负漂第一阶段(图3, CIE step 1)与大幅度的Hg/TOC异常富集同步，说明这一阶段北大西洋火山岩省活动剧烈，火山去气或岩浆侵入到富含有机质的沉积物中导致热变质成因甲烷的释放，是该阶段轻碳的主要来源；碳同位素负漂第二阶段(图3, CIE step 2)，Hg/TOC相对背景值并未发生明显的变化，说明该阶段火山活动相对较弱，气候系统内在的反馈过程可能诱发了天然气水合物和冻土有机碳的热分解，导致这一阶段的同位素负漂。
图3 PETM触发期火山活动、碳排放和温度记录（Kender et al., 2021）
Armstrong McKay and Lenton(2018)曾对早新生代海洋碳氧同位素进行系统的集成分析，发现随着晚古新世长期持续的缓慢增温，碳循环系统“韧性”逐渐减弱，也就是碳循环系统不稳定性增加，对外在扰动的敏感性增强，容易突破系统的临界点(tipping point)。PETM时期温度集成数据表明，碳同位素负漂发生之前，全球存在一个持续的增温过程(Frieling et al., 2019)。基于前人的这些研究成果，Kender教授团队结合最新的Hg含量数据，提出北大西洋火山岩省的剧烈活动，向大气中注入大量CO2，通过温室驱动导致全球范围的持续升温，使得碳循环系统不稳定性增加，最终突破系统临界点，诱发巨量还原性碳库(天然气水合物、冻土)分解释放，导致快速增温，开启轻碳分解释放-增温的正反馈过程。
这一认识具有重要的现实意义。当前人类活动正以燃烧化石燃料等方式向大气中注入大量的CO2，其排放过程与PETM时期碳排放非常相似，但排放速率比PETM时期碳排放速率高一个数量级。由于人类排放导致温室气体浓度的快速增加，全球气候系统通过辐射强迫将具有远快于PETM时期的增温潜力，很可能诱发海底天然气水合物等还原碳库的大量分解，形成正反馈，加剧全球变暖。
主要参考文献
Armstrong McKay D I, Lenton T M. Reduced carbon cycle resilience across the Palaeocene–Eocene Thermal Maximum[J]. Climate of the Past, 2018, 14(10): 1515-1527.
Frieling J, Peterse F, Lunt D J, et al. Widespread warming before and elevated barium burial during the Paleocene‐Eocene Thermal Maximum: Evidence for methane hydrate release?[J]. Paleoceanography and Paleoclimatology, 2019, 34(4): 546-566.
Kender S, Bogus K, Pedersen G K, et al. Paleocene/Eocene carbon feedbacks triggered by volcanic activity[J]. Nature Communications, 2021, 12: 5186.（原文链接）
McInerney F A, Wing S L. The Paleocene-Eocene Thermal Maximum: A perturbation of carbon cycle, climate, and biosphere with implications for the future[J]. Annual Review of Earth and Planetary Sciences, 2011, 39: 489-516.
（撰稿：陈祚伶/新生代室）
