地球气候与生物圈在显生宙时期持续受到强烈火山活动和构造事件的重塑。自早白垩世（约143 Ma）以来，地幔柱岩浆活动形成了众多大型火成岩省（如巴拉那-埃滕德卡、翁通爪哇海台、加勒比高原等），同时发生了冈瓦纳古陆解体、喜马拉雅山脉隆升等重大板块构造事件。这些过程被认为引发了全球性环境扰动，包括海洋缺氧事件、生物灭绝以及中白垩世超级温室效应和新近纪降温等长期气候变迁 (Raymo and Ruddiman, 1992; Leckie et al., 2002; Huber et al., 2018) 。锇 (Os) 和锶（Sr）同位素比值是追溯古代大陆风化作用和大型火成岩省喷发的关键示踪剂。大陆物质输入的放射性Os同位素比值（¹⁸⁷Os/¹⁸⁸Os≈1.5）与地幔及地外物质输入的非放射性锇同位素比值（¹⁸⁷Os/¹⁸⁸Os≈0.12）存在显著差异，其平衡状态直接反映了地球表面与深部过程的相互作用 (Levasseur et al., 1999) 。然而，此前白垩纪海水Os同位素数据以及古河流Os-Sr同位素组成的匮乏，严重限制了对长期大型火成岩省活动和古地理演化趋势的定量重建。
为填补这一研究空白，近日，来自日本筑波大学生命与环境科学研究所、日本国立环境研究所、意大利乌尔比诺大学等研究团队合作在 Science发表了一项具有里程碑意义的研究成果 (Matsumoto et al., 2026) 。科研团队采集了来自三大关键区域的沉积岩样本：DSDP 463、ODP 762C、ODP 763B，以及意大利中部的翁布里亚-马尔凯盆地（图1）。通过采用反王水消解方法，研究人员成功重建了晚侏罗世提通期至早白垩世巴列姆期，以及晚白垩世康尼亚克期至马斯特里赫特期的海水 ¹⁸⁷Os/¹⁸⁸Os 比值，构建了自白垩纪初期至今的长期Os同位素时间序列。同时，通过与Sr同位素数据的交叉对比，并借助小波分析等技术手段，系统解析了同位素变化的周期性特征及其地球动力学驱动机制。
图1 晚白垩世（94 Ma）古地理重建图。该图基于 GPlates 软件绘制，清晰展示了研究采样位点（深海钻探计划 463 号站位、大洋钻探计划 762/763 号站位、翁布里亚-马尔凯盆地）、主要大型火成岩省以及大型低剪切波速省（LLSVPs）的地理分布。图中突出显示了所有与周期性Os同位素变化相关的白垩纪大型火成岩省均位于大型低剪切波速省边缘或附近，为地幔柱起源的理论提供了直观的空间证据
研究发现，白垩纪海水 ¹⁸⁷Os/¹⁸⁸Os 比值在 0.4-0.8 之间呈现显著的周期性波动，周期约为 1000-2000万年。小波分析进一步证实了这一周期性特征，且识别出五次持续时间超过100 万年、振幅大于 0.1 的显著非放射性偏移事件（Cre-Os1 至 Cre-Os5），分别发生在凡兰吟阶（约133 Ma）、阿普第阶（120-113 Ma）、晚阿尔布阶（103-108 Ma）、土仑期-桑托阶（94-85 Ma）以及马斯特里赫特期-达宁阶（72-56 Ma），这些同位素偏移事件与已知大型火成岩省玄武岩的放射性定年数据高度吻合（图2）。
图2 过去 1.43 亿年海水Os-Sr同位素比值综合图。该图整合了海水 ¹⁸⁷Os/¹⁸⁸Os 和⁸⁷Sr/⁸⁸Sr 比值、大型火成岩省喷发时代与面积、碳-硫同位素数据、海水 Mg/Ca 比值、地磁极性以及全球气候事件等多维度信息
研究提出，大型火成岩省喷发通过两种途径向海洋释放地幔来源的锇：一是长期的热液活动和玄武岩风化过程，这一过程通常伴随海水⁸⁷Sr/⁸⁸Sr 比值的下降；二是氧化地幔柱的增强上涌导致Os氧化为挥发性形式的短期脉冲释放，这种机制能够解释那些未伴随锶同位素显著变化的急剧Os同位素偏移事件。地质动力学模型表明，所有与周期性Os同位素变化相关的白垩纪大型火成岩省均位于非洲和南太平洋下方大型低剪切波速省（LLSVPs）的边缘或正上方（图1）。这些区域富含富 Fe³⁺的布里奇曼石，氧化程度高于周围地幔。泛大洋超大陆下俯冲的大洋板块推动热边界层沿大型低剪切波速省边缘上升，触发地幔柱周期性上涌，导致Os的氧化挥发和火山脱气，进而引发海水Os同位素的急剧下降。
研究识别出地球历史上两次显著的海水Os-Sr同位素趋势转折事件（图2，图3）：晚白垩世（约90 Ma），海水 ¹⁸⁷Os/¹⁸⁸Os 比值开始向非放射性方向偏移，而⁸⁷Sr/⁸⁸Sr 比值则持续上升，这一转变与大西洋赤道段和南大西洋的扩张密切相关—大西洋的加宽增强了冈瓦纳古陆内部的降水和化学风化作用，同时安第斯山脉和南美东北部的造山运动提供了新鲜硅酸盐矿物，显著改变了河流输入的Os - Sr同位素组成（图3，图4）；晚始新世（约35 Ma），海水 ¹⁸⁷Os/¹⁸⁸Os 和⁸⁷Sr/⁸⁸Sr 比值同步向放射性方向偏移，这一事件对应于喜马拉雅山脉的隆升和全球冰川作用的启动，暴露了富含放射性同位素的古老大陆地壳、碳酸盐岩和富有机质沉积物，增强了河流的Os - Sr输入通量（图3，图4）。
图3 海水Os-Sr同位素比值交叉对比图。该图包含两个子图：（A）白垩纪 - 新生代海水 ¹⁸⁷Os/¹⁸⁸Os 和⁸⁷Sr/⁸⁸Sr 比值时间序列，（B）两者的交叉散点图及混合线模拟结果
图4 过去 1.4 亿年Os-Sr通量演化模型图
该研究构建的1.43亿年海水Os同位素记录，为定量约束地质历史时期大型火成岩省的活动周期提供了关键数据支撑，揭示了地幔柱活动与大型低剪切波速省演化的内在联系。同时，通过将同位素变化与板块构造事件相结合，明确了冈瓦纳古陆解体和喜马拉雅山脉隆升对全球风化循环和海洋地球化学平衡的深远影响。研究成果不仅深化了对地球深部动力学过程与表层环境系统耦合机制的理解，还为预测未来地球环境变化提供了重要的地质类比模型。此外，该研究提出的锇挥发释放机制，为解释大型火成岩省喷发与全球气候、生物演化事件的关联提供了新的思路。
主要参考文献
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Matsumoto H, Ishikawa A, Coccioni R, et al. Fine-grained interplanetary dust input during the Turonian (Late Cretaceous): evidence from osmium isotope and platinum group elements[J]. Scientific Reports, 2023, 13(1): 22051.
Matsumoto H, Watanabe Y, Coccioni R, et al. 143–million-year seawater osmium isotopic record: Trends, rhythms, and dynamics of volcanism and tectonics[J]. Science, 2026, 391(6783): 389-393.（原文链接）
Percival L M E, Ownsworth E, Robinson S A, et al. Valanginian climate cooling and environmental change driven by Paraná-Etendeka basalt erosion[J]. Geology, 2023, 51(8): 753-757.
Turgeon S C, Creaser R A. Cretaceous oceanic anoxic event 2 triggered by a massive magmatic episode[J]. Nature, 2008, 454(7202): 323-326.
（撰稿：谢袁杨辉，赵明宇/环境演变与碳循环学科中心）
