大火成岩省是什麼省

大火成岩省是

什

麼

省

一說起“✘✘省”，我們第一反應是：行政區劃單位。在中國，“省”是地方最大的一級行政區域，直屬中央，目前全國共設有34個省級行政區。

找遍中國行政區劃圖，卻沒發現有叫“大火成岩”的省，難道是國外的某省？歷經三天三夜，翻看世界各國行政區劃圖還是沒找到。直到後來看見一張地質圖（如下圖），才看到上面標了大火成岩省（Large Igneous Provinces，簡稱LIP），原來大火成岩省是指特定的地質區域，那麼什麼是大火成岩省呢？

什麼是大火成岩省？

1992年，地球科學家Coffin和Eldholm首次使用大火成岩省這一術語來描述在極短的地質時間間隔內（幾百萬年甚至更短）發生的面積超過10萬平方公里的鎂鐵質火成岩噴發或侵入，不包括海底擴張產生的基性玄武岩海床以及其他正常的板塊構造形成的火成岩區域。

後來，大火成岩省的定義經歷了不斷的擴充套件和完善，大火成岩省不僅僅是指鐵鎂質火成岩的大規模堆積，而是包括了所有型別的火成岩，有學者提出將大火成岩省分類為大型火山省（LVP）和大型深成岩省（LPP），甚至包括由正常板塊構造過程產生的火成岩（尚不被廣泛接受）。

現在，大火成岩省是指連續的、體積龐大的火成岩（包括鐵鎂質和長英質火成岩）所構成的岩漿建造，包括大陸溢流玄武岩、火山被動陸緣、大洋高原、海嶺、海山群和洋盆溢流玄武岩，大火成岩省的分佈面積往往大於0。1×106 km

2

，岩漿體積大於0。1×106 km

3

，短時間噴發（約1～5百萬年）的岩漿體積佔整個火山活動岩漿體積的比例超過75％。

目前，地質研究確定的一些大火成岩省分佈如圖1所示，有些大火成岩省現在還是完整的，如印度的德干暗色巖（Deccan Traps），而有些大火成岩省被板塊構造運動所肢解，如中大西洋火成岩區域（CAMP）分佈在巴西、北美東部、非洲西北部。我國幅員雖廣，但長期以來國際學術界認為中國只有峨眉山大火成岩省（Emeishan traps），透過近年來對塔里木盆地火山岩的多方面研究，塔里木大火成岩省已開始被學術界認可。

圖1：世界大火成岩省分佈圖

由西伯利亞大火成岩省構成的Putorana高原

大火成岩省和地幔柱

大火成岩省是地球上最大的火山作用，記錄了在某些特定地質時期巨量物質和能量由地球內部向外遷移，對大火成岩省的認識迫使地球物理學家重新思考他們對地球內部結構的看法，板塊構造理論很好地解釋了發生在大洋中脊（新的洋殼產生處）和俯衝帶附近（老而且密度大的大洋俯衝進入地球內部）緩慢而穩定的火山活動，但它不能解釋突然大規模爆發的大火成岩省。

對於大火成岩省的成因，主要有地幔柱、邊緣對流、大規模岩石圈拆沉、裂谷減壓熔融、隕石撞擊等假說，其中最廣為接受的是地幔柱成因的假說。地幔柱假說最早是在1963年由加拿大地球物理學家和地質學家J。 Tuzo Wilson（沒錯，“威爾遜旋迴”就是以他的名字命名）提出，他認為夏威夷群島是一個構造板塊在一個固定的熱點上向西北移動，產生了一系列火山。後來在1971年，美國地球物理學家W。 Jason Morgan進一步完善了地幔柱假說，他認為地球內部存在起源於核幔邊界緩慢上升的細長柱狀熱物質流（即地幔柱），它相對靜止，在地表表現為熱點。根據實驗結果和數值模擬結果，地幔柱由兩部分組成：尾部呈長細柱狀，底端連至地幔底部；頂端則膨大成球狀並隨著上升而膨脹，整體就像有著細長柄的蘑菇。

地幔柱頂端抵達岩石圈底部時，會開始攤平並因減壓而大規模熔融形成玄武岩岩漿，這些岩漿可能會在短時間內大量噴發至地表，在大陸地殼形成大陸溢流玄武岩，如印度的德干大火成岩省（Deccan Traps）、亞洲的西伯利亞大火成岩省（Siberian Traps）和峨眉山大火成岩省（Emeishan Traps），在海洋地殼則形成海底高原，例如：西南太平洋的Ontong Java高原，印度洋的Kerguelen高原。

圖2：地幔柱與大火成岩省成因示意圖

目前，主要有兩種與大火成岩省形成相關的地幔柱模型：熱柱頭模型和擴張模型。前者認為熱柱起源於核幔邊界（圖2 地幔柱A），而後者假定地幔柱起源於上、下地幔邊界（圖2 地幔柱B）。擴張模型未考慮在上升過程中地幔柱捕獲地幔物質的可能性，但強調岩石圈的擴張是火山作用的前提。最近又有研究者提出了兼顧上述模型的第三種模型，認為起源於核幔邊界的地幔柱上升並滯留在上、下地幔邊界，然後形成多個次級熱柱上升至岩石圈底部（圖2 地幔柱C），導致大火成岩省的形成。

此外，地幔柱在不同大火成岩省的形成過程中擔當著截然不同的角色。有研究者將大火成岩省的成因總結為德干型和巴哈納型兩種模式，在前者情況下，岩石圈減薄程度大，岩漿噴發速率高，大部分岩漿來自於地幔柱的減壓絕熱熔融；在後者情況下，岩石圈相對較厚，地幔柱就潛伏在岩石圈之下，以機械和熱侵蝕的方式影響上覆岩石圈，長期的潛伏可導致岩石圈地幔和地殼的區域性熔融，從而混染地幔柱來源的岩漿，岩石圈因侵蝕而逐漸變薄，使得岩漿噴出地表。

圖3：地幔柱可能的分佈位置（Foulger，2010）

大火成岩省和生物大滅絕

地球上發生過多次生物滅絕事件，儘管生物滅絕的原因尚不完全清楚，但是地質歷史上多次生物大滅絕的時間與大火成岩省火山活動有著精確的對應關係（圖4），這不由得引發了人類無盡的遐想，科學家認為大火成岩省事件是導致生物大滅絕的主要誘因之一。

圖4：顯生宙海洋物種滅絕與大火成岩省噴發對應關係圖（Bond，2010）

那麼，大火成岩省具體是透過何種方式毀滅生物圈呢？其實，岩漿的機械毀壞並不是主要原因，大火成岩省的噴發規模確實很大，但波及面積只是在某些區域尚不能覆蓋全球，因此岩漿直接的作用範圍是極為有限的，其本身不可能造成全球的生物滅絕，但是岩漿噴發過程中釋放的大量揮發性氣體和火山灰可以引發全球性環境氣候急劇惡化，從而導致大量生物滅絕。

火山噴發釋放的二氧化碳能反射地表輻射的熱量並使之聚集，導致全球氣溫升高，伴隨火山噴發釋放的硫化物和火山灰與空氣中的水蒸氣結合產生硫酸氣溶膠，不僅僅引發酸雨，而且顯著地折射和散射外部太陽的熱量，導致全球接受太陽能不足而使氣溫整體下降，產生典型的冷室效應，當巨量岩漿噴發時，大量二氧化碳和硫化物進入大氣圈必然導致氣候冷熱異常。除此之外，火山爆發時釋放的重金屬和其他化學物質會改變陸地、海洋、空氣的化學組成，這些因素將綜合導致生物圈紊亂。

圖5：大火成岩省噴發伴隨的物理和化學效應

二疊紀出現的兩次生物滅絕事件一直是地質學家所關注和研究的熱點問題。一次是地質歷史上規模最大的晚二疊世樂平期末生物滅絕事件（約252百萬年前），海洋和陸地物種損失分別超過90％和70％，生物滅絕後經歷了大約5百萬年才艱難地出現生物復甦，這同時為恐龍的出現創造了條件。這次生物滅絕時間上與西伯利亞大火成岩省火山活動存在耦合關係，目前認為西伯利亞大火成岩省的噴發是最可能造成這次生物滅絕的原因。

另一次是規模相對較小的中二疊世瓜德魯普期末（約260百萬年前）生物滅絕事件，這最早被證實是基於中國華南大面積底棲有孔蟲化石記錄研究，地質剖面上的碳同位素研究結果也支援在瓜德魯普期末發生了生物滅絕事件，這次生物滅絕時間上對應著我國峨眉山大火成岩省的活動時期。導致這次生物滅絕的主要原因存在多個不同觀點：大面積海退和淺海棲息地喪失、峨眉山火山噴發、甲烷迸發、海洋溫度下降。雖然不能確定峨眉山大火成岩省的噴發是否是導致該次生物滅絕的主要因素，但是峨眉山大火成岩省的噴發必然會導致環境惡化，加大對生物滅絕的影響。

主要參考資料：

1。Coffin M F， Eldholm O。 Large igneous provinces。 Scientific American， 1993， 269（4）： 42-49。

2。Jones M T， Jerram D A， Svensen H H， et al。 The effects of large igneous provinces on the global carbon and sulphur cycles［J］。 Palaeogeography， Palaeoclimatology， Palaeoecology， 2016， 441： 4-21。

3。 徐義剛， 何斌， 羅震宇， 等。 我國大火成岩省和地幔柱研究進展與展望。 礦物岩石地球化學通報， 2013 （1）： 25-39。

4。朱江， 張招崇。 大火成岩省與二疊紀兩次生物滅絕關係研究進展。 地質論評， 2013， 59（1）： 137-148。

5。 Wikipedia

美術編輯：趙亞楠

校 對：陶 琴