古新世-始新世極熱事件(PETM;～56 Ma)發生在早新生代長期增溫背景下，為一歷時極端短暫的快速增溫和大規模海洋底棲生物滅絕事件。在地質記錄上，該事件主要表現為大幅度的碳同位素負漂和顯著的碳酸鹽補償深度(CCD)變淺。這些觀測事實說明該事件是由巨量輕碳快速注入到海-氣系統而引起。然而，關於巨量輕碳的來源及釋放機制，目前學術界存在很大爭議。潛在的碳源包括海底天然氣水合物、泥炭燃燒、凍土分解、熱變質成因甲烷和地幔去氣(McInerney and Wing, 2011)。一個核心問題是什麼原因誘發了巨量輕碳的釋放？部分學者提出晚古新世北大西洋火山岩省的劇烈活動是巨量輕碳釋放的“觸發器”(trigger)，但由於年代資料的稀少，且精度較低，火山活動與輕碳釋放的關係並不明確。
大規模的火山活動會釋放大量的Hg，這些火山來源的Hg在年際尺度以有機物吸附的方式被儲存在沉積物中。因此，透過測定沉積物中Hg的含量，可以揭示地質歷史時期的火山活動強度。近期，英國埃克塞特大學Kender教授及合作者對北海(North Sea)盆地(圖1)兩個鑽孔岩心(22/10a-4和E-8X)進行高解析度的碳同位素組成和Hg含量分析，詳細梳理了PETM時期火山活動同碳釋放之間的耦合關係，相關成果發表於Nature Communication。Kender等人發現，經有機碳(TOC)標準化後的Hg含量(Hg/TOC)呈現出兩個顯著特徵(圖2)：(1)碳同位素負漂開始階段，Hg/TOC值劇烈波動，整體上顯著高於事件發生前的背景值；(2)距離北大西洋火成岩省越遠，沉積物中Hg/TOC值波動幅度和頻率逐漸遞減。這些觀測事實證明沉積物中Hg的異常富集主要來源於北大西洋火山岩省的劇烈活動，且火山噴發發生在海底。
圖1 北大西洋火山岩省和鑽孔位置圖（Kender et al., 2021）
圖2 PETM負漂期不同研究點Hg和Hg/TOC資料（Kender et al., 2021）
為了進一步釐清火山活動和碳排放之間的關係，Kender教授團隊對E-8X鑽孔進行了高解析度碳同位素分析，結果顯示碳同位素負漂分兩步實現，每一步負漂的幅度接近2‰(圖3)。對比Hg資料，碳同位素負漂第一階段(圖3,CIE step 1)與大幅度的Hg/TOC異常富集同步，說明這一階段北大西洋火山岩省活動劇烈，火山去氣或岩漿侵入到富含有機質的沉積物中導致熱變質成因甲烷的釋放，是該階段輕碳的主要來源；碳同位素負漂第二階段(圖3,CIE step 2)，Hg/TOC相對背景值並未發生明顯的變化，說明該階段火山活動相對較弱，氣候系統內在的反饋過程可能誘發了天然氣水合物和凍土有機碳的熱分解，導致這一階段的同位素負漂。
圖3 PETM觸發期火山活動、碳排放和溫度記錄（Kender et al., 2021）
Armstrong McKay and Lenton(2018)曾對早新生代海洋碳氧同位素進行系統的整合分析，發現隨著晚古新世長期持續的緩慢增溫，碳迴圈系統“韌性”逐漸減弱，也就是碳迴圈系統不穩定性增加，對外在擾動的敏感性增強，容易突破系統的臨界點(tipping point)。PETM時期溫度整合資料表明，碳同位素負漂發生之前，全球存在一個持續的增溫過程(Frieling et al., 2019)。基於前人的這些研究成果，Kender教授團隊結合最新的Hg含量資料，提出北大西洋火山岩省的劇烈活動，向大氣中注入大量CO2，透過溫室驅動導致全球範圍的持續升溫，使得碳迴圈系統不穩定性增加，最終突破系統臨界點，誘發巨量還原性碳庫(天然氣水合物、凍土)分解釋放，導致快速增溫，開啟輕碳分解釋放-增溫的正反饋過程。
這一認識具有重要的現實意義。當前人類活動正以燃燒化石燃料等方式向大氣中注入大量的CO2，其排放過程與PETM時期碳排放非常相似，但排放速率比PETM時期碳排放速率高一個數量級。由於人類排放導致溫室氣體濃度的快速增加，全球氣候系統透過輻射強迫將具有遠快於PETM時期的增溫潛力，很可能誘發海底天然氣水合物等還原碳庫的大量分解，形成正反饋，加劇全球變暖。
主要參考文獻
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.（原文連結）
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.
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美編：陳菲菲
校對：劉淇郡
