火山活动是地质历史时期许多重大地质事件的重要影响因素。例如，显生宙的几次生物大灭绝事件被认为与火山活动密切相关。火山灰层（斑脱岩）是火山活动最直接的证据。然而，大部分的火山喷发物质都分散在沉积物中，形成非肉眼可见的“隐性火山灰”。仅依靠火山灰层，容易低估地质历史时期火山活动的持续时间、喷发强度与影响范围。因此，识别沉积物中的隐性火山灰，还原火山活动演化过程，对揭示火山活动的环境与生物效应具有重要意义。
目前，火山活动的识别方法可以归纳为以下三类。第一，依靠火山灰层。这种方法可用来识别野外剖面或者钻井岩心中肉眼可见的火山灰层，但无法判别薄层的火山灰层与肉眼不可见的隐性火山灰。第二，依靠矿物组合与形貌特征。这种方法主要用于区分冰心中的火山碎屑与风成沙，但沉积物的成分复杂，经受成岩改造，故而难以运用到沉积物中。第三，特殊元素与对应的同位素指标。例如，Hg、187Os/188Os、Δ199Hg与Δ33S等。然而，火山作用并非Hg异常的唯一原因，Δ33S指标与火山灰层之间的不匹配，表明这些方法需要进一步评估。
有没有一种可广泛对比的指标，用来识别火山物质的输入，进而指示火山作用？不活动微量元素可以记录火山物质信息（Zr与Hf），并且不易受沉积与成岩作用的影响，而成岩改造中脱玻化与伊利石化会显著改变火山物质的主量元素组分特征（丢失Si、富集K），这些元素地球化学特征为沉积岩中火山物质的判识提供了一种新思路。为此，南京大学杨生超博士、胡文瑄教授、樊隽轩教授与南京地质古生物研究所邓怡颖博士合作开展研究，收集整理已发表的奥陶—志留之交火山灰全岩地球化学数据，通过分析火山物质与页岩在物质组成、成岩改造与元素地球化学特征方面的差异，建立了一套基于全岩元素地球化学特征的火山物质输入判别标准。研究发现Zr、Hf、Zr/Cr、Zr/Al2O3、Cr/Al2O3、V/Al2O3、Ni/Al2O3、SiO2/Al2O3与K2O/Rb等指标及其组合，可以有效从泥页岩中识别火山物质。虽然其他沉积因素（岩性、沉积速率、粒度等）可能会对这些指标造成影响，但多个指标的共同约束，可以有效恢复火山活动特征。地球化学指标与火山灰产状共同指示了奥陶—志留之交下扬子地区的火山活动具有两阶段特征。其中，凯迪阶中晚期持续的火山活动（第一阶段）与华南以及全球的生物多样性逐步降低吻合较好，赫南特阶末期的火山活动（第二阶段）与奥陶纪生物大灭绝的第二幕匹配较好，进一步证实火山作用在奥陶纪生物大灭绝中发挥了重要作用。此外，奥陶—志留之交华南地区持久的火山活动可能是优质烃源岩形成的重要因素。
奥陶—志留纪之交火山活动与重大事件综合柱状图
该成果发表在国际地学顶级期刊Earth-Science Reviews（影响因子12.413）。南京大学地球科学与工程学院杨生超博士为论文第一作者，胡文瑄教授为论文通讯作者。该研究得到国家自然科学基金委（42102147, 41830425, 41725007）、南京大学优秀博士研究生创新能力提升计划A类项目（201901A008）、中央高校基本科研业务费专项资金（0206-14380121）与前沿科学中心关键地球物质循环基金（JBGS2101）的联合资助。
论文信息：Yang, S.C., Hu, W.X.*, Fan, J.X., Deng, Y.Y., 2022. New geochemical identification fingerprints of volcanism during the Ordovician-Silurian transition and its implications for biological and environmental evolution. Earth-Science Reviews, 228, 104016.https://doi.org/10.1016/j.earscirev.2022.104016