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《Science》氧同位素揭示数十亿年海洋、温度与碳循环动态重构
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《科学》杂志于2024年2月8日发表了题为《氧同位素集合揭示地球的海水、温度和碳循环历史》的研究文章，作者Terry Isson与Sofia Rauzi通过一项开创性的氧同位素集成分析，为我们揭示了数十亿年来地球表面海洋水体组成、地表温度变化以及碳循环历程的重要细节。
他们利用了一种创新的方法——氧同位素集合方法，该方法整合了包括页岩、铁氧化物、碳酸盐、硅质矿物和磷灰石等多种地质记录中的氧同位素数据。他们成功重建了自太古宙以来长达数十亿年的海洋δ¹⁸O值、温度及海陆粘土丰度的历史演变。研究发现，地球在古元古代时期的气候呈现出温和状态，不同于之前认为的早期高温环境，这表明地球的气候系统具有强大的缓冲能力。通过对沉积物中的氧同位素记录进行深入分析，研究人员揭示出海水δ¹⁸O值在过去十亿年间显著上升约7‰，并且从元古宙至早古生代，海水温度经历了由温和到最高点（约为26-46℃）再到整体变冷的过程。此外，该研究表明，古生代和新生代期间发生了两次明显的降温事件，并且这些气候变化与海洋自生黏土矿物含量的变化密切相关。尤其是在元古宙时期，海洋自生黏土（如绿泥石等）的生成过程即反风化作用对维持地球气候稳定起到了关键作用，这个过程中消耗了海水中的硅和碱性物质，释放了封存的CO₂，从而影响了海水pH值和大气CO₂浓度。同时，随着古生代陆地植物繁盛导致陆源黏土增加，以及海洋硅质生物如海绵和放射虫的兴起，海洋自生黏土的比例逐渐下降。这一趋势在新生代进一步加剧，由于硅藻的大规模繁殖消耗了大量的溶解硅，使得海洋自生黏土产出比例降低的同时，也减少了反风化过程中对大气中二氧化碳的消耗，从而间接导致了显生宙时期海水氧同位素值的升高。总之，这项研究借助氧同位素集合技术，不仅重构了地球深时气候历史，而且揭示了不同地质时期生物活动、地壳过程以及地球碳循环之间的紧密联系。其研究成果对于深化我们对地球长期适宜生命存在的条件及其演化机制的理解至关重要，也为未来预测气候变化提供了重要的地质学参照。
目前，该论文已迅速引起了全球科研界的广泛关注，下载量在短短不到2个月内已达到3,264次，足见其在地球科学领域内的重大影响力。（完）
附图：
研究人员通过多种矿物氧同位素配对重建了地球历史上的海水氧同位素组成和温度变化。A部分展示了铁氧化物分别与磷酸盐、硅酸盐以及碳酸盐的氧同位素对比分析结果，利用这些矿物对温度的不同敏感性来推算出过去的海洋温度。B部分集中体现了基于铁氧化物与其他三种矿物氧同位素差值所得到的海水氧同位素演化曲线和温度趋势，揭示了不同时期地表环境的冷暖变迁。C部分则呈现了海洋和陆地来源黏土矿物以及页岩样本中的氧同位素值，通过比较不同来源的黏土矿物，探究地质时期的沉积环境、气候条件及其相互作用。D部分显示了海洋自生黏土（例如由海水中元素通过化学反应生成）在总黏土矿物中占比（fmac）随时间的变化情况，这一比例反映了地质时期内地球表面风化过程、海洋生态系统演变及全球碳循环的重要信息。E部分展示了模拟计算得出的元古宙至始新世期间大气CO2浓度、海水pH值以及反风化速率的变化，并以直方图形式总结了不同模拟场景下这些参数变化频率的分布情况，从而提供了有关地球早期气候变化及碳循环动态的重要线索。
附文章信息：
更多信息请阅读原文：Isson, T. (2024). Oxygen isotope ensemble reveals Earth’s seawater, temperature, and carbon cycle history. Science, 383(6683), 666-670. DOI: 10.1126/science.adg1366
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