碳作为地球上储量最丰富的元素之一广泛分布于大气、海洋、生物体和地壳中。地质历史时期海水的碳同位素组成受控于有机碳库与无机碳库的平衡,并可以被沉积的碳酸盐岩所记录。因此,海相碳酸盐岩的碳同位素被广泛应用于地球环境与生物演化研究,特别是重大地质转折期的环境变化等。
地球历史上最大规模的碳同位素漂移事件(CIEs: carbon isotope excursions,图1)发生在新元古代(~870-550 Ma),碳酸盐岩地层记录了这些事件,其碳同位素组成介于-12‰和+9‰之间,远离现代海水无机碳库(δ13C=0.8±1.7‰)及新生代底栖有孔虫碳同位素值(δ13C=0.9±1.7‰)。由于该时期的CIEs不仅在全球范围内可大规模重现,并且一些地区从浅海陆棚到深水盆地都可作远距离对比,前人通常认为这代表当时海水溶解无机碳库(DIC)的剧烈波动。然而,亦有一些****认为这很可能是成岩作用的产物,自生碳酸盐岩假说是其中的代表(Schrag et al., 2013)。探究CIEs的成因解释对新元古时期大气和海洋环境、氧化还原状态及生物演化具有重要意义。
图1 900-485 Ma期间海相碳酸盐岩δ13C变化图。灰色方框分别代表现代海水DIC (1)和新生代底栖有孔虫CaCO3 (2)的δ13Ccarb值。垂向蓝色方框代表冰期。有机碳埋藏通量(forg)假定碳的输入C(i) = -6‰ (VPDB)且Δδ = δ13Ccarb – δ13Corg = 27‰(Hoffman and Lamothe, 2019)
在碳酸盐岩台地的前缘斜坡带由于受热对流的驱使,海水持续地流过松散的沉积物然后返回到广海(图2B、图2C),即所谓的海水主控的成岩作用;而没有循环海水作用的区域成岩作用受控于沉积物,即所谓的沉积物主控的成岩作用。上述成岩作用分类近期由普林斯顿大学的****提出并通过钙镁同位素研究得到很好的印证(Higgins et al., 2018)。受此启发,来自加拿大维多利亚大学和哈佛大学的前寒武地质学家Paul F. Hoffman教授以及麦吉尔大学的Kelsey G. Lamothe博士以纳米比亚北部的新元古代成冰纪间冰期(659-649 Ma)和埃迪卡拉纪早期(635-590 Ma)的Otavi/Swakop碳酸盐岩台地为对象,通过对比不同沉积环境的碳同位素(δ13C)(图2A),发现台地前缘斜坡带受海水热对流影响的区域未记录任何CIE,其碳同位素值与现代海水值接近。因此,这些受海水主控的成岩作用影响的碳酸盐岩很可能记录了当时广海的DIC信息,相关成果发表于PNAS。
图2 (A) 0.59-0.77 Ga期间,纳米比亚Kunene地区Otavi/Swakop群碳酸盐岩台地构造沉积图(垂向放大200倍)。(B) 海平面高位期(例如全新世)理想的孔隙水对流模式图。流体主要受台地内部海水与孔隙水的温度(密度)梯度驱动。海水主控成岩作用主要发生在斜坡地区,而沉积物主控成岩作用主要发生在台地内部。(C) 海平面低位时期(例如末次冰期鼎盛期)成岩作用模式图。上斜坡受海水与大气淡水的协同影响(Hoffman and Lamothe, 2019)
研究者选取了碳酸盐岩台地不同位置剖面:台地内部相带,台地的前缘斜坡相带,及下斜坡-盆地相带,进行了详细碳同位素对比研究。结果显示,成冰纪的台内相白云岩碳同位素剖面出现三次δ13Ccarb负漂移(Cn1, Cn3, Cn5)和两次δ13Ccarb正漂移(Cn2, Cn4);埃迪卡拉纪早期台内相剖面有四次δ13Ccarb波动(En1到En4)(图3)。有意思的是碳酸盐岩δ13Ccarb总体表现为台地内部相与台地的前缘斜坡相解耦,与盆地相剖面有较好的耦合;台地的前缘斜坡相δ13Ccarb值大体与现代海水DIC一致,而台内相与盆地相剖面δ13Ccarb值相对亏损且变化较大。
研究认为下斜坡-盆地相碳同位素剖面能够较好地追踪台内相剖面碳同位素(δ13Ccarb)记录是因为盆地浊积扇的物源主要来自碳酸盐岩台地垮塌。Cn1, Cn2阶段,上斜坡与台地内部碳酸盐岩剖面能较好地吻合是因为早期裂谷到陆棚的过渡还未完成,斜坡相与台地相还未区分;Cn3, Cn4阶段,由于碳酸盐岩斜坡逐渐形成,处于浅埋藏的上斜坡沉积物受海水热对流的影响(图2B),δ13Ccarb值趋于稳定。Cn5后期开始进入马林诺冰期,海平面下降,在不同地方发生差异性冰蚀作用,部分地区没有沉积记录,且上斜坡和台地外部受海水主控的成岩作用和大气淡水成岩作用双重影响(图2C)。En1阶段,马林诺冰期之后,海水温度升高,沉积和成岩速率迅速增加,各剖面间碳同位素差异不大。而后En2, En3阶段,上斜坡又恢复海水主控成岩作用影响,逐渐稳定,且呈现和现代海水DIC库相似的δ13Ccarb组成。因此,本文提出上斜坡碳酸盐岩受广海海水热对流的影响改变了其原有的CIE信号,并记录了与现代海水碳同位素值(δ13Ccarb)相似的广海的DIC信息。如果情况属实,那么如何解释全球多个碳酸盐岩台地同时发生与广海DIC解耦的CIE呢?
图3 新元古代成冰纪间冰期(Nonglacial Cryogenian,659 to 649 Ma)和埃迪卡拉纪早期(early Ediacaran, 635 to 590Ma)纳米比亚Otavi/Swakop群不同沉积环境的碳同位素剖面对比图。Cn1-Cn5;En1-En4代表δ13Ccarb漂移(Hoffman and Lamothe, 2019)
作者推测当时全球范围内普遍发育的CIE受控于浅海强烈的光合作用或蒸发作用造成的成核作用影响所导致同位素效应,而非混合海洋中的碳库发生了改变。最后,作者提出对全球其它地区发育并保存完好的新元古—寒武系碳酸盐岩台地相与边缘相地层,如澳大利亚南方的Cryogenian Balcanoon组和中国南方埃迪卡拉纪早期的陡山沱组和蓝田组进一步研究(如:碳、镁、钙同位素),或将有效验证本文的核心观点。假设本文的观点正确,那么新元古代碳酸盐岩台地广泛发育CIE的同时,其广海的DIC碳同位素组成与现代海洋相似。
最近,Jiang et al.(2019)在四川盆地三叠系局限蒸发泻湖相地层发现了类似新元古时期的CIE,并提出其可能是当时特殊沉积环境(水体缺氧,生物扰动作用弱,碳酸盐饱和度高)中的厌氧孔隙水主导、微生物硫酸盐还原促使、自生碳酸盐矿物沉淀的产物。众所周知,新元古时期海水氧含量较低且缺乏宏体生物,因此浅海海底很可能长期“缺氧”甚至“厌氧”,适合微生物硫酸盐还原反应及自生碳酸盐岩作用发生,从而产生大量的CIEs。而碳酸盐岩台地边缘由于存在海水的热对流作用,使得孔隙水与广海海水交换频繁而相对“富氧”,破坏了CIE的成岩条件。
主要参考文献
Hoffman P F, Lamothe K G. Seawater-buffered diagenesis, destruction of carbon isotope excursions, and the composition of DIC in Neoproterozoic oceans[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2019, 116(38): 18874-18879.(链接)
Higgins J A, Bl?ttler C L, Lundstrom E A, et al. Mineralogy, early marine diagenesis, and the chemistry of shallow-water carbonate sediments[J]. Geochimica et Cosmochimica Acta, 2018, 220: 512-534.(链接)
Jiang L, Planavsky N, Zhao M, et al. Authigenic origin for a massive negative carbon isotope excursion[J]. Geology, 2019, 47(2): 115-118.(链接)
Schrag D P, Higgins J A, Macdonald F A, et al. Authigenic carbonate and the history of the global carbon cycle[J]. Science, 2013, 339(6119): 540-543.(链接)
(撰稿:张力钰,姜磊/油气室)
删除或更新信息,请邮件至freekaoyan#163.com(#换成@)
【前沿报道】PNAS: 成岩作用记录了新元古代海水无机碳库信息
本站小编 Free考研/2020-05-30
相关话题/环境 大气
【前沿报道】Science:岩浆海的氧化还原环境对地球早期大气组成的影响
众所周知,地球的演化始于4567 Ma之前太阳系行星物质的凝聚和固结,之后,小星子吸积凝聚形成了地球。在吸积凝聚过程中,由于势能向动能的转化、高放射性生热以及星体的频繁撞击,地球会间歇性的出现大规模的熔融外层,即岩浆海。岩浆海的深度并不均一,通常最深可以达到压力28 GPa的位置(如Wood et ...中科院地质与地球物理研究所 本站小编 Free考研 2020-05-30【前沿报道】Nature Geoscience: 氧化海底环境中持续的有机质沉积
海底深部沉积物中富含僵尸般的奇特微生物:虽然是活的,但是生长缓慢,可能需要几十年的时间才能使单个细胞分裂,而在海洋表面的同类只需几分钟便能完成。研究表明通过对这些微生物赖以生存的食物——有机碳的研究,有望增进我们对地球甚至是宇宙中生命生存极限的认识。美国Woods Hole海洋中心的Emily R. ...中科院地质与地球物理研究所 本站小编 Free考研 2020-05-30【前沿报道】PNAS:星际环境中的笼形水合物
笼形水合物是一种包含化合物,由水分子通过氢键形成笼子,并在其中包含不同的客体分子(如CH4、CO2、N2、H2等)而形成。人们熟知的甲烷水合物是一种丰富的潜在能源,CO2水合物则可用于封存二氧化碳。这两种水合物通常在低温(<300 K)和高压(>6 atm)下稳定存在。由于这样的温压条件并不苛刻,因 ...中科院地质与地球物理研究所 本站小编 Free考研 2020-05-30【前沿报道】PNAS:18亿年前地球大气含氧量低
目前地球大气含氧量约为21%(体积比),但如何才能知道地球历史时期的大气含氧量以及它的演化过程?要回答这个问题,最简单和直接的方法当然是直接获取过去的大气样本,但过去的大气样本难以保存,基本限制了我们通过直接测试的方法来重建过去。不过,还可以借助间接方法,例如在地表化学风化过程中,氧气的参与会导致陆 ...中科院地质与地球物理研究所 本站小编 Free考研 2020-05-30何况等-GRL: 化石磁小体可作为古环境代用指标——来自伊比利亚西南边缘海沉积物的新证据
化石磁小体是由趋磁细菌产生的保存在沉积物中的纳米级磁性矿物,通常为磁铁矿或胶黄铁矿。常见的化石磁小体的形状有立方八面体状、棱柱状和子弹头状,是趋磁细菌基因严格控制的产物。由于趋磁细菌生理活动和细菌类型对包括氧气浓度等多个环境因子都较为敏感,因此,化石磁小体有潜力作为古环境重建的代用指标。化石磁小体属 ...中科院地质与地球物理研究所 本站小编 Free考研 2020-05-30韩晓华等-GPL/ES&T:微生物参与绿锈/磁铁矿矿化过程及其对古环境中Fe元素循环启示
绿锈和磁铁矿是自然环境中常见的含铁矿物。绿绣在现代氧气浓度比较低的富铁沉积物中广泛分布,是太古代海洋环境中主要的含铁矿物之一,被认为是条带状铁建造(BIFs)中铁氧化物的重要前身矿物。基于地质微生物学和BIFs的地球化学信号推测,微生物矿化过程对BIFs中铁氧化物的沉淀可能有重要的贡献。磁铁矿是一种 ...中科院地质与地球物理研究所 本站小编 Free考研 2020-05-30曹明坚等-JGR:低温含水环境下磷灰石Sr同位素地球化学行为
磷灰石分布普遍,由于含有丰富的有用元素(F、Cl、S、Fe、Mn、Sr、REE)和同位素(Sr、Nd、O),已被广泛应用于示踪岩石成因。众多实验岩石学和矿床实例研究结果揭示出磷灰石结构和成分极易受到中高温(300℃-900℃)流体(包括卤水相流体、H2O-CO2流体、酸性流体)的改造,但对低温流体( ...中科院地质与地球物理研究所 本站小编 Free考研 2020-05-30何宏青等-MNRAS+ApJ:比较行星空间辐射环境研究系列进展
宇宙线是剧烈天体活动(包括太阳)释放出来的高能粒子,因其各种辐射损伤效应,对航天器和宇航员构成严重乃至致命的危害,成为国际空间环境和航空航天领域的研究热点。宇宙线自1912年被奥地利科学家维克托·赫斯(Victor Hess,1936年诺贝尔物理学奖获得者)发现以来,高能宇宙线起源这一根本问题始终没 ...中科院地质与地球物理研究所 本站小编 Free考研 2020-05-30孙飞课题组与德国马普研究所合作揭示呼吸链复合物III在极端环境下保持稳定性的结构基础
2019年11月28日,中国科学院生物物理研究所孙飞课题组与德国马普研究所Hartmut Michel课题组在国际著名期刊《Angewandte Chemie》杂志上以封面文章联合发表了题为“A 3.3 ?-Resolution Structure of Hyperthermophilic Resp ...中科院生物物理研究所 本站小编 Free考研 2020-05-29关于中科院大气物理研究所2020年招收硕士研究生拟录取名单的公示
根据教育部、中科院大学相关文件精神,根据《中国科学院大气物理研究所2020年招收硕士研究生复试规程》(以下简称复试规程),本着公平公正、全面衡量、保证质量、宁缺毋滥的原则,通过对考生进入视频复试考核,经我所教育委员会审核批准, 付亚男等33人通过复试被拟录取为大气科学(学术型)硕士研究生。鉴 ...中科院大气物理研究所 本站小编 Free考研考试 2020-05-28