中美科學家揭示地球最古老冷泉碳酸鹽巖成因之謎

冷泉碳酸鹽巖是冷泉活動的主要產物，而冷泉不僅是尋找海底天然氣水合物的重要標志，也是研究全球氣候變化一個窗口。5月2日，美國《國家科學院院刊》在線發表了中美以學術團隊的一項成果，揭開了地球最古老的冷泉碳酸鹽巖成因之謎。

這項題為《最古老冷泉碳酸鹽巖揭示“雪球地球”大冰期后海洋硫酸根濃度》的成果，由南京大學國際同位素效應研究中心教授彭永波團隊聯合美國內華達大學、以色列魏茨曼科學研究所、上海海洋大學等團隊合作完成。

冷泉碳酸鹽巖一般是在甲烷缺氧氧化過程中，微生物活動形成了大量的碳酸氫根，使環境的堿度增加，從而與海水及孔隙水中的鈣離子結合形成碳酸鹽礦物，再與沉積物膠結之后形成。

目前，最老的冷泉碳酸鹽巖是大約635萬年前三峽地區陡山沱組底部方解石。這些方解石的成因對于科學界了解“雪球地球”全球大冰期之后海洋中的硫酸根濃度，大氣二氧化碳和氧氣的濃度以及海洋的物理空間狀態至關重要。但是，有科學家通過方解石的古溫度推算，認為這些方解石是后期熱液成巖的產物。

彭永波團隊在厘定現代冷泉碳酸鹽巖特有的高維度同位素特征的基礎上，對標測試了陡山沱組底部這些超低的無機碳同位素的方解石，發現方解石中黃鐵礦的硫同位素、無機碳同位素、有機碳同位素、碳酸鹽晶格硫酸根(CAS)的硫氧同位素，以及碳酸鹽巖晶格硫酸根的硫氧同位素無一例外和現代冷泉碳酸鹽巖完全吻合。也就是說，陡山沱組底部這些超低的無機碳同位素的方解石，是當時微生物硫酸鹽還原作用耦合的甲烷厭氧氧化過程的產物。

在此基礎之上，研究人員通過對比三峽地區7個剖面的地層化學指標發現，這些方解石是在蓋帽白云巖溶蝕那一層之后才開始出現。研究人員推斷，這應該是海洋硫酸根濃度突然增加的結果，并推測硫酸根濃度可能達到了現在海洋的水平。

彭永波表示，這個地質時期，是地球地質歷史上經歷過的“最動蕩的年代”。地球剛從“雪球地球”全球冰期中掙脫出來，海洋和大氣的物理化學狀態，仍然處于劇烈的動蕩期。結合模型，研究人員把海洋硫酸根濃度突然增加發生時間限定在冰川開始融化后的5萬年的時間內，這對認識地球的各個圈層面對極端事件如何相互作用和響應有重要幫助。