貴陽分部廣州分部
網站地圖聯系我們所長信箱建議留言內部網English中國科學院
 
 
首頁概況簡介機構設置研究隊伍科研成果實驗觀測合作交流研究生教育學會學報圖書館黨群工作創新文化科學傳播信息公開
  新聞動態
  您現在的位置:首頁 > 新聞動態 > 學術前沿
NC:海水鈣含量控制的全球磷埋藏及大氣氧化進程
2020-05-16 | 作者: | 【 】【打印】【關閉

  地質歷史時期的大氣氧化進程及其與生命進化的關系是地質學和地球生物學研究的熱點與前沿。在地質時間尺度上,海洋的初級生產力及生物圈的大小主要受全球磷循環的控制,因此磷循環決定了有機碳的埋藏量,從而制約了大氣的氧含量。前人研究提出海洋底棲動物的活動(生物擾動)和表生圈層的氧含量是制約全球磷埋藏的最重要因素 (Boyle et al., 2014Van Cappellen and Ingall, 1996)。碳酸鹽氟磷灰石被認為是最大的磷埋藏,其含量約占全球磷埋藏的一半之多,然而之前對磷循環與大氣氧含量關系的研究并沒有充分考慮碳酸鹽氟磷灰石埋藏的影響。

  耶魯大學地質與地球物理系趙明宇博士及其導師Noah Planavsky副教授等通過生物地球化學模型(圖1)和對新生代大洋沉積物的磷組分數據的統計分析(圖2),發現了海水的鈣含量可能是控制地質歷史時期磷埋藏的最重要因素。他們進一步的數值模擬(全球碳磷氧循環模型 )結果表明海水中的鈣含量同時也控制了顯生宙大氣氧含量的演化。顯生宙海水的元素組成主要受控于構造活動,因此顯生宙以來的構造、海水元素組成、海洋磷循環和大氣氧含量存在緊密的耦合關系。他們的研究成果發表于Nature Communications上。 

1 海水鈣含量等對磷埋藏影響的模擬結果。PCFA指的是碳酸鹽氟磷灰石中的磷在沉積物中的含量。BE指的是磷埋藏的效率。Corg/Preac是有機碳和總活動性磷(包括有機磷,碳酸鹽氟磷灰石中的磷和鐵氧化物中的磷)的比值。[O2]SW[Ca]SW分別代表海水中的氧含量和鈣含量;JOC指海水和 沉積物界面的有機碳通量;Bioturbation指生物擾動(Zhao et al., 2020)

  研究人員的模擬結果顯示了海水的鈣含量、氧含量、有機碳通量和生物擾動對磷埋藏均有顯著影響作用。而氧含量、有機碳通量和生物擾動對磷埋藏的影響是復雜的和非線性的(圖1),是由于這些因素并不能直接控制碳酸鹽氟磷灰石的飽和度。相反,海水的鈣含量能直接地控制碳酸鹽氟磷灰石的飽和度,這也意味著海水鈣含量越高其磷埋藏量就越大。 

2 a)模擬所得的近8000萬年以來海洋中的碳酸鹽氟磷灰石埋藏(黑色曲線),圖中的點代表每2百萬年尺度的平均值,誤差線代表標準差;(b)近8000萬年以來海水Mg/Ca比值及鈣含量的演化曲線,其中海水Mg/Ca比值分別來自洋殼中的方解石脈(圓圈)、蒸發巖中的流體包裹體(三角形)、及棘皮小骨的Mg/Ca(正方形),其中線代表推測的海水鈣含量。Corg/Preac是有機碳和總活動性磷的比值,其中Corg代表有機碳,Preac代表活動性磷,包括有機磷、碳酸鹽氟磷灰石中的磷和鐵氧化物中的磷(Zhao et al., 2020)

  研究人員對近8000萬年以來太平洋,大西洋以及印度洋的沉積物的磷組分數據進行統計分析發現,沉積物中碳酸鹽氟磷灰石中的磷占總活動性磷(包括有機磷,碳酸鹽氟磷灰石中的磷和鐵氧化物中的磷)的比例從4000萬年前開始呈現出逐漸下降的趨勢(圖2)。而4000萬年以來海水的鈣含量也呈現出逐步的降低趨勢(圖2)。這進一步證明了海水中的鈣含量是控制碳酸鹽氟磷灰石乃至全球磷埋藏的重要因素。 

3 顯生宙海水鈣含量控制的磷和大氣氧循環。(a)海水中鈣含量隨時間的演化(數據來蒸發巖中的自流體包裹體)。(b)模擬出的碳酸鹽氟磷灰石埋藏通量的演化(藍線代表沒有植物演化對風化的影響)。(c)模擬所得的大氣氧含量演化。(d)大氣二氧化碳含量演化(數據點代表每20個百萬年的平均值,數據來自于對二氧化碳含量指標的統計)(見Zhao et al., 2020補充材料)

  最后,研究人員通過對成巖模型與全球碳磷氧模型的耦合研究,進而揭示了海水鈣含量對大氣氧演化的影響,并提出了海水鈣含量降低能造成大氣氧含量的增加。該理論合理解釋了顯生宙以來大氣氧含量的變化過程:例如,石炭紀出現巨型的昆蟲等表明具有比現代高的大氣氧含量(圖3c),同時流體包裹體的數據揭示了該時期海水鈣含量較低(圖3a)。海水中鈣含量的降低導致碳酸鹽氟磷灰石埋藏的降低。在磷風化輸入不變的情況下碳酸鹽氟磷灰石埋藏的降低會導致有機磷和有機碳埋藏的升高,進而增加大氣的氧含量。此外,研究人員認為寒武紀早期的大氣與海洋氧含量的降低也可能與海水中的鈣含量升高有關 (圖3)。 

  本研究提出了新的控制全球磷循環和大氣氧含量變化的主要因素,他們的研究結果也增進了對地球各系統圈層之間的相互作用機制的認識。 

  【致謝:感謝原文作者趙明宇博士對本文提出的寶貴修改建議。】 

 

  主要參考文獻 

  Van Cappellen P, Ingall E D. Redox stabilization of the atmosphere and oceans by phosphorus-limited marine productivity[J]. Science, 1996, 271(5248): 493-496.鏈接 

  Boyle R A, Dahl T W, Dale A W, et al. Stabilization of the coupled oxygen and phosphorus cycles by the evolution of bioturbation[J]. Nature Geoscience, 2014, 7(9): 671-676.鏈接 

  Zhao M, Zhang S, Tarhan L G, et al. The role of calcium in regulating marine phosphorus burial and atmospheric oxygenation[J]. Nature Communications, 2020, 11: 2232.鏈接     

  (撰稿:姜磊/油氣室

 
地址:北京市朝陽區北土城西路19號 郵 編:100029 電話:010-82998001 傳真:010-62010846
版權所有© 2009- 中國科學院地質與地球物理研究所 京ICP備05029136號 京公網安備110402500032號
重庆时时五星直选 江西快三开奖查询 最新长沙麻将下载 甘肃11选5走势图玩法 广西快乐十分网址 上市公司股票代码查 qq麻将手机版官方下载最新版本 云南快乐十分走势图一走牛 彩票开奖号码查询 甘肃十一选五助手下载 河北11选5体彩一定牛 北京赛车pk10开奖 微乐吉林长春麻将怎么下载 云南11选5开奖号码 黄金交易平台 青海快三什么程序 期货配资骗局