畸形的貝殼，古老的沉積物提供了關(guān)于地球過去的線索 _地球

從意大利古比奧發(fā)現(xiàn)的微小的古老浮游有孔蟲的掃描電子顯微鏡圖像。版權(quán)：加布里埃拉·基奇

來自印度洋東部，澳大利亞西南部近海的沉積物巖心。顏色較淺的沉積巖（右下）富含海洋酸化事件前沉積的碳酸鹽微化石，較深的泥巖（左）代表海洋酸化發(fā)生的時(shí)間間隔。由于在酸化事件中沒有腐蝕性更強(qiáng)的海水引起的碳酸鹽微化石，這些石頭顏色較深。版權(quán)：馬特瓊斯
據(jù)美國(guó)物理學(xué)家組織網(wǎng)（西北大學(xué)）：近1億年前，地球經(jīng)歷了一次極端的環(huán)境破壞，使海洋中的氧氣窒息，導(dǎo)致海洋滅絕水平升高，影響了整個(gè)地球。
現(xiàn)在，在兩項(xiàng)互補(bǔ)的新研究中，兩個(gè)西北大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的地球科學(xué)家團(tuán)隊(duì)報(bào)告了導(dǎo)致這一事件發(fā)生的事件的時(shí)間順序和特征的新發(fā)現(xiàn)，稱為海洋缺氧事件2（OAE2），這是40多年前由已故西北大學(xué)教授西摩·施蘭格（Seymour Schlanger）共同發(fā)現(xiàn)的。
通過研究從全球三個(gè)地點(diǎn)提取的保存完好的浮游微化石和大量沉積物，研究小組收集了直接證據(jù)表明，由于二氧化碳（CO2）海底大規(guī)模火山復(fù)合體噴發(fā)的排放。
在其中一項(xiàng)新研究中，研究人員還提出了一個(gè)新的假設(shè)來解釋為什么海洋酸化導(dǎo)致奇怪的低溫（被稱為“Plenus冷事件”），這短暫地中斷了原本非常炎熱的溫室時(shí)期。
通過分析一氧化碳的涌入2從火山影響海洋化學(xué)，生物礦化和氣候，研究人員希望更好地了解當(dāng)今地球如何應(yīng)對(duì)CO的增加。2由于人類活動(dòng)，這可能會(huì)導(dǎo)致適應(yīng)和減輕預(yù)期后果的解決方案。
一篇論文，其中包含深海巖心的發(fā)現(xiàn) ，包括澳大利亞西南部附近新鉆探的地點(diǎn)，將于周四（1月19日）發(fā)表在《自然地球科學(xué)》雜志上。12月13日，一篇詳細(xì)介紹古代畸形微化石發(fā)現(xiàn)的補(bǔ)充論文發(fā)表在《自然》雜志《通信地球與環(huán)境》上。
“海洋酸化和缺氧是由大量一氧化碳引起的2從火山中釋放，“西北大學(xué)的布拉德·薩格曼（Brad Sageman）說，他是這兩項(xiàng)研究的高級(jí)合著者。“這些主要的 CO2地球歷史上的排放事件為我們提供了地球系統(tǒng)如何響應(yīng)大量一氧化碳的最佳例子。2.這項(xiàng)工作對(duì)于我們對(duì)氣候系統(tǒng)的理解以及我們預(yù)測(cè)未來會(huì)發(fā)生什么的能力具有根本的適用性。
“基于元素鈣的同位素分析，我們提出了對(duì)Plenus冷事件的可能解釋，即由于海洋酸化而導(dǎo)致的生物鈣化速率減慢允許堿度積聚在海水中，”西北大學(xué)的Andrew Jacobson說，他是這兩項(xiàng)研究的高級(jí)合著者。“堿度增加導(dǎo)致一氧化碳減少2從大氣層。很可能是，這種變冷是變暖的可預(yù)測(cè)但短暫的后果。我們的OAE2結(jié)果為海洋堿度增強(qiáng)提供了地質(zhì)模擬，這是緩解人為氣候危機(jī)的領(lǐng)先策略。
白堊紀(jì)氣候和同位素地球化學(xué)專家薩格曼和雅各布森都是西北大學(xué)溫伯格藝術(shù)與科學(xué)學(xué)院的地球和行星科學(xué)教授。這兩項(xiàng)研究由他們以前的博士生Gabriella Kitch和Matthew M. Jones領(lǐng)導(dǎo)，他們?cè)谖鞅贝髮W(xué)時(shí)發(fā)起了這項(xiàng)研究。
重建白堊紀(jì)條件
基于40多年的研究，OAE2是地球上發(fā)生的全球碳循環(huán)中最重要的擾動(dòng)之一。研究人員假設(shè)，在OAE2期間，海洋中的氧氣含量下降得如此之低，以至于海洋滅絕率顯著增加。為了更好地了解這一事件及其導(dǎo)致這一事件的條件，研究人員研究了廣泛分布的露頭地點(diǎn)的古代有機(jī)富碳和含化石沉積巖層，以及國(guó)際海洋發(fā)現(xiàn)計(jì)劃（IODP）獲得的深海巖芯。
這些遺址包括意大利的古比奧（意大利大陸的一個(gè)著名地區(qū)，曾經(jīng)是一個(gè)深海盆地），西部?jī)?nèi)陸海道（從墨西哥灣延伸到北美北冰洋的古老海底）和幾個(gè)深海遺址，包括來自澳大利亞西南部近海印度洋東部的新遺址。
深海巖心提供了在開發(fā)海洋鉆探計(jì)劃之前完全未知的古海洋部分地區(qū)的寶貴記錄。在所有三個(gè)核心中，研究人員都專注于白堊紀(jì)中期的部分，就在圖羅尼亞和塞諾曼時(shí)代邊界之前，以重建導(dǎo)致OAE2的條件。
“在地質(zhì)過去研究海洋酸化的挑戰(zhàn)部分是我們沒有古老的海水，”瓊斯說，他現(xiàn)在是史密森學(xué)會(huì)的彼得巴克博士后研究員。“你很少能找到任何類似于巖石或礦物中的古代海水的東西。因此，我們必須尋找間接證據(jù)，特別是化石貝殼和巖化沉積物化學(xué)的變化。
畸形化石
對(duì)于發(fā)表在Communications Earth & Environment上的研究，Kitch和她的合著者專注于化石有孔蟲，海洋棲息的單細(xì)胞生物，外殼由碳酸鈣制成，由意大利合作者，烏爾比諾大學(xué)的Rodolfo Coccioni教授在Gubbio站點(diǎn)收集。
Kitch和她的合作者被Gubbio標(biāo)本所吸引，因?yàn)镃occioni對(duì)其殼的光學(xué)觀察和測(cè)量顯示出異常，包括一致的“侏儒”模式或整體尺寸的減小，與OAE2的發(fā)病相吻合。
“這些是壓力的光學(xué)跡象， ”Kitch說，他現(xiàn)在是國(guó)家海洋和大氣管理局的Knauss研究員。“我們假設(shè)壓力可能是由海洋酸化引起的，然后影響了生物構(gòu)建貝殼的方式。
為了驗(yàn)證這一假設(shè) ，基奇分析了化石的鈣同位素組成。在溶解化石外殼并用熱電離質(zhì)譜儀分析其成分后，西北大學(xué)的研究小組觀察到畸形標(biāo)本中的鈣同位素比率以與酸化應(yīng)力一致的方式移動(dòng) 。
“這是第一篇將鈣同位素證據(jù)與壓力生物指標(biāo)觀察相結(jié)合的論文，”Sageman說。“正是這些獨(dú)立的生物和地球化學(xué)觀察證實(shí)了OAE2開始時(shí)對(duì)生物礦化的影響。
“因果關(guān)系”
在發(fā)表在《自然地球科學(xué)》上的第二項(xiàng)研究中，瓊斯和他的合著者專注于澳大利亞西南部近海巖化沉積物的深海核心，他和同事在2017年的IODP探險(xiǎn)中收集了這些沉積物。對(duì)于這塊拼圖，研究人員對(duì)沉積物中的東西不太感興趣，而對(duì)沉積物明顯缺乏的東西更感興趣。
核心包含成堆的石灰石，富含碳酸鈣礦物質(zhì)，但在OAE2之前突然沒有碳酸鹽。
“在這個(gè)時(shí)間間隔內(nèi)，我們發(fā)現(xiàn)方解石不存在，”瓊斯說。“沒有碳酸鹽礦物。核心的這一部分明顯更暗;它直接向我們跳了出來。碳酸鹽要么溶解在海底，要么更少的生物在地表水中制造碳酸鈣殼。這是對(duì)海洋酸化事件的直接觀察。
在與杜倫大學(xué)的Dave Selby教授合作進(jìn)行的地球化學(xué)分析中，瓊斯注意到碳酸鹽并不是唯一顯示出顯著變化的成分。與OAE2的開始相吻合，鋨同位素比率也發(fā)生了顯著變化，這表明地幔衍生的鋨大量輸入，這是一次重大海底火山活動(dòng)的指紋。這一觀察結(jié)果與許多其他研究人員的工作一致，他們發(fā)現(xiàn)了OAE2之前大型火成巖?。↙IP）噴發(fā)的證據(jù) 。
這些大規(guī)模火山活動(dòng)的事件發(fā)生在整個(gè)地球歷史中，并越來越被認(rèn)為是全球變化的主要推動(dòng)者。許多LIP是潛艇，注入了數(shù)噸一氧化碳2直接進(jìn)入海洋。當(dāng)一氧化碳2溶解在海水中，形成弱酸，可以抑制碳酸鈣的形成，甚至可能溶解預(yù)先存在的碳酸鹽殼和沉積物。
“就在OAE2開始時(shí) ，鋨同位素比率轉(zhuǎn)變?yōu)榉浅７浅５偷闹担杯偹拐f 。“唯一可能發(fā)生的方法是通過大型火成巖省噴發(fā) 。這有助于我們建立因果關(guān)系。我們可以看到火山真正活躍的證據(jù)，因?yàn)殇~值崩潰。然后，突然之間，沒有碳酸鹽了。
生物反饋
雖然LIP之后的海洋酸化并不一定令人驚訝，但西北大學(xué)團(tuán)隊(duì)確實(shí)發(fā)現(xiàn)了一些不尋常的東西。OAE2期間的酸性條件比古代世界其他被廣泛認(rèn)可的酸化事件持續(xù)時(shí)間要長(zhǎng)得多。瓊斯認(rèn)為，海水中缺氧可能延長(zhǎng)了酸化狀態(tài) 。
“在OAE2期間消耗下沉浮游生物和水柱中有機(jī)物的生物也在呼吸一氧化碳2 ，這導(dǎo)致了最初由一氧化碳引發(fā)的海洋酸化2LIP火山活動(dòng)的排放，“瓊斯說。“因此，海洋缺氧可能是對(duì)海洋酸化的'正反饋' 。這很重要，因?yàn)榻裉斓娜蚝Ｑ蟪藀H值下降外，氧氣含量也在下降。這表明氧氣的減少可能會(huì)延長(zhǎng)酸化，并突出表明這兩種現(xiàn)象密切相關(guān) 。
在Kitch的研究中，她發(fā)現(xiàn)生物學(xué)在事件中發(fā)揮了另一個(gè)作用。全球變暖和海洋酸化不僅被動(dòng)地影響有孔蟲。生物體在構(gòu)建外殼時(shí)也通過降低鈣化率來積極響應(yīng) 。隨著鈣化減慢，有孔蟲消耗的海水堿度減少，這有助于緩沖海洋不斷增加的酸度。這也提高了海洋吸收一氧化碳的能力2，可能會(huì)觸發(fā)全會(huì)冷事件。
“我們稱這一階段為'溫室時(shí)期'，因?yàn)闇囟确浅７浅嘏被嬲f 。“然而，有證據(jù)表明OAE2間隔期間相對(duì)冷卻。沒有人能夠解釋為什么會(huì)發(fā)生這種冷卻。我們的研究表明，通過減少海洋中的碳酸鹽產(chǎn)量，你實(shí)際上提高了堿度，這使海洋具有緩沖吸收一氧化碳的能力。2.海洋突然有能力吸收一氧化碳2并平衡碳通量。
穩(wěn)定“是有代價(jià)的”
但僅僅因?yàn)槎虝旱睦鋮s打斷了這個(gè)溫室時(shí)期，研究人員警告說，海洋緩沖一氧化碳的自然能力。2不是當(dāng)前人為氣候變化的答案。薩格曼通過將氣候變化與癌癥進(jìn)行比較來解釋這一情景。
“這就像一個(gè)病人得了癌癥，癌癥消失了一個(gè)月， ”薩格曼說。“但后來它回來了，殺死了病人。不要被愚弄，以為海洋會(huì)讓我們降溫，一切都會(huì)好起來的。有一小段時(shí)間很酷。
“雖然地球反彈并自我治愈，但海洋領(lǐng)域的滅絕有助于實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，”雅各布森補(bǔ)充道。“地球有一些穩(wěn)定的反饋，但它們是有代價(jià)的。