3.5亿年前海洋初级生产力爆发引起全球巨量碳埋藏与气候变冷

发布时间：2024年10月23日

距今2.6亿年前的晚古生代大冰期（~360–260 Ma），是地球上自动植物繁盛以来，持续时间最长的冰室气候，当时，大气二氧化碳（CO2)和氧气(O2)浓度也与现今人类生存的冰室气候环境相当。因此，对晚古生代大冰期启动与结束等关键气候转折期的系统研究，将对我们认识地球不同尺度的气候系统变化及其控制因素具有重要的借鉴和启示意义。

晚古生代大冰期启动的一个重要序幕发生在3.5亿年前石炭纪初期（~355–350 Ma），并伴随着显生宙变化幅度最大、持续时间最长的全球碳循环扰动——即中杜内期碳同位素正漂移TICE事件（此前在北美被称之为KOBE事件）。该事件普遍被归因于一次有机碳埋藏的增加，在晚古生代气候变冷进程中起到了重要作用。但TICE事件期间的有机碳埋藏原因存在争议，前人研究认为，海洋初级生产力（指最低等的生物，比如蓝细菌、藻类等）的提高产生了大量有机质，引发大洋缺氧抑制了有机质的降解。然而，示踪海洋初级生产力变化的证据始终缺失。另外，对有机碳埋藏的模式也存在争议，未有定论。

图1. 全球TICE事件记录的剖面分布与华南研究剖面古地理图

近日，由中国科学院南京地质古生物研究所研究员陈吉涛及博士生仲钰天领衔的国际合作团队，通过对华南地区两条石炭系杜内阶剖面开展沉积学、地层学与碳-锌同位素地球化学以及数值模拟等综合分析研究，揭示了这一时期全球碳循环扰动的模式和复杂的碳循环-气候反馈机制，证实了海洋初级生产力在碳循环和气候变化中的关键作用。相关成果近期发表在国际自然指数期刊《地质学》（GEOLOGY）上。

图2. 华南地区马兰边和下司剖面TICE事件综合地层与碳、锌同位素记录

该研究首次精细刻画了该时期的全球碳循环扰动具有两幕式的特点，而碳同位素的两次正漂对应着明显的锌同位素的升高，由此，提出其受控于两次初级生产力的显著提高。初级生产力的爆发分别由大陆硅酸盐风化和大陆架有机质的再氧化所输入的营养盐触发，并进一步导致了两幕式的有机碳埋藏事件，封存了大量的二氧化碳（CO2），从而引起阶梯式的气候变冷。繁盛的初级生产力不仅导致了全球广泛的黑色页岩沉积，成为潜在的油气资源，也引发了包括大洋缺氧的扩张和气候变冷的增强等显著的环境和气候效应，严重抑制了海洋生态系统自泥盆纪末大灭绝之后的恢复，使海洋生物多样性在该时期始终处于低迷状态。

图3. TICE事件期间地球化学记录对比与锌的质量平衡模拟

图4. TICE事件期间碳-锌循环模式图

该研究为系统揭示深时关键气候转折期全球碳循环模式、及其触发机制与生物-环境-资源效应提供一定借鉴。

此项研究得到国家自然科学基金委重大项目（42293280）和面上项目（42072035）的联合资助。

论文相关信息：Zhong, Y.T., Chen, J.T.*, Liu, S.-A., Yuan, C.S., Gao, B., Isson, T.T., Algeo, T.J., Sheng, Q.Y., Chen, B., Luo, G.M., Wang, X.D., Qie, W.K., Zinc isotope perspective on global carbon cycling during the onset of the late Paleozoic icehouse, Geology, 2024,

https://doi.org/10.1130/G52447.1

作者：陈吉涛

编辑：盛 捷

审核：王 丹

文章来源：“中科院南古所”公众号