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    地球科学与工程学院李伟强教授团队重建过去20亿年的地表镁循环

    发布时间:2024-03-04 点击次数: 作者:地球科学与工程学院 来源:科学技术处

    在地质时间尺度上,地球大气CO2含量受到碱金属镁和钙的地表循环调控,因此,地球表层镁循环的长周期演变、驱动和响应机制是关乎地球宜居性的核心科学问题。过去几十年里,研究人员发现海水镁含量在显生宙(最近5亿年)曾发生巨大波动,造成了海洋在“方解石海”和“文石海”之间交替演变,但其机理存在很大争议,有“白云岩化驱动”和“地幔活动驱动”两大假说,至今尚无定论。而在显生宙之前的漫长前寒武纪,地球的镁循环如何演变,如何与地表环境耦合,当今学界知之更少,存在巨大的研究空白。

    2006年,剑桥大学的Tipper教授提出海水的Mg同位素组成可以响应现代地表镁循环,在此基础上,美国普林斯顿大学的Higgins教授和英国伦敦大学的Pogge von Strandmann教授等课题组尝试重建海水Mg同位素演变历史,以此探讨地表镁循环的演变。他们沿用经典古气候学的研究思路,采用有孔虫(低镁方解石)或者珊瑚(文石)作为海水Mg同位素的地质载体。这些研究取得了一定进展,但存在明显的局限性,包括不同研究结果不一致、数据离散、以及海水Mg同位素记录仅局限于新生代(距今6500万年)等。因此,虽然学界已经知道可以通过海水Mg同位素记录破解地表镁循环的谜题,但在此问题上长期无法获得实质性突破。

    针对地球表层镁循环历史的研究空白和Mg同位素示踪的难题,南京大学地球科学与工程学院李伟强教授团队经过近十年的摸索和研究积累,解决了地质载体、数据解译、环境意义等一系列技术与理论问题,最终将海水Mg同位素记录从新生代大幅前推至古元古代(7千万年→20亿年),并重建了过去20亿年的地球表层镁循环演变历史,进而提出白云岩的源-汇差异是一个被长期忽视的碳循环调控因子。研究成果近期在《Science Advances》以“The evolution of Earth’s surficial Mg cycle over the past 2 billion years”为题在线发表。

    为了解决前人研究中海水Mg同位素记录时间短的问题,李伟强教授团队另辟蹊径,放弃常规的生物碳酸盐载体,而选择白云石这种常见的富镁碳酸盐矿物作为海水Mg同位素记录的载体。李伟强在2015年标定了白云石与水溶液之间的Mg同位素分馏系数,并提出利用白云岩反演海水Mg同位素的学术思路。这一思路长时间未受学界重视,因为沉积学经典理论认为白云岩无法从海水直接沉淀。从2017年开始,李伟强与沈树忠院士、胡文瑄教授等国内外学者展开合作,带领学生对中外各地、多个时代的海相白云岩地层开展Mg同位素实例研究,逐步厘清了盆地封闭、白云岩化、早成岩、埋深变质、热液蚀变等地质过程中的白云岩Mg同位素行为,完善了白云岩示踪海水Mg同位素的理论体系。在理论和方法完备后,团队新测量了超过400个白云岩样品,综合已发表的近2000个白云岩Mg同位素数据,终于获得了一条长达20亿年的海水Mg同位素曲线(如上图)。同时,为了补齐白云岩记录的短板,李伟强又带领学生开发了另一个海水Mg同位素记录载体,即海相石盐。而后与美国著名的蒸发岩研究专家Lowenstein教授合作,对他收集的上百个原生海相石盐样品进行了Mg同位素分析,所获得的海水Mg同位素曲线与白云岩曲线高度一致(如上图),证实了白云岩记录的可靠性。

    此研究发现,海水的Mg同位素组成在地质历史时期有巨大变化,δ26Mg值从20亿年前的+0.6‰波动变化至现代的-0.8‰,指示地球表层镁循环的深刻演变。论文研究团队通过蒙特卡洛同位素质量平衡模拟计算发现,海水的δ26Mg变化受到白云岩的源-汇差异(NDB)控制。在元古代,海洋中的镁大部分由硅酸盐风化提供,而主要以白云岩沉淀的形式从海水中移除,呈现巨大的白云岩源-汇差异;而在现代,白云岩对于海水中Mg的源-汇贡献基本平衡,几乎没有白云岩源-汇差异。由于白云岩沉淀时移除了CO32-,地表镁循环过程中的白云岩源-汇差异具有碳汇效应。白云岩源-汇差异(NDB)的演变,与地球环境的关键指标和驱动因子,如温度、大气CO2含量、海平面、冰川纬度等都存在显著的相关关系(如下图)。此研究揭示了地表镁循环的核心组成部分—白云岩的风化/成岩对于全球碳循环以及气候的重要调节作用,为理解地球的宜居性提供了新的视角。

    此研究成果是李伟强教授团队在沉积岩Mg同位素领域近十年研究的总结,研究过程中先后得到了自然科学基金项目、科技部重点研发项目、中科院先导项目的持续资助。南京大学内生金属矿床成矿机制研究国家重点实验室和教育部地球关键物质循环前沿科学中心提供了基础设施和硬件支持。在样品搜集的过程中得到了国内外数十位专家学者的大力支持。南京大学地科院的博士生夏芝广(现为成都理工大学博士后)和助理教授李石磊是论文的共同第一作者,李伟强教授和美国宾汉姆大学Tim Lowenstein教授为论文的共同通讯作者。论文链接:

    https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adj5474