研究亮点

王水炯:通过Ni同位素揭示大氧化事件中硫化物风化对产甲烷菌和大气圈的影响【Nat. Geo,2019】
发布:科技处 2019-03-08 阅读:

人类宜居的地球是如何演化而来并将走向何方,是21世纪地球科学家最关心的科学问题和人类面临的重要挑战。地球年龄约46亿年,约23亿年之前发生了全球大氧化事件(Great Oxidation Event),经历了一次大气圈从无氧到快速巨量充氧的过程,这一剧变无疑是地球和生命演化历史中最关键的转折点。在此期间,作为还原性温室气体的甲烷的浓度急剧下降,它是促成大氧化事件发生的“功臣”,并导致了地球第一次出现全球范围的冰期—休伦冰期。甲烷浓度下降的原因和过程是目前研究地球早期环境演化的热点之一。

地球早期大气中甲烷主要来自于海洋产甲烷菌的活动,这些产甲烷菌的活跃程度强烈依赖海水中可被生物利用的营养元素镍(Ni)的含量高低变化。传统认为发生在约24~27亿年之间的海洋“Ni饥荒”抑制了产甲烷菌的活动,从而导致了大气中生物成因甲烷含量的急剧下降和氧气比例上升。大气氧升高又导致大陆硫化物有氧风化的启动,陆地向海洋输送更多SO42-,促进了海洋中硫还原菌的生长。硫还原菌在生态学上优于产甲烷菌,它的生长抑制了产甲烷菌的活动,从而进一步加剧了产甲烷古菌群的衰退。

我校科学研究院王水炯教授及其合作者选择不同时代的冰碛岩为突破口,借助高精度Ni同位素分析技术,通过研究全球不同地质时期发育的冰碛岩的Ni同位素来揭示大陆地壳硫化物有氧风化对产甲烷菌的影响。研究取得以下创新性认识:

1、冰碛岩的Ni同位素组成结果表明早元古代大陆上地壳的Ni同位素组成比中太古代大陆上地壳系统偏重(图1)。这种差异是由于硫化物有氧风化向海洋输送轻Ni同位素所致。

2、休伦冰期中四期冰碛岩的Ni同位素组成演化趋势与氧化还原指标高度吻合(图2)。根据Ni同位素组成变化估算大氧化事件中硫化物有氧风化向海洋输送的Ni占据整个风化Ni通量的>30%,甚至主导了大氧化事件峰期的大陆风化Ni通量,维持了产甲烷菌的生长。

3、该研究基于硫化物矿物和其他岩石类型存在的细微的Ni同位素组成差异,揭示了地表环境从无氧到有氧风化的转变,快速溶解了原本稳定存在并聚集在大陆上地壳的硫化物储库,不仅释放并向海洋输送了SO42-,而且向海洋输送了大量可被生物利用的Ni。因此,硫化物风化对产甲烷菌扮演了双刃剑的角色(图3):一方面硫化物风化提供的SO42-无疑抑制了产甲烷菌的活动,迫使产甲烷古菌群逐渐由浅海向深海迁移;另一方面,硫化物风化很有可能主导了大氧化事件期间的风化Ni通量,提供并维持了这一关键时期产甲烷菌活动所需的Ni

该项研究成果首次提出硫化物风化对产甲烷菌的“双刃剑”效应,推动人们对第一次大氧化事件的全面理解、并对营养元素作为联系岩石圈、水圈和大气圈协同演化的关键枢纽作用得到更全面的认识。

 

1:图1不同时期冰碛岩的Ni同位素组成。可见2.2-2.4Ga冰碛岩的Ni同位素组成较2.9Ga冰碛岩的Ni同位素组成系统偏重。

 

2 早元古代四次冰期冰碛岩的Ni同位素组成演化

 

3 a, 29亿年前,大陆上地壳基性,无氧风化向海洋输送大量Ni,此时硫化物矿物稳定存在于上地壳并且是轻Ni同位素的主要载体;b, 大约22-24亿年之前,大陆上地壳成分转变成中酸性,因此硅酸盐风化的Ni通量骤减,但是伴随大陆无氧风化到有氧风化的转变,硫化物的氧化溶解向海洋输送了Ni,维持此时海洋产甲烷菌的生长。

 

上述研究成果发表在地球科学国际顶尖刊物《Nature Geoscience》上:Wang, S.-J, Rudnick, R.L., Gasching R.M., Wang, H., and Wasylenki L.E., 2019. Methanogenesis sustained by sulfide weathering during the Great Oxidation Event. Nature Geoscience, https://doi.org/10.1038/s41561-019-0320-z [IF 2017/2018=14.391]

全文链接:https://rdcu.be/bpteY

附件2019030811123327956.pdf (1.5074997MB)