科学研究

陈曦:白垩纪大洋缺氧事件OAE2期间古环境演化的Zn同位素证据【Geology,2021】
2021-03-29 阅读:5023

在整体呈温室气候条件的白垩纪期间,由于大火成岩省岩浆作用,导致大气中CO2含量激增和全球快速升温,促使地球进入极热气候状态,并引起海洋缺氧和大规模有机质埋藏,称为大洋缺氧事件(Oceanic Anoxic Events, OAEs)。Cenomanian晚期(约94Ma)发生的OAE 2是其中典型代表,期间的环境演化一直是古气候、古海洋领域的研究热点。该事件持续时间不足一百万年,此后地球系统恢复至背景温室气候状态。精确刻画OAE2期间海洋条件和气候系统的恢复过程,对于揭示温室条件下地球系统运行机制有重要意义。

针对上述科学问题,我校科学研究院陈曦与合作者以西藏南部OAE2层段碳酸盐岩为研究对象,通过分析东特提斯地区海水Zn同位素值(δ66Zn)的演化过程,为OAE2期间古环境演化过程提供了新的证据。获得如下主要认识:

1OAE2初期(约200kyrδ66Zn值持续负漂,这一过程与陆源物质输入的峰值对应。表明事件初期在高CO2浓度和高温条件下,大陆风化增强导致大量轻的Zn输入海水中,成为海水δ66Zn值降低的主要原因,同时也导致了全球短暂降温。

2OAE2后期δ66Zn值逐步恢复,指示了风化强度减弱和海洋表层生产力提升。生物光合作用优先吸收轻的Zn,促使海水δ66Zn值升高。与此同时,生物固碳作用消耗大气中的CO2,最终打破生产力提升海洋缺氧生产力提升的正反馈过程,进而导致OAE2结束。

3)全球对比研究发现东特提斯与原北大西洋区域的δ66Zn演化过程有显著差异。其原因是,原北大西洋地区有机质埋藏速率高,有机质埋藏和分解等区域过程对OAE2期间海水δ66Zn演化起着控制作用。而东特提斯的δ66Zn记录代表了开阔大洋的信号,更可能记录了全球信号。

该研究通过地层学、沉积学与地球化学相结合,以生物营养元素Zn在陆地、海水和有机物等储库中的循环过程为主要手段,揭示了大洋缺氧事件OAE2的早、晚期分别由大陆风化增强和海洋表层生产力提升对CO2消耗起主导作用,促使地球气候恢复到背景状态,为极端温室条件下地球系统的负反馈机制提供了新认识。


图1 西藏南部贡扎剖面OAE2期间
δ66Zn演化与其他环境指标对比


2 贡扎剖面δ66Zn曲线Eastbourne剖面(英国)δ66Zn、δ7Li和Δ13C记录的对比


上述研究成果发表于地质学国际权威期刊《Geology》上:Chen, X., Sageman, B., Yao, H., Liu, S., Han, K., Zou, Y., Wang, C., (2021). Zinc isotope evidence for paleoenvironmental changes during Cretaceous Oceanic Anoxic Event 2. Geology, v. 49, p. 412–416, https://doi.org/10.1130/G48198.1