海洋化学变化揭示了海平面如何影响全球碳循环

这些插图显示了海平面变化如何影响全球碳循环中的碳酸盐沉积和其他过程。

对锶同位素的新分析揭示了全球碳循环如何通过地质时间响应气候和海平面的变化。

对海洋沉积物中锶同位素的新分析使科学家能够重建过去3500万年来与气候变化有关的海洋化学波动。

研究结果发表在2021年3月26日的科学杂志上，为全球碳循环的内部运作提供了新见解，尤其是通过碳酸盐沉积将碳从环境中去除的过程。

“锶与钙非常相似，因此它被掺入海洋生物的碳酸钙壳中，”加州大学圣克鲁斯分校海洋科学研究所的首席教授阿迪娜·佩坦解释说。

Paytan和她的合著者研究了锶的不同同位素的比率，包括放射性同位素（由放射性衰变产生的同位素）和稳定同位素，它们提供了有关地球化学过程的补充信息。他们发现，在过去的3500万年中，海洋中锶的稳定同位素比已经发生了很大变化，并且今天仍在变化，这意味着海水中锶的浓度发生了巨大变化。

佩坦说：“它不是处于稳定状态，所以进入海洋和离开的东西不匹配。”“海水中锶的组成会根据碳酸盐的沉积方式和沉积位置而变化，这受海平面和气候变化的影响。”

从深海沉积物岩心中提取的海洋重晶石，在扫描电子显微镜图像中可以看到，记录了地质时间内海洋化学的变化。

本研究中分析的锶同位素比的波动反映了地质过程的全球平衡变化的综合影响，包括岩石在陆地上的风化，热液活动以及深海和浅海近岸海洋环境中碳酸盐沉积物的形成。

碳酸盐在公海中的沉积来自海洋浮游生物，例如球石藻和有孔虫，它们形成了碳酸钙矿物方解石的壳。在大陆架上的浅水中，坚硬的珊瑚更为丰富，它们的骨架由另一种碳酸钙矿物文石构成，文石比方解石含有更多的锶。

佩坦说：“当珊瑚形成时，它们会除去锶，而当它们暴露在外时，锶会洗出并返回海洋。”“随着海平面的变化，珊瑚生长的大陆架或多或少暴露在外，从而影响了海水中锶的组成。”

碳酸盐的沉积也反馈到气候系统中，因为海洋从大气中吸收了二氧化碳，而在地质时标上的碳酸盐沉积则从系统中清除了碳。全球碳循环和大气中的二氧化碳与气候变化紧密相关，无论是长期的还是近期冰河时期周期的反复起伏。

共同作者说：“我们可以从稳定的锶同位素中读取的新型信息，使我们可以密切关注全球碳循环的业务端，即从环境中去除碳并将其沉积到海洋碳酸盐床中。” UCSC地球与行星科学助理教授Mathis Hain。

他补充说：“这些发现为我们打开了一个新的窗口，让我们看到全球碳循环如何通过地质时间适应海平面和气候变化。”“我们将需要这些见识来指导我们应对当前的气候紧急情况，并减轻海洋酸化的最严重影响。”

研究人员基于对深海沉积物岩心中提取的海洋重晶石的分析，能够重建海水中锶同位素变化的详尽而可靠的记录。

俄亥俄州立大学的合著者伊丽莎白·格里菲斯（Elizabeth Griffith）说：“这样的记录对于了解地球在地质时代的运行方式至关重要。”“我们的国际团队共同创造了这一独特的记录，并通过数学建模来解释其重要性，因此我们可以在气候条件不同的情况下重建过去的变化。希望是能深入了解我们的蓝色星球未来的运作方式。”

参考：2021年3月26日，Science.DOI：
10.1126 / science.aaz9266

除Paytan，Hain和Griffith之外，该论文的合著者还包括德国GEOMAR亥姆霍兹海洋研究中心的Anton Eisenhauer和Klaus Wallmann，以及UC Riverside的Andrew Ridgwell。这项工作得到了美国国家科学基金会的支持。