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地空学院沈冰课题组在PNAS发表文章揭示6.35亿年前雪球地球结束过程中的化学风化作用
日期: 2016-12-13  信息来源: 地球与空间科学学院

北京大学地球与空间科学学院沈冰课题组运用镁同位素揭示了6.35亿年前雪球地球结束过程的化学风化作用。这一研究成果于近日在《美国国家科学院院刊》(Proceedings of the National Academy of Sciences USA)上在线发表。

在距今7.2亿到6.35亿年前的新元古代晚期,地球经历了两次全球冰期事件(Sturtian冰期和Marinoan冰期),使得地球处于一种全球冰封状态,称之为雪球地球事件。Marinoan冰期的结束(距今6.35亿年)则伴随着生物圈的一次重大变革,最终导致了寒武纪大爆发。在地质记录上,雪球地球结束时在全球范围的冰川沉积物之上整合沉积了一套盖帽碳酸盐岩,指示了由极端冰期环境向温暖气候的快速转变过程。雪球地球假说(Hoffman,1998)认为,全球冰期的结束是由于在冰期过程中火山喷出的CO2在大气中的大量累积所造成的温室效应;因此雪球地球的解体是一个迅速的过程,并伴随着强烈的化学风化作用;强烈的化学风化作用使得大量碱性物质进入海洋,并以盖帽碳酸盐岩的形式沉淀下来。因此,新元古代全球冰期结束时是否存在强烈的化学风化作用不仅是验证雪球地球假说的关键,也是揭示盖帽碳酸盐岩成因的钥匙。在我国华南地区广泛出露的南沱组地层是世界上保存最好的Marinoan冰期记录之一,其上覆盖了陡山沱组底部的盖帽碳酸盐岩,这为研究雪球地球结束过程化学风化作用提供了材料。

 
陡山沱组底部的盖帽碳酸盐岩野外照片(贵州铜仁坝黄镇)

沈冰课题组对我国贵州省东北部南沱组冰期沉积和陡山沱组底部的盖帽碳酸盐岩中所包含的陆源碎屑组分的镁同位素组成进行了分析。由于在化学风化过程中岩石中的镁会发生显著的同位素分馏,使得风化残余物中富集重的镁同位素(26Mg),而且26Mg的富集程度与化学风化强度直接相关,因此镁同位素可以用来指示地质历史时期的化学风化强度。研究表明,南沱组上部地层中出现了一次显著的镁同位素正漂移(26Mg富集),而盖帽碳酸盐岩中的镁同位素值已经显著降低。这表明在Marinoan冰期结束过程中的确伴随有强烈的化学风化作用,支持了雪球地球假说。但与雪球地球假说的预测不同,最强化学风化作用要显著早于盖帽碳酸盐岩的沉积,这说明盖帽碳酸盐岩沉积时全球冰期已经结束了。

 
南沱组冰川沉积与陡山沱组盖帽碳酸盐岩镁同位素和碳同位素组成变化特征

此项成果不仅验证了雪球地球假说所提出的,全球冰期结束时具有很高的大气CO2浓度并伴随着强烈的化学风化作用,同时也对盖帽碳酸盐岩的成因提出了新的解释。研究认为大量大气CO2在冰期结束过程中通过化学风化作用被消耗,使得海水pH逐渐升高,是导致了盖帽碳酸盐岩在全球海洋的沉积的关键。

该项研究成果以Episode of intense chemical weathering during the termination of the 635 Ma Marinoan glaciation为题于12月12日在线发表在《美国国家科学院院刊》(Proceedings of the National Academy of Sciences USA)。北京大学地空学院博士后黄康俊(现任职于西北大学)为文章的第一作者,沈冰研究员为文章通讯作者,研究生郎咸国、马浩然协助完成论文的野外和实验室工作。美国华盛顿大学Fang-Zhen Teng博士、弗吉尼亚理工大学Shuhai Xiao博士、贵州大学付勇博士以及路易斯安那州州立大学的Yongbo Peng博士参与了该项研究。该项研究工作得到国家自然科学基金、“青年千人”计划,以及中国科学院资源地层学与古地理学重点实验室的资助。

编辑:白杨


   
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