《科学通报》
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突破传统认知，探索中元古代海洋碳循环
2022-07-27 00:36:00碳循环是生命改造地球的最主要途径。海洋是地球上最大的活跃碳库，其储碳-释碳的异常波动对地球表层系统演化具有革命性影响。海洋生物的代谢活动是海洋碳库中碳固定、转移和排放的主要驱动力，并通过固碳释氧来影响地球大气圈组成和增氧宜居演化。地质历史时期海洋生物碳泵运转过程的解析对于我们深入认识地球碳循环机制，寻求未来“碳中和”手段具有重要意义。
距今18~8亿年前的沉积物有着相对稳定的δ13Ccarb记录（‒5‰~+5‰之间小幅波动），表明地球碳循环达到了一个相对平衡的状态（图1）。该时期的全球性冰期和大规模磷矿、铁锰矿床沉积缺乏，被认为代表了长期的海洋寡营养状态，由此限制了初级生产水平和光合产氧效率。部分地球化学记录（如δ53Cr分馏）曾被用于指示18~8亿年前的大气含氧量低于现代水平的0.1%~1%，无法满足好氧呼吸真核生物的生存和演化需求。这也得到了相对匮乏且种属稀少的真核生物化石记录的支持。大量研究也进一步证实，这一地球表层生态环境在约8~6亿年前发生重大变化，开启了地球系统演化的新篇章，间接支持了18~8亿年前“无聊十亿年”（Boring Billion）的模型。然而，近年来的中国中元古界研究发现，17~13亿年前发育多套富有机质页岩和沉积型铁锰矿层，并有着真核生物出现和早期分异的化石记录。多种沉积和地球化学指标也指示中元古代可能存在一次全球性增氧事件（MOE，图1），对“无聊十亿年”的经典地球系统模型提出了挑战，也对中元古代海洋碳循环过程、驱动因素和环境效应提出了新思考。
中国石油勘探开发研究院的张水昌教授团队从有机质来源、降解与富集等方面论证了中元古代海洋生物碳泵的主要地球化学过程，提出初始有机质来自以蓝细菌为主的多源生物，有机质降解有反硝化细菌、铁还原菌、硫酸盐还原菌、产甲烷菌等多种微生物参与。该文还以中元古界下马岭组为例，定量分析了受初级生产水平和水体氧化还原程度控制的微生物降解作用及降解程度，推算燕辽盆地的埋藏有机碳虽然可达6×1011吨，但更多的有机碳可能并未进入沉积物，而是在缺氧水体中形成惰性可溶碳库（RDOC），增储规模可能达1×1015~2.5×1015吨。大规模有机碳封存为中元古代增氧事件提供了新的实证，也预示着中元古界巨大的化石能源勘探潜力。
最后，该文还讨论了磷、铁供给对海洋碳循环的重要控制作用，提出中元古代海洋中的初级生产者虽然与显生宙完全不同，但碳循环仍以相当于显生宙的速度运行。较高的有机碳埋藏速率和活跃碳循环意味着因有机碳封存而向大气输入氧气的速率更大，这一结论与现在普遍认为的中元古代大气氧含量较低，且增氧缓慢的认识形成鲜明对比。矛盾的产生表明中元古代生态环境重建仍需要更精细的实例解剖和建模分析，并纳入更多可能的地质要素。
图1 40亿年以来的地质和地球化学记录
图2 中元古代海洋中的化学分带、微生物类型和碳循环过程
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