關(guān)于碳酸鹽如何記錄全球碳循環(huán)的新想法

當科學(xué)家們想要研究地球上非常古老的地質(zhì)歷史(通常超過一億年前)時，他們常常轉(zhuǎn)向稱為碳酸鹽的巖石。

碳酸鈣是最普遍的碳酸鹽形式，是從海水中沉淀并在海底形成分層沉積物的礦物。它們通常被稱為石灰石。在碳酸鹽巖中記載了地球超過35億年的歷史。許多科學(xué)家使用它們來重建氣候變化和過去全球碳循環(huán)的歷史，也就是碳在海洋，大氣層，生物圈和固體巖石之間傳播的過程。

“您可以從碳酸鹽中學(xué)到很多東西，”艾米莉·蓋曼(Emily Geyman)說，他是普林斯頓大學(xué)2019年地球科學(xué)專業(yè)的畢業(yè)生，并且是11月8日在美國國家科學(xué)院院刊(PNAS)上發(fā)表論文的主要作者。該論文是Geyman的高級論文研究的結(jié)果，在該論文中，她研究了碳酸鹽的化學(xué)成分以及這些碳酸鹽如何記錄碳循環(huán)。

蓋曼說：“與碳酸鹽巖相比，使碳酸鹽特別有用的是，碳酸鹽是直接從海水中沉淀出來的，所以我們的想法是，我們可以測量的碳酸鹽的化學(xué)性質(zhì)會告訴我們有關(guān)古代海洋的一些事情。”

但并非所有碳酸鹽都保存在地質(zhì)記錄中。例如，深海碳酸鹽通常會被俯沖，這就是為什么科學(xué)家經(jīng)常轉(zhuǎn)向堆積在淺大陸架上的碳酸鹽的原因。然而，問題在于，科學(xué)家們?nèi)匀粚θ绾螌⒑Ｑ蠡瘜W(xué)，海洋溫度，波浪能和水深等特性轉(zhuǎn)化為淺層碳酸鹽記錄了解得還不夠。

但是現(xiàn)在，普林斯頓大學(xué)的研究人員正在努力解決這個問題。

與蓋曼(Geyman)合作撰寫論文的地球科學(xué)教授亞當·馬洛夫(Adam Maloof)說：“實際上，沒有人看過與今天形成的這些古老石灰?guī)r相當?shù)臇|西，并且理解了其翻譯。” “這就像試圖翻譯沒有Rosetta Stone的舊文本一樣。我們需要Rosetta Stone。”

研究人員不僅以創(chuàng)新的假設(shè)形式找到了他們的Rosetta Stone，而且他們的發(fā)現(xiàn)挑戰(zhàn)了有關(guān)使用碳酸鹽來重建過去的全球碳循環(huán)的傳統(tǒng)邏輯。

蓋曼說：“我們從古代碳酸鹽中進行的最常見測量之一是碳同位素組成。” “而且我們將碳同位素組成與碳循環(huán)中的全球擾動聯(lián)系起來。”

研究古代同位素(同一元素的不同形式)是了解過去地球地球碳循環(huán)變化的程度和原因的關(guān)鍵。Maloof說，這至關(guān)重要，因為碳循環(huán)充當調(diào)節(jié)地球溫度的恒溫器。了解此恒溫器的工作原理將有助于我們預(yù)測未來的氣候變化。

他們的研究將他們帶到了巴哈馬的安德羅斯島，這是一個位于大巴哈馬河岸上的幾乎完全無人居住的大島。

巴哈馬是研究地球古代地質(zhì)歷史的好地方。蓋曼說：“在地球的大部分歷史中，地球的許多表面看起來像今天的巴哈馬。”

目的是了解水的化學(xué)成分如何控制巖石的化學(xué)成分—基本上，是當代環(huán)境中碳同位素的記錄方式以及這對過去的碳循環(huán)的影響。

蓋曼說：“如果你想通過研究古老的碳酸鹽來弄清過去的海平面和海水化學(xué)是什么樣的，你必須去尋找現(xiàn)代的碳酸鹽，然后問'嗯，根據(jù)當前的海洋化學(xué)和當前的海平面?”

他們發(fā)現(xiàn)以及先前的研究表明，巴哈馬沉積物中正在發(fā)生奇怪的事情。那里形成的石灰石中的碳13似乎比漂浮在大海上的單細胞浮游生物高得多。

很大比例的古代碳酸鹽也顯示出這種異常高的碳13。如果您認為這反映了全球海洋狀況，Maloof指出：“您將無法就碳循環(huán)的重大變化做出激烈的推斷。”

相反，蓋曼(Geyman)和馬洛夫(Maloof)設(shè)計了一個假設(shè)，即所謂的“晝夜碳循環(huán)引擎”。顧名思義，該過程涉及24小時周期。白天，當陽光普照時，水生植物通過光合作用從水中吸收碳12并將其用作植物原料。由于植物優(yōu)先吸收碳12，因此水中剩余的碳富含碳13。

此過程的基本組成部分是，在光合作用的一天高峰期間，石灰石的形成速度最快，因為光合作用使水中的碳酸鈣更加飽和。晚上，光合作用讓位于有氧呼吸，植物組織中的碳固存后又回到水中。但馬洛夫說，夜間的石灰石形成“幾乎沒有記錄”，因為幾乎沒有降水。如果夜間均勻發(fā)生降水，則碳13的平均水平將是正常的，因為碳12將被引入系統(tǒng)。

研究人員斷言，只有當水足夠淺并且在巴哈馬這樣的大陸架和平臺上受到保護時，才會發(fā)生此過程。同樣的晝夜過程發(fā)生在公海中，但海浪的運動不斷混合并帶來新的水，因此碳13永遠不會升高到這種極端。

巴哈馬沉積物從海水中吸收碳酸鈣的特殊方式使使用古代石灰石記錄全球碳循環(huán)的情況變得復(fù)雜。Maloof說，不能假設(shè)過去有一個單一，統(tǒng)一的碳循環(huán)過程。

蓋曼補充說：“我們正在使用一種現(xiàn)代的類似物來研究過去，而過去是從很多方面理解未來的關(guān)鍵。”

Geyman目前正在普林斯頓大學(xué)薩克斯全球獎學(xué)金的一部分中，在挪威北極的特羅姆瑟大學(xué)攻讀冰川學(xué)碩士學(xué)位。

她在普林斯頓大學(xué)(Princeton)從事初級和高級獨立工作時，進行了巴哈馬工作。她是一位出色的年輕科學(xué)家，已經(jīng)獲得了許多獎項和榮譽。她獲得了Peter W. Stroh '51環(huán)境高級論文獎，普林斯頓工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院的Calvin Dodd MacCracken獎和1914年愛德華·桑普森獎(Edward Sampson)，以表彰他在環(huán)境地球科學(xué)方面的杰出工作。

Maloof對Geyman贊不絕口。他說：“她可以做任何事情。” “大多數(shù)時候，真正好的觀察員會從事現(xiàn)場工作……他們不是同時可以進行出色分析的計算機科學(xué)家。而她倆都是。”

艾米麗·蓋曼(Emily Geyman)和亞當·馬洛夫(Adam Maloof)于11月8日在線發(fā)表在《美國國家科學(xué)院院刊》上的論文“日間碳引擎解釋了富含13C的碳酸鹽而不增加全球氧氣的產(chǎn)量”。