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【前沿报道】Science:古新世-始新世极热事件时期海洋大规模脱氧
2018-08-21 | 作者: | 【 】【打印】【关闭

  在古新世-始新世界线附近(~55.5 Ma),地球表层系统曾发生过一次历时短暂(~15万年)、因巨量CO2注入海气系统而导致的快速增温事件,即PETM事件(McInerney and Wing, 2011)。据估算,PETM时期释放到海洋大气系统中的CO2总量同工业革命以来至21世纪末的人为排放的CO2量大致相当(Dickens et al., 1995)。因此,国际上大量学者将PETM事件视作现今人为变暖的对比实例开展研究(Zeebe and Zachos, 2013)。该事件对海洋生物产生了显著的影响,导致底栖有孔虫发生大规模灭绝(McInerney and Wing, 2011)。有学者提出底栖有孔虫发生灭绝的一个可能原因是深海缺氧,但由于缺乏可靠的指标记录,是否存在大范围的深海缺氧环境一直没有定论。

  加拿大多伦多大学地球科学系Yao et al.(2018)近期在Science发表了最新成果,他们通过对太平洋和南大西洋三个钻孔中自生重晶石矿物的硫同位素(δ34S)分析,发现PETM时期δ34S记录了一个~1‰的正偏移(图1)。由于重晶石沉淀过程中并未发生明显的同位素分馏,因此其δ34S值主要记录了海水SO42-的同位素信号。 

    

1 海洋自生重晶石矿物δ34S演化历史(Yao et al., 2018)     

  海水硫同位素的变化主要受控于细菌参与的硫酸盐还原作用:  

  

  由于微生物的参与,该反应偏向于利用海水中的32S,导致海水中溶解硫酸盐34S富集。简而言之,海水中由细菌参与的硫酸盐还原作用越强,海水的δ34S越偏正。而上述还原反应得以发生的前提是低氧环境,要求海水的O2浓度低于4 μM。也就是说,只有当海水溶解氧浓度低于一定的水平,微生物参与的硫酸盐还原作用才会大幅度加强,促使大量富32S的硫酸盐还原成H2S气体,最终导致海水硫酸盐34S富集,体现为δ34S的正偏移。据模型估算,要使海水溶解SO42-粒子δ34S发生~1‰的正偏移,缺氧海水体积至少增加一个数量级。因此,自生重晶石矿物δ34S显著的正偏移表明PETM时期中层和深层海水发生大规模的脱氧作用,同时产生大量对生物有致命效应的H2S气体。

  该研究发现解释了PETM时期海洋底栖生物灭绝的原因:中层和深层海洋大规模脱氧,导致微生物参与的硫酸盐还原作用加强,产生大量剧毒的H2S。这一认识对当前全球变暖具有警示意义:在不减排的前提下,大气CO2浓度的持续增加将诱发全球快速增温,导致深海脱氧,硫酸盐还原作用增强,产生大量H2S,威胁深海生态系统和渔业资源,并造成重大经济损失。

  相关参考文献  

  Dickens G R, O'Neil J R, Rea D K, et al. Dissociation of oceanic methane hydrate as a cause of the carbon isotope excursion at the end of the Paleocene[J]. Paleoceanography and Paleoclimatology, 1995, 10(6): 965-971.原文链接  

  McInerney F A, Wing S L. The Paleocene-Eocene Thermal Maximum: A perturbation of carbon cycle, climate, and biosphere with implications for the future[J]. Annual Review of Earth and Planetary Sciences, 2011, 39: 489-516.原文链接  

  Yao W, Paytan A, Wortmann U G. Large-scale ocean deoxygenation during the Paleocene-Eocene Thermal Maximum[J]. Science, 2018:DOI: 10.1126/science.aar8658.原文链接  

  Zeebe R E, Zachos J C. Long-term legacy of massive carbon input to the Earth system: Anthropocene versus Eocene[J]. Philosophical Transactions of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences, 2013, 3712001:DOI: 10.1098/rsta.2012.0006.原文链接

  (撰稿:陈祚伶

 
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