如果将今天的地球冰盖视为蜷缩于两极的“冰帽”，那么回溯至约6–7亿年前，整个星球曾是一个连赤道地区都被冰层覆盖的“雪球”。这一著名的“雪球地球”假说自1992年由加州理工学院Joe Kirschvink教授提出，并经哈佛大学Paul Hoffman教授等人发展完善以来，已获得多种地质观察研究的支持。然而，其关键预测之一——全球海洋曾处于极端低温状态——长期以来缺少直接、定量的约束。

近日，《自然·通讯》（Nature Communications）在线发表了一项由中国科学院地质与地球物理研究所领衔的国际团队完成的研究。该研究创新性地将铁同位素发展为适用于极端低温环境的“古温度计”，通过对成冰纪铁建造的系统分析，首次获得“雪球地球”时期极端低温海洋环境的直接定量证据，揭示其存在温度低至约–15℃、盐度高达150 psu的“超级卤水池”。这一发现刷新了对地球古海洋极端低温环境的认知，为理解地球气候系统极端运行机制提供了全新视角。

一、核心发现：铁同位素异常指示极端低温

研究团队系统收集并比对了地球历史上不同时期条带状铁建造和鲕状铁岩的铁同位素（δ⁵⁶Fe）数据。结果显示，形成于成冰纪斯图特冰期（约7.17–6.6亿年前）的铁建造，其δ⁵⁶Fe值出现系统性显著偏正，中位数差值比大氧化事件之前（太古宙–古元古代）的铁建造高出约+0.94‰（图1）。

此前，铁同位素的显著分馏常被归因于氧化还原条件变化。研究通过逐一排除源区变化、异常碎屑输入等其他影响因素，发现仅凭氧化还原过程难以合理解释成冰纪铁建造所呈现的极端且系统偏正的铁同位素信号。

图1（a）地球历史时期铁建造的铁同位素值分布；（b）铁建造形成过程的铁同位素瑞利分馏模型及其雪球时期铁建造和大氧化事件前铁建造的δ⁵⁶Fe值的相对频率分布；（c）基于铁同位素分馏的温度依赖效应推算，雪球地球卤水温度可低至 –15 ± 7℃

二、关键机制：温度依赖的同位素分馏

研究重点论证了温度依赖的铁同位素分馏的关键作用。相较于氧同位素等传统稳定同位素，铁同位素分馏对温度的依赖性此前未受到充分重视，因其在自然界中的分馏幅度通常较小。然而，随着MC-ICP-MS等高精度金属稳定同位素分析技术的进步，这类微小分馏已可被准确识别。实验与理论模型均证实，在Fe(II)氧化沉淀为Fe(III)（氢）氧化物的过程中，温度越低，产生的δ⁵⁶Fe值越偏正（图1c）。

基于成冰纪铁建造相对于大氧化事件前铁建造约+0.94‰的δ⁵⁶Fe异常增幅，研究团队依据同位素分馏‑温度关系曲线推算，得出其形成卤水池的温度约为 –15 ± 7℃（图1c）。该温度低于现今南极冰缘底部卤水的记录，是迄今地球古海洋温度中最为寒冷的直接证据。

三、多指标印证：高盐度维持液态低温环境

极低温下海水仍能保持液态，需依赖高盐度作为“防冻剂”。团队利用Sr/Ba比值这一新兴的古盐度指标进行独立验证。分析发现，成冰纪铁建造的Sr/Ba比值空间分布模式与现代海洋相似，即越靠近冰川融水输入区的比值越低（图2）。其中最高Sr/Ba比值对应的盐度可达约150 psu，是现代海洋平均盐度（35 psu）的四倍以上。如此高的盐度足以使海水冰点降至约–11℃，与铁同位素推算的低温在误差范围内高度吻合。高盐度导致冰点下降的物理机制，为铁同位素揭示的极端低温提供了自洽解释，形成了温度-盐度相互印证的完整证据链。

此外，基于铁同位素的低温估算结果也与其它独立的地球化学约束相一致。例如，团簇同位素（clumped isotopes）研究显示，成冰纪冰期前后温差可达26 ± 10℃；而在冰期即将开始时低纬度地区发现的ikaite（六水碳钙石）矿物（其形成温度通常低于6℃），进一步支持冰期海洋温度可能介于–30℃至–10℃之间，印证了冰期海洋可达极低温度。

图2 雪球时期盐度指标（Sr/Ba比值）与现代海水的对比

四、沉积模型：冰架下的极端卤水池

研究进一步指出，如此极端的环境可能并不代表全球“雪球海洋”的普遍状态，而更可能形成于冰架底部的局部卤水池中。综合类比南极现代冰架下“冰泵”循环的沉积环境，团队提出了雪球地球时期冰架底部“融水-排盐”机制控制下的局域性卤水池形成模型（图3）：冰架底部的融化和再冻结过程会排出盐分，形成高盐、低温的底层卤水舌。该模型将铁建造的沉积与冰架接地线附近的氧化性冰川融水输入相联系，统一解释了极端低温高盐环境的形成机制，以及铁的来源、氧化过程和异常铁同位素信号的成因。

图3（a）雪球时期与现代南极水域温度对比；（b）成冰纪铁建造沉积与卤水形成模式

五 研究意义

这项研究首次将铁同位素体系成功应用于定量重建深时极端寒冷事件的古海洋温度，为“雪球地球”这一关键地质时期的古环境状态提供了直接、定量的温度约束。结果不仅证实了“硬雪球”假说所预测的超低温海洋环境在局部确实存在，也揭示出冰架-海洋相互作用在极端气候下可形成理化条件特殊的微环境（如低温、高盐卤水池）。这对理解全球冰封时期生命存续的潜在 “需氧避难所”具有重要意义，深化了我们对地球气候系统极端运行状态、古海洋化学过程与同位素分馏过程的认识。

研究成果发表于国际学术期刊NC（Kai Lu#，Lianjun Feng#，Ross N. Mitchell，Maxwell A. Lechte，Paul F. Hoffman. Extremely cold ocean temperatures in iron formation brine pools of snowball Earth. Nat Commun 17, 462 (2026). DOI: 10.1038/s41467-025-67155-z.）。研究受国家重点研发计划（2023YFF0803600)、国家自然基金委基础科学中心项目（42488201)、中科院先导专项（XDB0710000)、中科院地质地球所重点研究计划（IGGCAS-201905)、中科院院长国际交流访问学者项目（2021FYC0002)等的资助。该项成果同时被Nature期刊作为研究亮点（Research highlights）进行了报道（链接）。

路凯（博士后）