地化所利用锂同位素和质量平衡计算揭示雪球地球后海洋的“羽状分层”

近日，由中国科学院地球化学研究所、美国弗吉尼亚理工大学、马里兰大学、慕尼黑大学、北卡罗莱纳大学和内华达大学等机构的科学家合作开展的一项新研究，使用锂同位素分析结合质量平衡模型，深入探讨了马林诺（Marinoan）雪球地球结束后约6.35亿年间海洋化学的演化过程。这项工作由地化所甘甜博士作为第一作者、王世杰研究员和罗泰义研究员为共同作者发表在《美国国家科学院院刊》（PNAS）上，提供了对古海洋锂同位素变化的新理解，支持了冰期结束后海洋的“羽状分层”假说。

马林诺雪球地球事件发生在新元古代（约6.45–6.35亿年前），是地球历史上最严酷的冰期之一。当时，地球表面几乎完全被冻结，海洋表层被厚厚的冰层覆盖。根据雪球地球假说，极端的冰冻气候抑制了大陆化学风化过程，减少了淡水和营养物质流入海洋。然而，当冰期在6.35亿年前结束时，大规模的大陆冰川融化，使得大量淡水注入海洋，形成了漂浮在咸水之上的“淡水羽”。这一现象被称为海洋的“羽状分层”，它改变了海洋的盐度和化学结构，重塑了地球的气候和生态环境。为了验证这一假说，研究团队分析了华南埃迪卡拉系陡山沱组盖帽白云岩中的锂同位素数据，覆盖从近岸到远海多个剖面的沉积相。陡山沱组盖帽白云岩沉积在雪球事件结束的关键时间，记录了雪球事件结束时的海洋化学变化。研究发现，陡山沱组盖帽白云岩在近岸地区的锂同位素值（δ⁷Li）明显高于远海地区，这一趋势与现代海洋的锂同位素值变化趋势相反。另外，陡山沱组盖帽白云岩的锂同位素数据暗示，冰期结束时海水的锂同位素值可能只有13‰，远低于现代海水的31‰。为了检验冰期过程中海水的锂同位素值能否从31‰演变到13‰，研究团队采用质量平衡模型，模拟了雪球地球期间的冰盖海洋中锂同位素的演化过程。通过调节河流输入通量、低温蚀变、以及自生粘土矿物的同位素分馏效应，研究团队模拟了雪球地球后海水中δ⁷Li值从31‰下降至约13‰的过程。

质量平衡模型显示（图2），当雪球地球期间河流输入（F_riv）接近0，并且自生粘土矿物形成的同位素分馏效应受限（Δ⁷Li_a ≈ 0‰；Δ⁷Li_LT ≈ ‒8‰）时，海水锂同位素值（δ⁷Li_SW）在约7至8百万年间可从31‰下降至约13‰。这一锂同位素演化反映了大陆风化过程在冰期期间的极度削弱以及海底强烈反风化作用对海水锂同位素的主导影响。研究还表明，随着雪球地球的终结，大陆融冰水具有更高的δ⁷Li值（类似现代河流输入的23‰），在表层冰融淡水与底层高盐海水之间形成显著的密度和锂同位素梯度，进一步支持了海洋“羽状分层”假说的成立。

本研究通过高分辨率的锂同位素分析与质量平衡模型，提供了雪球地球结束后古海洋锂同位素演化的重要证据。其结果不仅验证了海洋“羽状分层”假说，还揭示了新元古代晚期大陆风化与海底反风化的复杂相互作用。该研究进一步推动了我们对极端气候条件下古地球系统演化的理解，为未来关于古海洋化学的研究提供了关键方法论参考。

该研究获得了国家科学基金（EAR-2021207 和EAR-2020593）、国家自然科学基金（U1812402）、中国博士后管理委员会（PC2022055）、国家留学基金委、弗吉尼亚理工大学Patricia Caldwell Faculty 奖学金、伯尔尼大学CSH奖学金的支持。

该研究于2024年11月05日在国际顶级期刊《Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America》，简称《PNAS》，上发表。论文信息：Gan,T. （甘甜）,Tian,M.（田猛）,Wang,X-.K.（王玺凯）,Wang,S.（王世杰）,Liu,X-.M.（刘晓明）,Jiang,G.（蒋干清）,Gill,B.,Nolan,M.,Kaufman,A.,Luo,T. （罗泰义） and Xiao,S. （肖书海）,2024. Lithium isotope evidence for a plumeworld ocean in the aftermath of the Marinoan Snowball Earth. Proceedings of the National Academy of Sciences,121 (46),e2407419121.

全文链接：https://doi.org/10.1073/pnas.2407419121

图1. 马里诺安雪球地球事件后陡山沱组盖层白云岩的锂同位素数据及沉积环境示意图

(A) 华南沉积盆地的古地理图，展示了采样点的位置，包括樟村坪、九龙湾、五河、四都坪和大坪剖面。注：道坨数据引自Taylor et al. (2023)。(B) 陡山沱组盖层白云岩的地层柱，展示了该地层的沉积特点。(C–I) 从近岸到远海环境的锂同位素（δ⁷Li）数据，显示了从内陆棚到斜坡沉积环境的锂同位素值逐渐降低的趋势，支持了淡水羽流与咸水混合的“羽状分层”假说。（J–N）陡山沱组盖层白云岩的锂/（镁+钙）比值随沉积环境的变化图，展示了从近岸到远海的沉积剖面中锂元素的分布趋势，这一变化与锂同位素（δ⁷Li）的空间分布一致。

图2. 模型模拟的雪球地球期间海洋锂同位素（δ⁷Li）值的演变（截取自Gan et al.,2024中图2G）

该模型展示了在马里诺安雪球地球事件期间，随着河流锂输入的减少和海底反风化作用的增强，海水中锂同位素值从31‰逐渐下降至约13‰。这一过程历时约7–8百万年，为研究团队验证海洋化学在极端冰期条件下的变化提供了关键证据。

甘甜 供稿