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我院沈冰課題組揭示成冰紀全球冰封事件結(jié)束時的海洋甲烷生產(chǎn)過程

日期：2021-02-15

編者按：“雪球地球?qū)W說（The Snowball Earth Scenario）”在上世紀90年代由美國科學(xué)院院士Joe Kirschvink和Paul Hoffman提出后，迅速引起科學(xué)界的關(guān)注。近年來，北京大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院沈冰研究團隊開展的一系列研究重新梳理了全球冰凍事件。2021年2月11日，該團隊報道了全球冰期結(jié)束過程中存在活躍的甲烷菌微生物代謝和甲烷生產(chǎn)活動。

恰逢地球與空間科學(xué)學(xué)院成立20周年之際，本報道為院慶20周年系列成果展示之一。

成冰紀時期，地球上發(fā)生了兩次全球冰期事件：Sturtian冰期（7.17 – 6.59億年前）與Marinoan冰期（6.5 – 6.35億年前）。全球冰期的地質(zhì)記錄—冰磧巖地層，在全球廣泛分布，表明當(dāng)時的海冰已覆蓋到了低緯度地區(qū)甚至赤道區(qū)域，呈現(xiàn)出全球冰封狀態(tài)，稱之為“雪球地球事件”。全球冰封的解封需要極強的溫室條件。數(shù)值計算結(jié)果認為雪球地球的結(jié)束需要大氣CO2濃度達到10萬ppm以上，即工業(yè)革命前數(shù)值的350倍以上。冰川表面的灰塵積累以及大氣中其他溫室氣體（例如甲烷）的積累可以降低全球冰封解封的CO2閾值。前人研究發(fā)現(xiàn)雪球地球融化時存在甲烷的釋放，但是對于這些甲烷的來源缺乏有效的示蹤，產(chǎn)生過程和機理尚不清楚。

針對這一問題，北京大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院沈冰課題組與國內(nèi)多家單位合作，對我國華南地區(qū)南沱組（Marinoan冰期沉積）頂部的黃鐵礦結(jié)核進行了系統(tǒng)Ni同位素和稀土元素地球化學(xué)研究。結(jié)果顯示，黃鐵礦的Ni同位素與Ni含量、中稀土同重稀土比值與Ni含量之間存在負相關(guān)關(guān)系。考慮到甲烷菌活動優(yōu)先吸收輕Ni同位素和重稀土組分，該研究結(jié)果表明黃鐵礦的Ni同位素和稀土組分記錄了甲烷菌與海水的混合過程，指示了在全球冰封結(jié)束時深海及海底的存在大量甲烷的生產(chǎn)過程（圖1）。

圖1雪球地球冰期結(jié)束時海洋生物地球化學(xué)循環(huán)過程

成冰紀雪球地球事件解體之后甲烷，真核生物迅速演化，開啟了構(gòu)建現(xiàn)代地球復(fù)雜生物圈的序幕，該研究為深入理解全球冰封的結(jié)束過程及之后海洋生態(tài)演化奠定了基礎(chǔ)。另外甲烷，該研究原創(chuàng)了Ni同位素和稀土組分體系示蹤甲烷菌活動的新手段甲烷柴油報警器，為今后了解古代海洋甲烷菌活動和海洋生物地球化學(xué)循環(huán)提供了一個新的思路和新的工具。

沈冰課題組長期從事新元古代全球冰期事件研究，該研究成果是繼課題組在《美國科學(xué)院院報》（PNAS，Huang et al.，2016）、《自然?通訊》（Nature Communications，Lang et al., 2019）等論文后，又一篇關(guān)于全球冰封結(jié)束過程的研究文章。該系列工作為深入理解成冰紀全球冰封事件后地球氣候、環(huán)境、生物演化過程具有重要的科學(xué)意義。

該成果于2021年2月11日發(fā)表于《自然?通訊》（Nature Communications）雜志上。沈冰研究員與中國地質(zhì)大學(xué)（北京）的朱建明教授、成都理工大學(xué)的郎咸國教授為本文的共同通訊作者氧氣檢測儀，地空學(xué)院本科生趙洲嶠（現(xiàn)為北京大學(xué)物理學(xué)院在讀博士生）為本文第一作者。中國地質(zhì)大學(xué)（北京）博士生吳廣亮、中國科學(xué)院地球化學(xué)研究所博士生譚德燦、中國地質(zhì)科學(xué)院博士生裴浩翔、地空學(xué)院博士生黃天正、甯濛、馬浩然為本文共同作者。該成果獲中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項（B類）和國家自然科學(xué)基金共同資助。

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