成冰纪(距今6.35-7.2亿年前)是地质历史中气候变化最极端的时期,发育有两次全球性冰期事件:Sturtian冰期和Marinoan冰期。在冰期过程中,冰川波及到低纬度甚至赤道地区,全球海洋被完全冰封。两次冰期事件持续时间长达数百万年至数千万年之久,被称之为雪球地球。雪球地球的结束需要大气中CO2浓度达到10万ppm以上(现代大气CO2浓度约为400ppm)。高浓度的大气CO2产生强烈的温室效应,导致冰川迅速融化,地球进入极端炎热气候。传统的雪球地球假说认为, 雪球地球的结束与冰期后全球性分布的碳酸盐岩沉积是同时的。但是,高浓度的大气CO2会导致全球海洋酸化,抑制碳酸盐岩的沉淀。从威尼斯人到新马路因此,冰期结束后,全球碳酸盐岩的沉积需要海洋酸化的恢复。之前的相关模拟计算认为,这一恢复过程可能持续数万年,由于缺乏高分辨率地质序列证据,导致对该过程中海洋状态的认识不清楚。

  针对这一问题,北京大学地球与空间科学学院沈冰课题组联合国内外多家单位对我国华南扬子板块南沱组(Marinoan冰期沉积)顶部的黄铁矿结核(FeS2)进行了系统研究(图1)。野外地质调查发现南沱组顶部的黄铁矿结核在整个华南地区广泛分布。黄铁矿结核的大小与含量在空间上存在明显变化的规律,由深水相至浅水相逐渐降低(图2)。沈冰黄铁矿的硫同位素也存在明显变化,不同沉积相区表现出明显的差异性。该研究建立了一个新的模型,模拟黄铁矿硫同位素组成与黄铁矿的含量对黄铁矿的形成过程进行的约束。模型结果显示,南沱组顶部黄铁矿沉淀时的H2S来自于海洋硫化水体,指示Marinoan雪球地球结束时全球海洋处于缺氧硫化状态。同时,该项研究表明海洋生产力的恢复要早于盖帽碳酸盐岩沉积,进一步证实雪球地球的解体要早于盖帽碳酸盐岩沉积这一认识。

  图2 华南扬子板块南沱组研究剖面分布:(a)与相应剖面南沱组顶部黄铁矿结核含量和(b)直径变化示意图

  该研究成果是沈冰课题组在《美国科学院院报》(PNAS,Huang et al.,2016)和《前寒武研究》(Precambrian Research,Lang et al.,2016;2018)等杂志论文之后的又一篇关于雪球地球的研究文章。这一系列成果重新厘定了成冰纪雪球地球的演化、解体及其对海洋化学的响应,对重新认识极端冰期事件与古气候演化具有重要的科学意义。

  此项研究成果于8月1日发表在《自然∙通讯》(Nature Communications),沈冰研究员与路易斯安那州立大学彭永波博士为共同通讯作者,沈冰课题组博士生郎咸国为第一作者。地空学院鲍惠铭教授和博士生马浩然、物理学院刘永岗研究员、弗吉尼亚理工大学肖书海教授、中国科学院周传明研究员,以及西北大学黄康俊教授等参与了此项研究,该成果获中国科学院战略性先导科技专项(B类)和国家自然科学基金共同资助。从威尼斯人到新马路:地空学院沈冰课题组在成冰纪全球冰期事件研究中取得重要进展