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近日，中國科學(xué)院地球化學(xué)研究所、德國慕尼黑大學(xué)、美國弗吉尼亞理工大學(xué)、美國馬里蘭大學(xué)、美國北卡羅來納大學(xué)、美國內(nèi)華達(dá)大學(xué)等的科研人員，利用鋰同位素分析結(jié)合質(zhì)量平衡模型，探討了馬林諾雪球地球事件結(jié)束后約6.35億年間海洋化學(xué)的演化過程。這一研究對古海洋鋰同位素變化提出了新理解，支持了冰期結(jié)束后海洋“羽狀分層”假說。相關(guān)研究成果發(fā)表在《美國國家科學(xué)院院刊》（PNAS）上。

馬林諾雪球地球事件發(fā)生在新元古代（約6.45億至6.35億年前），是地球歷史上最嚴(yán)酷的冰期之一。當(dāng)時，地球表面幾乎完全被凍結(jié)，海洋表層被厚厚的冰層覆蓋。根據(jù)雪球地球假說，極端的冰凍氣候抑制了大陸化學(xué)風(fēng)化過程，減少了淡水和營養(yǎng)物質(zhì)流入海洋。而當(dāng)冰期在6.35億年前結(jié)束時，大規(guī)模的大陸冰川融化，使得大量淡水注入海洋，形成漂浮在咸水之上的“淡水羽”。這一現(xiàn)象被稱為海洋的“羽狀分層”?！坝馉罘謱印备淖兞撕Ｑ蟮柠}度和化學(xué)結(jié)構(gòu)，重塑了地球的氣候和生態(tài)環(huán)境。

為了驗證這一假說，該團(tuán)隊分析了華南埃迪卡拉系陡山沱組蓋帽白云巖中的鋰同位素數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)覆蓋近岸到遠(yuǎn)海多個剖面的沉積相。陡山沱組蓋帽白云巖沉積在雪球事件結(jié)束的關(guān)鍵時間，記錄了雪球事件結(jié)束時的海洋化學(xué)變化。研究發(fā)現(xiàn)，陡山沱組蓋帽白云巖在近岸地區(qū)的鋰同位素值（δ⁷Li）高于遠(yuǎn)海地區(qū)，而這一趨勢與現(xiàn)代海洋的鋰同位素值變化趨勢相反。同時，陡山沱組蓋帽白云巖的鋰同位素數(shù)據(jù)表明，冰期結(jié)束時海水的鋰同位素值可能只有13‰，低于現(xiàn)代海水的31‰。為了檢驗冰期過程中海水的鋰同位素值能否從31‰演變到13‰，該團(tuán)隊采用質(zhì)量平衡模型模擬了雪球地球期間的冰蓋海洋中鋰同位素的演化過程。通過調(diào)節(jié)河流輸入通量、低溫蝕變以及自生粘土礦物的同位素分餾效應(yīng)，該團(tuán)隊模擬了雪球地球后海水中δ⁷Li值從31‰下降至約13‰的過程。

質(zhì)量平衡模型顯示，當(dāng)雪球地球期間河流輸入接近0且自生粘土礦物形成的同位素分餾效應(yīng)受限時，海水鋰同位素值在約7百萬至8百萬年間可從31‰下降至約13‰。這一鋰同位素演化反映了大陸風(fēng)化過程在冰期期間的極度削弱以及海底強(qiáng)烈反風(fēng)化作用對海水鋰同位素的主導(dǎo)影響。進(jìn)一步的研究顯示，隨著雪球地球的終結(jié)，大陸融冰水具有更高的δ⁷Li值，在表層冰融淡水與底層高鹽海水之間形成顯著的密度和鋰同位素梯度，支持了海洋“羽狀分層”假說。

該研究通過高分辨率的鋰同位素分析與質(zhì)量平衡模型，提供了雪球地球結(jié)束后古海洋鋰同位素演化的證據(jù)；驗證了海洋“羽狀分層”假說，揭示了新元古代晚期大陸風(fēng)化與海底反風(fēng)化的復(fù)雜的相互作用。同時，這一研究提升了科學(xué)家對極端氣候條件下古地球系統(tǒng)演化的認(rèn)知，為古海洋化學(xué)研究提供了方法論參考。

研究工作得到國家自然科學(xué)基金等的支持。

論文鏈接

馬里諾安雪球地球事件后陡山沱組蓋層白云巖的鋰同位素數(shù)據(jù)與沉積環(huán)境示意圖