西北大学地质学系

追溯奥陶纪古大气CO2水平:来自钙化蓝细菌化石的证据

    大气CO2 水平对现在及地质历史时期中的气候变化有着重要的影响。在过去80万年前,CO2水平可以直接从冰心里测量。而在那之前更长的时间尺度里,大气CO2水平是通过地球化学模型估计或是通过生物化石指标(如叶片气孔密度等) 或地球化学指标评估。尽管每一种指标都有优势和限制,这些指标被广泛运用于评估过去420Myr中大气CO2水平。目前认为奥陶纪大气CO2水平与气候变化及海洋氧化密切相关,是奥陶纪生物大辐射和晚奥陶世大灭绝的主要控制因素。然而,目前已有的各种奥陶纪大气CO2地球化学模型显示出很大的差异,大气CO2的水平依然没有得到确定,而且缺乏化石和地化指标的约束。西北大学地质学系古生物教研室青年教师刘丽静与其国内合作者联合美国肯塔基州凯维尔地质顾问公司环境地球化学专家Liyuan Liang教授以及美国田纳西大学国际著名微生物碳酸盐岩专家Robert Riding教授,用蓝细菌钙化指标指示了这一关键地质历史时期大气CO2水平及变化,首次对不同的地球化学模型进行了化石指标的约束。这一研究成果近期在线发表在地学顶级期刊Earth and Planetary Science Letters 上。

蓝细菌光合作用需要二氧化碳聚集机制(carbon dioxide concentrating mechanisms, 简称CCMs),是吸收水体中的HCO3-,将转化成CO2以其供光合作用之用。这个过程会向水体中释放OH-, 在碳酸钙饱和程度高的水体中会诱导CaCO3在其胶鞘内部或表面沉淀。这个过程形成的钙化胶鞘可以保存为蓝细菌的胶鞘化石。CCMs被认为是蓝细菌在面临着低CO2水平和高O2水平的环境变化下演化出来的。实验表明CCM表达是在外部大气CO2分压低于10PAL的情况下出现,如果大气CO2水平高于10PAL,没有HCO3-的吸收与OH-的释放。因此,蓝细菌钙化可以反映出大气pCO2<10PAL。同时,虽然机制仍不太明确,大气O2增加也认为会促进CCMs的表达。因此,作者运用奥陶纪海相钙化蓝细菌胶鞘化石来指示大气CO2的变化,称之为“蓝细菌钙化指标”,将其作为反映CO2水平低于10PAL的指标。  

作者之前对塔里木盆地和鄂尔多斯盆地奥陶纪碳酸盐台地中钙化蓝细菌的系统古生物学、沉积相分布和地层分布做了详细研究。在之前的研究基础之上,本次研究通过文献调研,对全球的钙化蓝细菌化石的多样性面貌、分类位置、沉积相分布以及地层分布展开了详细的统计,通过对文献数据的核查、分析和纠正,保证了所有数据的正确性。研究发现奥陶纪钙化蓝细菌化石共19个属,为颤菌类和念珠菌类(图1和图2)。全球地层分布表明早奥陶世钙化蓝细菌化石多样性极低而且分布非常局限(微生物礁及后生动物礁中),自晚中奥陶世开始至晚奥陶世(晚达瑞威尔期至晚凯迪期),许多钙化蓝细菌化石自寒武系第二世以来再现或首次出现,全球钙化蓝细菌化石属一级的多样性经历了10倍的增加,并且伴随着在碳酸盐台地上多种沉积相(后生动物-藻类礁、微生物礁、开阔台地、潟湖和潮坪中)中广泛分布(图3)。这表明蓝细菌自早奥陶世-早中奥陶世(含中-晚寒武世)的钙化减弱期(reduced CCE)进入了晚中奥陶世-晚奥陶世的钙化强烈期(intense CCE)(图4a),其钙化的强烈增加表明蓝细菌CCM表达的广泛开启。表明大气CO2水平经历持续下降在晚达瑞威尔期、桑比期和凯迪期(460Myr-445Myr)低于10PAL 我们将这一结果与目前所有奥陶纪大气CO2O2地球化学模型估计结果比较,发现相对于GEOCLIM MAGICCOPSE模型和最新的源于GEOCARB的模型估计值与我们的化石指标更为一致 (4bd)。这可能与COPSE模型和最新的源于GEOCARB的模型更合理和全面的考虑了地球系统中影响大气CO2O2多种关键的有机和无机过程有关。该研究不仅为奥陶纪时期气候驱动的生物大辐射和大灭绝提供了新证据,而且表明钙化蓝细菌多样性变化能够更清晰的反映其钙化周期的变化,蓝细菌钙化指标应该在今后深时地球大气CO2水平研究中得到更好的研究和应用。

文章信息:Ordovician cyanobacterial calcificationA marine fossil proxy for atmospheric CO2

原文链接:https://doi.org/10.1016/j.epsl.2019.115950

 1 奥陶纪钙化颤菌类蓝细菌a), Girvanella; b), Subtifloria; c), ?Batinevia; d), Bevocastria; e), f), Xianella; g, Obruchevella; h), j), Razumovskia; i),Acuasiphonoria; k), Oscillatoriaceae gen. indet. 1; l), m), Oscillatoriaceae gen. indet. 2

2 奥陶纪钙化念珠菌类蓝细菌. a) Proaulopora; b) Phacelophyton; c) Gomphosiphon; d) Hedstroemia; e), Bija; f), Cayeuxia; g), Zonotrichites; h), Ortonella; i), Apophoretella.

 3 a) 奥陶纪钙化蓝细菌化石的出现的古大陆古地理位置; b)奥陶纪全球钙化蓝细菌化石地层和沉积相分布

 

4 奥陶纪钙化蓝细菌属一级多样性变化曲线与大气CO2地球化学模型估计值,溶解氧、海水表面温度的对比. a) 钙化蓝细菌化石属个数及蓝细菌钙化周期(CCE. b)各大气CO2地化模型估计值, 红色: GEOCARB-SULFvolc;黄色:GEOCARBSULF+GCM; 绿色:升级的GEOCARB; 蓝色:COPSE; 紫色:MAGic;棕色:GEOCLIM. c)海水表面温度估计值. d)溶解氧估计值, 红色:GEOCARB-SULFvolc;黄色:GEOCARBSULF+GCM; 绿色,升级的GEOCARB; 蓝色:COPSE; 紫色:MAGic;棕色:GEOCLIM;绿色点线:光合作用分馏效应模型。

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