《海底的“傻瓜金”同位素储存了当地记录》

• 来源专题：关键矿产
• 编译者： 欧冬智
• 发布时间：2024-04-15

有机碎屑慢慢沉降到海底，被微生物消耗掉。最初，一些微生物利用分子氧氧化这些有机物，就像人类进行有氧呼吸一样。一旦氧气耗尽，剩余的大部分有机物就会被其他微生物在无氧呼吸过程中消耗掉，这一过程被称为“微生物硫酸盐还原”。在这个过程中，有机物被硫酸盐氧化，硫酸盐是海水中第五大离子。硫酸盐被还原为硫化物，一种具有臭鸡蛋独特气味的小分子。但在铁的存在下，硫化物会被隔离成一种更有吸引力（而且气味更小）的状态：硫化铁矿物黄铁矿，也被称为“愚人金”，因为它外观金黄，市场价值相对较低。

并非所有闪闪发光的东西都是金子，但黄铁矿还有另一个宝贵的用途：它记录了其形成时的海洋环境条件和过程。具体来说，地球化学家利用黄铁矿中硫的同位素组成（质量略有差异的硫原子的相对丰度）来重建古老的硫循环和海底的微生物活动。由于硫的自然循环与有机物的降解和氧气的消耗密切相关，因此硫循环的这种重建被认为有助于了解地质碳和氧循环以及海洋和大气随时间变化的氧化状态。

但事实证明，真相并没有那么明亮。黄铁矿硫同位素的变化可能并不代表使它们成为如此受欢迎的分析和解释目标的过程。在今天发表在《科学》杂志上的一对配套论文中，魏茨曼科学研究所地球与行星科学系的 Itay Halevy 教授和同事表明，黄铁矿硫同位素并不代表全球硫循环，而是主要对局部过程作出反应。该团队通过开发和探索海洋沉积物的计算机模型发现了这一点，该模型包含了分解有机物并将硫酸盐转化为硫化物的微生物的数学表示，以及将硫化物捕获在黄铁矿中的过程。“我们发现黄铁矿同位素组成的变化主要取决于黄铁矿形成的沉积环境，”Halevy 说。

Halevy 的模型表明，一系列表征沉积环境的参数会影响硫酸盐和硫化物消耗与补给之间的平衡，而这种平衡是黄铁矿硫同位素组成的主要决定因素。“沉积物在海底的沉积速度、沉积物中有机物的比例、活性铁粒子的比例、沉积物沉降到海底时的填充密度——所有这些特性都会以我们现在可以理解的方式影响黄铁矿的同位素组成，”他说。“而且重要的是，沉积环境的这些特性与全球硫循环、全球海洋的氧化状态或我们传统上使用黄铁矿硫同位素重建的任何其他特性都没有密切联系。”

那么，黄铁矿硫同位素有什么用处呢？在华盛顿大学圣路易斯分校同事领导的配套论文中，研究人员证明，在单个黄铁矿颗粒水平上进行硫同位素分析，而不是在整个沉积物样本中的平均（或整体）同位素组成，可以提供有关古代沉积环境及其微生物活动的宝贵见解。该团队使用一种称为二次离子质谱 (SIMS) 的尖端分析技术进行了这项分析。他们能够证明，通过考虑颗粒水平分布而不是整体分布，可以区分沉积环境的物理特性（例如沉积速率和孔隙度）与海底微生物活动的作用。“我们相信，通过将微尺度同位素分析与互补的地球化学数据和显微镜图像相结合，可以梳理出对黄铁矿硫同位素组成的各种影响，”配套论文的主要作者 Roger Bryant 博士说。有了 Halevy 开发的理论框架，就可以对这些影响提供定量约束。Halevy 总结道：“这些研究共同打开了利用黄铁矿硫同位素了解当地沉积参数和海水化学以及它们在空间和时间上的变化方式的大门。”