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《Nuna超大陆组合与19至17亿年前剪切带中的碳循环有关》

  • 来源专题：深海资源开发
  • 编译者： 彭皓
  • 发布时间：2024-11-22

  • 在约21至18亿年前，地球经历了一个有机碳埋藏的鼎盛时期，这导致了Nuna超大陆内部富含石墨的造山带迅速扩张。然而，目前对于这些造山带中石墨碳的历史演化仍知之甚少，这直接影响了我们对这些造山带碳循环时间尺度的深入理解。现有的研究在Nuna超大陆聚合过程中碳循环的时间分辨率和精确度上存在明显不足，尤其是石墨在造山带中的生成、碳循环的具体时间窗口和规模方面，以及石墨碳在造山带中富集的生物或非生物成因、迁移和沉积机制等关键问题尚未得到明确解答。这些知识的空白限制了科学家们对全球碳循环模式的整体认识。

    耶鲁大学研究人员使用石墨-黄铁矿Re-Os 测年法来记录代表北美Nuna超大陆组合的剪切带中石墨形成的时间变化（图1）。并采用独居石U-Pb地质年代学来补充这项工作，以限制克拉通聚合过程中的进变质-退变质条件。研究结果表明，剪切带中热液石墨和黄铁矿的形成是Nuna从西北（较老）到东南（较年轻）的顺序组合中的晚期构造特征，并涉及百万吨级的石墨碳通量。该研究成果于2024年8月20日发表在《Nature Geoscience》期刊。

    本研究对Taltson-Snowbird和Trans-Hudson两个造山带进行了研究，Re-Os和U-Pb数据集显示，随着造山运动从西北到东南向原始Laurentian大陆推进，造山运动分别约发生在19.4亿至18.9亿年前和18.4亿至17.2亿年前（图3、图4）。石墨沉积主要发生在造山运动的最后阶段，大约19.2亿至16.7亿年前，通过热液作用重新迁移的生物成因碳，有机碳在这些造山带内部转化为石墨，并在剪切面上部分重新迁移和富集。这一过程表明，石墨沉积具有31±4 Myr的周期性，可能涉及在2亿年的时间间隔内，以5000万吨或更大的规模进行碳循环。对比分析显示，在造山作用的晚期阶段，流体介导的石墨沉积现象在Laurentian以及更广泛的Nuna造山带中普遍存在。这一发现揭示了石墨碳在造山旋回中的大规模迁移是一个普遍且特有的过程。


    论文信息：

    Toma J., Creaser R.A., Card C., Pana D., Dufrane A., Li L. 2024. Nuna supercontinent assembly linked to carbon cycling in shear zones 1.9-1.7 billion years ago. Nature Geoscience, 17: 1038-1045.

  • 原文来源：https://mp.weixin.qq.com/s/tkxd9OtY1KvgtMupicMjzw
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  • 《古代山脉中保存的石墨与超大陆聚合有关》
    • 来源专题：深海资源开发
    • 编译者：彭皓
    • 发布时间：2024-11-22
    • 古元古代含石墨造山带（山脉）的形成与20-18亿年前发生的全球碳埋藏事件有着内在联系。碳埋藏事件由地球大气中氧气含量的急剧增加和单细胞生命的大量繁殖所驱动，极大地改变了地球的有机碳预算。这些古老的碳沉积物在地质历史时期受到了温度和压力的影响，在造山运动中转化成了石墨。然而，流体和岩石之间的相互作用可以部分分解这些原生石墨，并以二次热液石墨的形式重新沉积。目前已知的石墨矿床中有85%保存在造山运动期间，了解这些过程的时间和速率对于揭示造山运动中的碳循环机制至关重要。 美国耶鲁大学Toma Jonathan联合加拿大阿尔伯塔大学Robert Creaser团队利用地质年代学方法，确定地质事件年龄，揭示北美古代山脉中石墨形成的时间。研究人员通过分析铼、锇、铀和铅同位素，确定石墨、黄铁矿、独居石和锆石的年龄信息；然后，利用这些年龄重建地质历史事件的时间轴，将矿物的形成时间与造山运动的阶段（早期、中期或晚期）相对应。相关研究成果于2024年9月发表于《Nature Geoscience》。 研究调查了北美两个古老造山带的石墨形成情况，即Taltson–Snowbird造山带（距今约19.4-18.9亿年）和Trans-Hudson造山带（距今约18.4-17.2亿年），这两个造山带均与Nuna超大陆聚合有关。这两个造山带中石墨测年结果表明，成矿作用主要发生在造山运动的晚期，与造山带的抬升和侵蚀相一致（图1）。这些石墨主要沉积在流体相的剪切带中（具有强烈韧性变形的区域）。石墨的稳定碳同位素特征表明，这些碳主要来自生物源（由生物体产生）。研究结果表明，在这些山脉的历史上，石墨曾多次循环，周期约为3000万年。简单的质量平衡模型表明，在一个剪切带中的循环的碳有350万吨，在100个剪切带中循环的碳量高达9000万吨。这些结论凸显了在造山作用过程中剪切带碳循环的重要性。 这项研究强调了造山过程中石墨沉积的复杂性和多期次性，以及剪切带作为流体通道在富集大量热液石墨方面的关键作用。这些研究结果表明，此类特征并非该项研究地点所独有，而是其他同期富含石墨的山脉的共同特征，为全球类似的地质环境提供了启示。同时，该研究估算了造山运动中石墨形成的时间和速率。然而，要更广泛地阐明这些系统中石墨碳的生命周期，还需要对更多的山带进行研究。例如，目前还不清楚其他造山系统中热液石墨的循环速度是否相同。同样，岩浆活动在造山过程中推动碳循环的程度也不完全清楚。岩浆活动在这一过程中是起主要作用还是次要作用尚未清晰。接下来，要对更多富含石墨的造山带进行同位素测年，包括前寒武纪（>5.4亿年前）和显生宙（<5.4亿年前）的造山带。研究人员可以通过这些信息对不同的造山带进行比较，确定大致的模式和趋势，从而进行更全面的推断。 论文信息： Toma J., Creaser R. 2024. Graphite preserved in ancient mountain belts linked to supercontinent assembly. Nature Geoscience, 17, 959–960.
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  • 《碳酸盐如何记录全球碳循环的新思路》
    • 来源专题：可再生能源
    • 编译者：pengh
    • 发布时间：2019-11-12
    • 当科学家们想要研究地球上非常古老的地质历史（通常超过一亿年前）时，他们常常转向称为碳酸盐的岩石。 碳酸钙是最普遍的碳酸盐形式，是从海水中沉淀并在海底形成分层沉积物的矿物。它们通常被称为石灰石。在碳酸盐岩中记载了地球超过35亿年的历史。许多科学家使用它们来重建气候变化和过去全球碳循环的历史，也就是碳在海洋，大气层，生物圈和固体岩石之间传播的过程。 “你可以从碳酸盐中学到很多东西，”艾米丽·盖曼（Emily Geyman）说，他是普林斯顿大学2019年地球科学专业的毕业生，并且是11月8日在美国国家科学院院刊（PNAS）上发表论文的主要作者。该论文是Geyman的高级论文研究的结果，在该论文中，她研究了碳酸盐的化学成分以及这些碳酸盐如何记录碳循环。 盖曼说：“与碳酸盐岩相比，使碳酸盐特别有用的是，碳酸盐是直接从海水中沉淀出来的，所以我们的想法是，我们可以测量的碳酸盐的化学性质会告诉我们有关古代海洋的一些事情。” 但并非所有碳酸盐都保存在地质记录中。例如，深海碳酸盐通常会被俯冲，这就是为什么科学家经常转向堆积在浅大陆架上的碳酸盐的原因。然而，问题在于，科学家们仍然对如何将海洋化学，海洋温度，波浪能和水深等特性转化为浅层碳酸盐记录了解得还不够。 但是现在，普林斯顿大学的研究人员正在努力解决这个问题。 与盖曼（Geyman）合作撰写论文的地球科学教授亚当·马洛夫（Adam Maloof）说：“实际上，没有人看过与今天形成的这些古老石灰岩相当的东西，并且理解了其翻译。” “这就像试图翻译没有Rosetta Stone的旧文本一样。我们需要Rosetta Stone。” 研究人员不仅以创新的假设形式找到了他们的Rosetta Stone，而且他们的发现挑战了有关使用碳酸盐来重建过去的全球碳循环的传统逻辑。 盖曼说：“我们从古代碳酸盐中进行的最常见测量之一是碳同位素组成。” “而且我们将碳同位素组成与碳循环中的全球扰动联系起来。” 研究古代同位素（同一元素的不同形式）是了解过去地球地球碳循环变化的程度和原因的关键。 Maloof说，这至关重要，因为碳循环充当调节地球温度的恒温器。了解此恒温器的工作原理将有助于我们预测未来的气候变化。 他们的研究将他们带到了巴哈马的安德罗斯岛，这是一个位于大巴哈马河岸上的几乎完全无人居住的大岛。 巴哈马是研究地球古代地质历史的好地方。盖曼说：“在地球的大部分历史中，地球的许多表面看起来像今天的巴哈马。” 目的是了解水的化学成分如何控制岩石的化学成分—基本上，是当代环境中碳同位素的记录方式以及这对过去的碳循环的影响。 盖曼说：“如果你想通过研究古老的碳酸盐来弄清过去的海平面和海水化学是什么样的，你必须去寻找现代的碳酸盐，然后问'嗯，根据当前的海洋化学和当前的海平面？” 他们发现以及先前的研究表明，巴哈马沉积物中正在发生奇怪的事情。那里形成的石灰石中的碳13似乎比漂浮在大海上的单细胞浮游生物高得多。 很大比例的古代碳酸盐也显示出这种异常高的碳13。如果您认为这反映了全球海洋状况，Maloof指出：“您将无法就碳循环的重大变化做出激烈的推断。” 相反，盖曼（Geyman）和马洛夫（Maloof）提出了一个假设，即所谓的“昼夜碳循环引擎”。顾名思义，该过程涉及24小时周期。白天，当阳光普照时，水生植物通过光合作用从水中吸收碳12并将其用作植物原料。由于植物优先吸收碳12，因此水中剩余的碳富含碳13。 此过程的基本组成部分是，在光合作用的一天高峰期间，石灰石的形成速度最快，因为光合作用使水中的碳酸钙更加饱和。晚上，光合作用让位于有氧呼吸，植物组织中的碳固存后又回到水中。但马洛夫说，夜间的石灰石形成“几乎没有记录”，因为几乎没有降水。如果夜间均匀发生降水，则碳13的平均水平将是正常的，因为碳12将被引入系统。 研究人员断言，只有当水足够浅并且在巴哈马这样的大陆架和平台上受到保护时，才会发生此过程。同样的昼夜过程发生在公海中，但海浪的运动不断混合并带来新的水，因此碳13永远不会升高到这种极端。 巴哈马沉积物从海水中吸收碳酸钙的特殊方式使使用古代石灰石记录全球碳循环的情况变得复杂。 Maloof说，不能假设过去有一个单一，统一的碳循环过程。 盖曼补充说：“我们正在使用一种现代的类似物来研究过去，而过去是从很多方面理解未来的关键。” Geyman目前正在普林斯顿大学萨克斯全球奖学金的一部分中，在挪威北极的特罗姆瑟大学攻读冰川学硕士学位。 她在普林斯顿大学（Princeton）从事初级和高级独立工作时，进行了巴哈马工作。 她是一位出色的年轻科学家，已经获得了许多奖项和荣誉。 她获得了Peter W. Stroh '51环境高级论文奖，普林斯顿工程与应用科学学院的Calvin Dodd MacCracken奖和1914年爱德华·桑普森奖（Edward Sampson），以表彰他在环境地球科学方面的杰出工作。 Maloof对Geyman赞不绝口。 他说：“她可以做任何事情。” “大多数时候，真正好的观察员会从事现场工作……他们不是同时可以进行出色分析的计算机科学家。而她俩都是。” 艾米丽·盖曼（Emily Geyman）和亚当·马洛夫（Adam Maloof）于11月8日在线发表在《美国国家科学院院刊》上的论文“日间碳引擎解释了富含13C的碳酸盐而不增加全球氧气的产量”。
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