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最新研究揭示了地球在马林诺（Marinoan）雪球地球事件结束后的海洋环境发生了剧烈的变化。来自中国科学院地球化学研究所、美国弗吉尼亚理工大学、马里兰大学、慕尼黑大学、北卡罗莱纳大学和内华达大学的国际科研团队通过对华南地区的盖帽碳酸盐岩进行锂同位素分析，为地球在雪球地球事件后海洋的“羽状分层”假说提供了直接证据。该研究成果由中国科学院地球化学研究所甘甜博士作为第一作者，慕尼黑大学田猛研究员、北卡罗莱纳大学刘晓明教授和弗吉尼亚理工大学肖书海教授（美国科学院院士）为共同通讯作者，近日发表在著名学术期刊《美国国家科学院院刊》（PNAS）上。
雪球地球与海洋的“羽状分层”：古老气候变迁的关键线索
马林诺雪球地球事件发生在新元古代（约6.45–6.35亿年前），是地球历史上最严酷的冰期之一。当时，地球表面几乎完全被冻结，海洋表层被厚厚的冰层覆盖。根据雪球地球假说，极端的冰冻气候抑制了大陆化学风化过程，减少了淡水和营养物质流入海洋。然而，当冰期在6.35亿年前结束时，大规模的大陆冰川融化，使得大量淡水注入海洋，形成了漂浮在咸水之上的淡水“羽流”。这一现象被称为“羽状分层”，它改变了海洋的盐度和化学结构，重塑了地球的气候和生态环境。锂同位素：破解古代气候与地质变迁的钥匙
锂同位素作为一种敏感的地球化学指标，能够反映地球化学风化和海洋化学循环的变化。通过研究锂同位素的空间分布，科学家可以推测出古代海洋在冰期结束后如何逐步恢复，并揭示大陆风化过程对海洋化学的影响。在这项研究中，甘甜博士和合作团队在华南多个地点采集雪球事件结束过程中沉积的白云岩样品，并对其进行锂同位素分析，揭示了从近岸到远海环境的锂同位素变化趋势（图1）。他们发现，近岸地区的锂同位素值（δ7Li）明显高于远海地区，这一趋势与现代海洋的锂同位素值变化趋势相反。研究团队结合了数值模型对冰期和冰期结束后的海洋锂同位素循环进行了模拟。模型显示，马林诺雪球地球期间，由于大陆化学风化的显著减少，海洋中河流锂的输入显著下降或关闭，而海底的反风化作用强烈，导致海洋中锂同位素值发生了明显变化。模拟结果表明，雪球地球期间的7-8百万年内海洋锂同位素值（δ7Li）可以从31‰下降至~13‰，与根据远海白云岩样品推测的数值一致。这表明，在雪球地球期间，由于河流输入的减少和海底反风化作用的增强，海水中的锂同位素逐渐演变为低值，甚至比河流的锂同位素值还要低。随着冰期结束和大陆冰川的融化，大量高锂同位素值的淡水注入海洋，很好地解释了近岸到远海环境的锂同位素降低的变化趋势，与‘羽状分层’假说所预期的结果一致。因此，这一近岸至远海的锂同位素变化趋势，不仅证实了海洋‘羽状分层’的存在，还揭示了冰期结束后海洋化学的动态演化过程。甘甜博士解释道：“我们的锂同位素数据清晰地展示了冰融淡水与海洋咸水的混合作用，这为我们理解雪球地球结束后海洋的化学组成提供了关键证据。”这项发现的深远意义
这一发现不仅支持了“羽状分层”假说，还为理解新元古代末期地球气候的快速变化及其对海洋化学循环的影响提供了新线索。甘甜博士指出：“这项研究让我们更好地理解地球在极端气候事件后如何逐步恢复，以及这些变化对全球气候和生态系统的长期影响。锂同位素作为一种强大的地质记录工具，为揭示地球早期气候系统提供了独特的视角。”此外，这项研究也为未来相关领域的研究铺平了道路。随着科学家们对地球历史上极端气候事件的了解不断加深，锂同位素可能成为探索远古气候变化、海洋化学演变及其对生物圈影响的核心工具。这篇突破性的研究不仅为全球科学界提供了重要的理论依据，还为理解地球早期的环境变化和气候恢复过程提供了重要的实践参考。
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图1. 马里诺安雪球地球事件后陡山沱组盖层白云岩的锂同位素数据及沉积环境示意图。(A) 华南沉积盆地的古地理图，展示了采样点的位置，包括樟村坪、九龙湾、五河、四都坪和大坪剖面。注：道坨数据引自Taylor et al. (2023)。(B) 陡山沱组盖层白云岩的地层柱，展示了该地层的沉积特点。(C–I) 从近岸到远海环境的锂同位素（δ7Li）数据，显示了从内陆棚到斜坡沉积环境的锂同位素值逐渐降低的趋势，支持了淡水羽流与咸水混合的“羽状分层”假说。（J–N）陡山沱组盖层白云岩的锂/（镁+钙）比值随沉积环境的变化图，展示了从近岸到远海的沉积剖面中锂元素的分布趋势，这一变化大致与锂同位素（δ7Li）的空间分布一致。该研究获得了国家科学基金（EAR-2021207 和EAR-2020593）、国家自然科学基金（U1812402）、中国博士后管理委员会（PC2022055）、国家留学基金委、弗吉尼亚理工大学Patricia Caldwell Faculty 奖学金、伯尔尼大学CSH奖学金的支持。该研究于2024年11月05日在国际顶级期刊《Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America》，简称《PNAS》，上发表。论文信息：Gan, T. （甘甜）, Tian, M.（田猛）, Wang, X-.K.（王玺凯）, Wang, S.（王世杰）, Liu, X-.M.（刘晓明）, Jiang, G.（蒋干清）, Gill, B., Nolan, M., Kaufman, A., Luo, T. （罗泰义） and Xiao, S. （肖书海）, 2024. Lithium isotope evidence for a plumeworld ocean in the aftermath of the Marinoan Snowball Earth. Proceedings of the National Academy of Sciences, 121 (46), e2407419121. 全文链接：https://doi.org/10.1073/pnas.2407419121欢迎投稿,投稿到地学之家的稿件不影响在其他任何平台的再次发布,已经在网上或其他公众号发布的也可投稿。投稿请点击"投稿指南"
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