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编译服务: 可再生能源 编译者: pengh 编译时间: Nov 12, 2019 点击量: 169

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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