近1亿年前，地球经历了一次极端的环境破坏，海洋中的氧气被窒息，导致海洋物种灭绝水平上升，影响了整个地球。

现在，在两项互补的新研究中，西北大学领导的两个地球科学家团队报告了导致这一事件发生的年表和事件特征的新发现，被称为海洋缺氧事件2 (OAE2)，这是40多年前由已故西北大学教授西摩·施兰格(Seymour Schlanger)共同发现的。

通过研究从世界各地三个地点提取的保存完好的浮游微化石和大块沉积物，研究小组收集了直接证据，表明海洋酸化发生在事件的早期阶段，这是由于海底大规模火山复合体喷发时排放的二氧化碳造成的。

在其中一项新研究中，研究人员还提出了一种新的假设，来解释为什么海洋酸化导致了一个奇怪的温度下降现象(被称为“Plenus Cold Event”)，它短暂地中断了原本非常炎热的温室时期。

通过分析火山喷发的二氧化碳是如何影响海洋化学、生物矿化和气候的，研究人员希望更好地了解当今地球是如何应对人类活动导致的二氧化碳增加的，这可能会导致适应和减轻预期后果的解决方案。

今天(1月19日)发表在《自然地球科学》杂志上的一篇论文发表了对深海岩心的发现，其中包括澳大利亚西南部附近一个新钻探的地点。12月13日，《自然》杂志《通讯地球与环境》发表了一篇补充论文，详细介绍了古代畸形微化石的发现。

“海洋酸化和缺氧是由火山释放的大量二氧化碳造成的。”西北大学的Brad Sageman说，他是这两项研究的高级合著者。“地球历史上这些主要的二氧化碳排放事件为我们提供了地球系统如何应对大量二氧化碳输入的最好例子。这项工作对我们对气候系统的理解以及我们预测未来将发生什么的能力具有根本适用性。”

“基于钙元素的同位素分析，我们提出了一个可能的解释，即由于海洋酸化导致的生物钙化速度放缓，使得碱度在海水中积累，”西北大学的安德鲁·雅各布森说，他是这两项研究的高级合著者。“碱度的增加导致了大气中二氧化碳的减少。很有可能，这种降温是气候变暖的一个可预测但短暂的结果。我们对OAE2的研究结果为海洋碱度增强提供了地质模拟，这是缓解人为气候危机的主要策略。”

作为白垩纪气候和同位素地球化学方面的专家，萨格曼和雅各布森都是西北大学温伯格艺术与科学学院的地球和行星科学教授。这两项研究是由他们以前的博士生加布里埃拉·基奇和马修·m·琼斯领导的，他们在西北大学时发起了这项研究。

重建白垩纪条件

根据40多年的研究，OAE2是地球上发生的全球碳循环最重要的扰动之一。研究人员假设，在OAE2期间，海洋中的氧气水平下降得如此之低，以至于海洋物种灭绝的速度显著增加。为了更好地理解这一事件以及导致这一事件的条件，研究人员研究了广泛分布的露头遗址中富含有机碳和含化石的沉积岩层，以及国际海洋发现计划(IODP)(由美国国家科学基金会及其国际合作伙伴资助)获得的深海岩心。

这些地点包括意大利古比奥(意大利大陆一个著名的地区，曾经是一个深海盆地)，西部内陆航道(一个从墨西哥湾延伸到北美北冰洋的古老海床)和几个深海地点，包括一个来自澳大利亚西南部近海的东印度洋的新地点。

“研究过去地质时期海洋酸化的挑战性在于，我们没有古代海水。因此，我们必须寻找间接证据，特别是化石壳和岩化沉积物的化学变化。”——马修·琼斯(地球科学家

深海岩芯提供了古海洋部分条件的宝贵记录，这些条件在海洋钻探计划发展之前是完全未知的。在这三个岩心中，研究人员重点研究了白垩纪中期的部分，就在图伦时代和塞诺曼时代的边界之前，以便重建导致OAE2的条件。

琼斯现在是史密森学会的彼得·巴克博士后，他说:“研究过去地质时期海洋酸化的挑战性在于，我们没有古代海水。”“你很少会发现任何类似于困在岩石或矿物中的古代海水的东西。所以，我们必须寻找间接证据，特别是化石壳和岩化沉积物化学成分的变化。”

畸形的化石

在发表在《地球与环境通讯》上的这项研究中，Kitch和她的合著者专注于有孔虫化石，这是一种由碳酸钙制成的外壳的海洋单细胞生物，由意大利合作者乌尔比诺大学的Rodolfo Coccioni教授在古比奥遗址收集。

Kitch和她的合作者被Gubbio标本吸引，因为Coccioni对它们外壳的光学观察和测量显示出异常，包括一致的“矮化”模式，或整体尺寸的减小，与OAE2的发生一致。

“这些都是压力的光学信号。”Kitch说，他现在是国家海洋和大气管理局的Knauss研究员。“我们假设，这种压力可能是由海洋酸化引起的，然后影响了生物建造外壳的方式。”

为了验证这一假设，基奇分析了化石的钙同位素组成。在溶解了化石壳并用热电离质谱仪分析了它们的成分后，西北大学的研究小组观察到，畸形标本中的钙同位素比率发生了变化，这与酸化产生的应力一致。

西北大学可持续发展与能源研究所联合主任Sageman说:“这是第一篇将钙同位素证据与压力生物指标的观察结合起来的论文。”“正是这些独立的生物学和地球化学观察证实，在OAE2爆发期间，生物矿化作用受到了影响。”

“因果关系”

在《自然地球科学》杂志上发表的第二项研究中，琼斯和他的合著者专注于澳大利亚西南部近海的岩化沉积物的深海岩心，这些岩心是他和同事在2017年IODP探险期间收集的。对于这个谜题，研究人员对沉积物中有什么不太感兴趣，更感兴趣的是沉积物中明显缺乏什么。

核心包含大量石灰石，富含碳酸钙矿物，但在OAE2之前突然缺少碳酸盐。

琼斯说:“在这个时间段内，我们发现方解石是不存在的。”“这里没有碳酸盐矿物。核心的这部分明显较暗;它径直向我们扑来。

碳酸盐要么在海底溶解，要么在地表水中形成碳酸钙壳的生物较少。这是对海洋酸化事件的直接观察。”

在他与杜伦大学的戴夫·塞尔比教授合作进行的地球化学分析中，琼斯注意到碳酸盐并不是唯一显示出显著变化的成分。与OAE2的开始同时，锇同位素比率也发生了显著的变化，这表明地幔衍生的锇大量输入，这是一次重大海底火山活动的指纹。

这一观察结果与许多其他研究人员的工作是一致的，他们已经发现了OAE2之前一个大火成岩省(LIP)爆发的证据。

这些大规模的火山活动事件发生在整个地球历史上，并日益被认为是全球变化的主要因素。许多lip都是在水下，直接向海洋中注入了成吨的二氧化碳。当二氧化碳溶解到海水中，它会形成一种弱酸，可以抑制碳酸钙的形成，甚至可能溶解先前存在的碳酸盐壳和沉积物。

琼斯说:“就在OAE2开始的时候，锇同位素比率转移到非常非常低的值。”“唯一可能发生的方式是通过一个大型火成岩省的喷发。这有助于我们建立因果关系。我们可以看到火山非常活跃的证据，因为锇值崩溃了。然后，突然之间，就没有碳酸盐了。”

深入了解冥王星冷事件

虽然LIP之后的海洋酸化并不一定令人惊讶，但西北大学的研究小组确实发现了一些不寻常的东西。OAE2期间的酸性条件比古代世界其他被广泛认可的酸化事件持续的时间要长得多。琼斯认为，海水缺氧可能延长了酸化状态。

琼斯说:“在OAE2期间，消耗了水柱中下沉的浮游生物和有机物的生物也在呼吸二氧化碳，这导致了海洋酸化，这最初是由LIP火山活动排放的二氧化碳引发的。”“因此，海洋缺氧可能是海洋酸化的‘积极反馈’。这很重要，因为今天的全球海洋，除了pH值下降之外，氧含量也在下降。这表明氧气的减少可能会延长酸化，并强调这两种现象密切相关。”

在Kitch的研究中，她发现生物学在这一事件中扮演了另一个角色。全球变暖和海洋酸化不仅仅被动地影响有孔虫。这些生物在建造外壳时也会通过减少钙化率来积极应对。随着钙化的减缓，有孔虫从海水中消耗的碱性减少，这有助于缓冲海洋不断增加的酸性。这也增强了海洋吸收二氧化碳的能力，有可能引发“全面寒冷事件”。

“我们称这一阶段为‘温室期’，因为温度真的非常非常温暖。”基奇说。“然而，有证据表明，在OAE2期间相对冷却。没有人能够解释为什么会发生这种冷却。我们的研究表明，通过减少海洋中碳酸盐的产生，实际上会提高碱度，这使海洋具有吸收二氧化碳的缓冲能力。海洋突然有了吸收二氧化碳和平衡碳通量的能力。”

稳定是有代价的

但是，仅仅因为短暂的冷却中断了这个温室时期，研究人员警告说，海洋缓冲二氧化碳的自然能力并不是当前人类造成的气候变化的答案。Sageman通过将气候变化与癌症进行比较来解释这种情况。

“这就像一个病人得了癌症，癌症消失了一个月。”Sageman说。“但后来它又回来了，杀死了病人。不要以为大海会给我们降温，一切都会好起来的。有那么一段时间，它很酷。”

雅各布森补充说:“尽管地球反弹并自我修复，但海洋领域的灭绝有助于实现这一目标。”“地球有一些稳定的反馈，但它们是有代价的。”

Kitch的研究，“畸形有孔虫的钙同位素比率揭示了海洋缺氧事件2之前的生物钙化压力”，得到了美国国家科学基金会(奖励编号DGE-1842165和EAR 0723151)和大卫和露西·帕卡德基金会(奖励编号2007-31757)的支持。

琼斯的研究“白垩纪中期酸化与大规模火山活动有关”得到了美国国家科学基金会(奖号EAR 1338312)和美国科学支持计划/IODP的支持。

注：本文由院校官方新闻直译，仅供参考，不代表指南者留学态度观点。