上海海洋大学学者创建了量化古代和现代海洋自生碳酸盐形成量的新方法
发布时间：2023-10-07
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近日, 上海海洋大学海洋科学学院冷泉与天然气水合物研究团队联合广州海洋地质调查局等单位在海底大陆边缘碳循环研究方面取得了重要进展。研究基于南海北部陆坡，在区域尺度上观察到的海底碳酸盐沉淀速率和硫酸盐通量间良好的线性关系，提出了这种碳、硫耦合关系作为量化海底自生碳酸盐形成量的新方法。相关研究成果以胡钰副教授为第一作者，罗敏和冯东教授为共同通讯作者，发表在Nature Index 期刊《Geophysical Research Letters》上。
海洋沉积物硫酸盐还原过程形成的自生碳酸盐在全球碳循环中发挥了重要作用，尤其是在过去缺氧硫化时期（Schrag et al., 2013, Science; Wang et al., 2023, Nature），但其形成量的估算一直以来缺乏有效的方法。另一方面，现代海底硫酸盐还原过程形成的自生碳酸盐构成了自生碳酸盐岩形成的主要部分，并且主要集中在大陆边缘，但对其形成量的估算也存在很大不确定性。
针对上述科学问题，研究团队开展了南海北部陆坡百余个站位（图1）沉积物孔隙水硫酸盐、钙镁离子、碱度等参数分析，发现自生碳酸盐沉淀速率和硫酸盐通量间存在着良好的线性关系（图2b），利用这种碳、硫耦合的定量关系，结合前期根据这些站位获得的区域总硫酸盐通量和总的溶解无机碳（DIC）通量（Hu et al., 2022, 2023），确定了南海北部海底自生碳酸盐形成量和效率，通过外推获得了全球硫酸盐还原参与形成自生碳酸盐的量。
图1. 研究区域和站位分布图
图2. 相关扩散通量和硫酸盐(SO42-)扩散通量的关系图。AC代表形成的自生碳酸盐，其形成速率为钙（Ca2+）和镁离子（Mg2+）通量之和。DIC为溶解无机碳
结果显示南海北部由海底浅层深部来源甲烷和硫酸盐消耗共产生了5.49 ×10-3 Tmol a-1的DIC，其中约22%DIC在沉积物中形成了自生碳酸盐(代表了形成效率)，剩余78%排放进入了海洋。外推到全球的结果显示海底硫酸盐还原参与形成的自生碳酸盐的量每年可达2.2–2.3 Tmol。
图3. 南海北部海底碳和硫循环过程和自生碳酸盐形成效率。南海北部自生碳酸盐形成效率在22%左右。AOM:甲烷厌氧氧化作用;OSR:有机质硫酸盐还原;DIC:溶解无机碳
上述研究揭示的碳、硫耦合的定量关系首次从现代海洋研究视角证实了古代海洋缺氧时期自生碳酸盐形成量增强的观点。这种碳、硫耦合的定量关系不仅能用于估算现代海洋中硫酸盐还原参与形成的自生碳酸盐形成量，而且有望结合古代硫同位素限定的海洋硫酸盐库演化情况、用于量化古代海洋中形成的自生碳酸盐形成量，定量揭示其中在地质历史时期碳循环和气候演变中的重要作用。
上述研究受到国家自然科学基金和上海市浦江人才计划项目等项目的资助。
相关论文信息：
Hu, Y., Luo, M., Peckmann, J., Zhang, X., Chen, L., Feng, J., Liang, Q., Chen, D., Feng, D. (2023). Quantifying the extent of authigeinc carbonate formation is shallow marine sediments through a correlation between carbonate precipitation rate and sulfate flux. Geophysical Research Letters, 50, e2023GL104296. https://doi.org/10.1029/2023GL104296
Hu, Y., Feng, D., Peckmann, J., Zhang X., Chen, L., Feng, J., Wang, H., Chen, D. The crucial role of deep-sourced methane in maintaining the subseafloor sulfate budget. Geoscience Frontiers, 2023, https://doi.org/10.1016/j.gsf.2022.101530
Hu, Y., Zhang, X., Feng, D., Peckmann, J., Feng, J., Wang, H., Yang, S., Chen, D., 2022. Enhanced sulfate consumption fueled by deep-sourced methane in a hydrate-bearing area. Science Bulletin 67, 122-124. https://doi.org/10.1016/j.scib.2021.09.006
(供稿：海洋科学学院)