【研究进展】大气氧浓度升高引发全球气候变冷?

发布者:崔岚发布时间:2024-06-18浏览次数:10

南京大学地球科学与工程学院魏广祎副教授和李高军教授近日在《Science Bulletin》期刊上发表题为“Atmospheric oxygenation as a potential trigger for climate cooling”的研究文章。该文通过模拟大气氧浓度增加对于花岗岩风化速率的促进作用,首次指出深时大气氧化可能会造成全球气候变冷乃至冰期的出现,对于深入了解地表不同环境因子反馈机制具有重要指导意义。

1. 大气氧含量对于花岗岩风华前锋带深度及风化效率的影响示意图

地质历史时期碳循环的扰动深刻影响着全球气候,其中大陆硅酸盐风化被认为是调节长时间尺度下碳循环和全球气候的重要因素,即“地质空调”。经典观点认为构造隆升驱动下的化学风化增强是造成地质历史时期全球气候变冷的最重要因素之一,如中晚新生代全球变冷 (Raymo and Ruddiman, 1992 Nature)、晚古生代大冰期 (Goddéris et al., 2017 Nature Geoscience),此外,大规模基性岩出露及风化也是引发全球变冷甚至冰期的出现的重要因素,如新元古代“雪球地球”事件 (Cox et al., 2016 EPSL; Pu et al., 2022 Science Advances)。然而作为地球大气另一重要组成部分的氧气,在地质历史时期其浓度变化对于地球气候的影响一直以来得到的关注度很低,近年来岩石有机碳和黄铁矿的氧化风化被认为是大气二氧化碳的一个重要来源,但是大气氧浓度对于硅酸盐岩石化学风化的影响却鲜有研究,地质历史时期大气阶段性增氧过程中大陆化学风化的综合响应目前还存在诸多不确定性。作者从现代风化剖面风化前锋带(即风化深度)研究入手,比较氧气浓度对于玄武岩和花岗岩风化前锋带的影响程度,认为当其它构造和气候条件(如剥蚀速率、温度、降水等)保持不变的情况下,氧气浓度的增加可以氧化岩石中黑云母等含铁矿物,造成风化剖面孔隙度增大,最终导致花岗岩风化前锋带下移(即风化深度增加)和风化效率增加。

2. 花岗岩风化效率及其二氧化碳消耗量与硅酸盐矿物溶解速率和大气氧浓度的相关关系

       通过定量模拟作者计算出了不同氧气浓度下花岗岩风化效率及消耗大气二氧化碳的相对比例变化(2),在大气氧化水平较低的背景条件下,氧气浓度的升高可以有效促进花岗岩风化效率及对二氧化碳的消耗。因此,可以认为地质历史时期大气的不断氧化增强了地表的“可风化性”(weatherability),使得在相同构造和环境条件下花岗岩风化效率显著提高,并使得地表酸性岩风化占比逐渐增加,这一观点得到了海相碎屑沉积岩Nd同位素和K/Al, Rb/Al记录的支持。作者进一步梳理和统计了地质历史时期大气增氧和气候变冷事件,发现二者在时间上具有比较明显的关联性(3),如新元古代氧化事件大气氧气的增加可以独立造成全球8℃左右的降温,在当时的古地理格局下完全可以触发全球性冰期 (“雪球地球”事件),此外,奥陶纪大气增氧和奥陶纪末冰期,石炭纪大气增氧和晚古生代大冰期等事件的发生均具有时间上的耦合性。本研究建立的大气氧浓度与硅酸盐风化效率的耦合关系从一个新的角度解释了上述事件发生的协同性。传统观点认为大陆硅酸盐风化的增强是地球表层系统氧化的一个重要原因,本研究则另辟蹊径地探讨了大气氧化对于硅酸盐风化的反馈作用,为研究地表碳循环扰动和早期地球环境和气候演化了提供了一个新的思路。

3. 地质历史时期大气增氧事件和气候变冷(冰期)事件的发生时代

       魏广祎副教授为论文第一作者,李高军教授为论文通讯作者,研究得到了国家自然科学基金的大力支持,文章写作过程中得到了南京大学季峻峰教授、美国加州大学(圣芭芭拉分校)李根博士、新西兰怀卡托大学Terry Isson博士的讨论与帮助。

论文链接:https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2095927324003402