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海洋碳酸盐工厂的演化

自然（2023）引用本文

主题

摘要

碳酸钙的形成是碳从海洋-大气系统返回固体地球的主要途径1，2．碳酸盐矿物的沉淀对海水中溶解的无机碳的去除在形成海洋生物地球化学循环中起着至关重要的作用1，2．由于缺乏经验约束，对于海洋碳酸盐工厂如何随时间变化的观点存在广泛分歧3.，4，5．在这里，我们利用稳定锶同位素的地球化学见解，为海洋碳酸盐工厂和碳酸盐矿物饱和状态的演化提供了新的视角。尽管人们普遍认为，在地球历史的大部分时间里，海洋表层和浅层海底环境中的碳酸盐是主要的碳酸盐汇6，我们认为，自生碳酸盐的孔隙水生成等替代过程可能代表了整个前寒武纪的主要碳酸盐汇。我们的结果还表明，骨骼碳酸盐工厂的兴起降低了海水碳酸盐饱和状态。

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图1:海洋碳酸盐中的锶同位素记录贯穿地球历史。
图2 δ的密度图88/86Sr记录不同的时间间隔。
图3:浅海(台地、斜坡和礁)碳酸盐埋藏汇与推测的同位素枯竭汇之间海水饱和状态和可变分配对碳酸盐Sr同位素分馏影响的质量平衡。
图4:保存沉积岩中碳酸盐相对丰度随时间变化。

数据可用性

所有数据均可在正文或补充信息．所有资料亦储存于EarthChem (https://doi.org/10.26022/IEDA/112713）.

代码的可用性

我们使用开源语言R(4.1.1版本)对测量数据进行分析，分析EarthChem (http://portal.earthchem.org/)及Macrostrat (https://macrostrat.org/#api)数据集，并生成所有图表。质量平衡模型的所有方程都列在补充信息和所有相关的代码存放在GitHub (https://github.com/julianwangnwu/carbonatefactoryevolution）.

参考文献

  1. 李志伟，李志伟，李志伟。全球碳酸盐岩循环在地球系统调节和演化中的作用。地球的星球。科学。列托人。234， 299-315(2005)。

    文章广告中科院谷歌学者

  2. Isson, t.t.等人。全球碳循环演化与地球气候调节。全球Biogeochem。周期34， 1-28(2020)。

    文章谷歌学者

  3. 王志强，王志强，王志强。碳酸盐岩显生宙旋回研究。点。j .科学。289， 525-548(1989)。

    文章广告中科院谷歌学者

  4. 海洋化学调节的中中生代革命。3月青烟。217， 339-357(2005)。

    文章广告中科院谷歌学者

  5. 希金斯，J. A.，费舍尔，W. W. & Schrag, D. P.海洋和沉积物的氧化作用:对海底碳酸盐工厂的影响。地球的星球。科学。列托人。284， 25-33(2009)。

    文章广告中科院谷歌学者

  6. 詹姆斯，N. P. &琼斯，B。碳酸盐岩沉积岩的起源(威利,2015)。

  7. 热带、冷水和泥丘碳酸盐系统的沉积速率和生长潜力。青烟。Soc。出版规范。178， 217-227(2000)。

    文章广告谷歌学者

  8. 施拉格，D. P.，希金斯，J. A.，麦克唐纳，F. A. &约翰斯顿，D. T.自生碳酸盐与全球碳循环的历史。科学339， 540-543(2013)。

    文章广告中科院PubMed谷歌学者

  9. 吉尔伯特，P.伯格曼，K.和Knoll, A. H.生物矿化:整合机制和进化史。科学。睡觉。8， eabl9653(2021)。

    文章谷歌学者

  10. 格罗青格，j·p·詹姆斯，n·p·in演化前寒武纪的碳酸盐岩沉积与成岩作用3-20 (SEPM沉积地质学会，2000)。

  11. Cantine, m.d.， Knol, a.h. & Bergmann, k.d.碳酸盐岩之前的骨架:数据库方法。Earth-Sci。牧师。201， 103065(2020)。

    文章中科院谷歌学者

  12. 西蒙森，B. M.，舒贝尔，K. A. & Hassler, S. W.西澳大利亚早前寒武纪哈默斯利群碳酸盐岩沉积学。前寒武纪Res。60， 287-335(1993)。

    文章广告谷歌学者

  13. 李志刚，李志刚。元古代叠层石衰落的地球化学模型。点。j .科学。290， 80-103(1990)。

    谷歌学者

  14. Vollstaedt, H.等人。显生界δ88/86海水Sr记录:过去海洋碳酸盐通量变化的新约束。Geochim。Cosmochim。学报128， 249-265(2014)。

    文章广告中科院谷歌学者

  15. 王杰，Jacobson, a.d.， Sageman, b.b. & Hurtgen, m.t.稳定的Ca和Sr同位素支持火山引发的海洋缺氧事件1a生物钙化危机。地质49， 515-519(2021)。

    文章广告中科院谷歌学者

  16. Paytan, A.等。3500万年的海水稳定锶同位素记录揭示了全球碳循环的波动。科学371， 1346-1350(2021)。

    文章广告中科院PubMed谷歌学者

  17. Böhm, F.等。浮游有孔虫和无机方解石的锶同位素分馏。Geochim。Cosmochim。学报93， 300-314(2012)。

    文章广告谷歌学者

  18. AlKhatib, M. & Eisenhauer, a .水溶液中钙和锶同位素分馏对温度和反应速率的影响;一、方解石。Geochim。Cosmochim。学报209， 296-319(2017)。

    文章广告中科院谷歌学者

  19. Müller, M. N.， Krabbenhöft, A.， Vollstaedt, H.， Brandini, F. P. & Eisenhauer, A.球石石方解石中锶稳定同位素分馏:温度和碳酸盐化学的影响。地球生物学16， 297-306(2018)。

    文章PubMed谷歌学者

  20. 史蒂文森，e.i.等人。同石藻中稳定锶同位素分馏的控制与海洋Sr循环的意义。Geochim。Cosmochim。学报128， 225-235(2014)。

    文章广告中科院谷歌学者

  21. Kalderon-Asael, B.等。从锂同位素角度看碳和硅循环的演化。自然595， 394-398(2021)。

    文章广告中科院PubMed谷歌学者

  22. 李志强，李志强。锶同位素和微量元素地球化学在碳酸盐岩成岩作用研究中的应用。沉积学42， 805-824(1995)。

    文章广告中科院谷歌学者

  23. 谢晓东，谢晓东，张晓东。前寒武纪海相碳酸盐同位素数据库:1.1版。Geochem。地球物理学。Geosyst。3, 10.1029/2001gc000266(2002)。

  24. 王，J.等。耦合的δ44/40Ca,δ88/86老,87Sr /86二叠纪末大灭绝事件的Sr地球化学。Geochim。Cosmochim。学报262， 143-165(2019)。

    文章广告中科院谷歌学者

  25. 王杰，雅各布森，A. D.， Sageman, B. B. & Hurtgen, m.t. δ44/40Ca -δ88/86Sr多重代理约束了马里诺系盖层碳酸盐岩的原生成因。预印在https://arxiv.org/abs/2204.02563(2022)。

  26. Kump, L.， Bralower, T. & Ridgwell, A.深海时间的海洋酸化。海洋学22， 94-107(2009)。

    文章谷歌学者

  27. 莫尼尔，F.，阿格拉尼尔，A.，赫兹尔，D. C.和布维耶，A. Sr地球、月球、火星、灶神星和陨石的稳定同位素组成。地球的星球。科学。列托人。300， 359-366(2010)。

    文章广告中科院谷歌学者

  28. Dupraz, C.等人。现代微生物席中的碳酸盐沉淀过程。Earth-Sci。牧师。96， 141-162(2009)。

    文章广告中科院谷歌学者

  29. Dunne, J. P.， Sarmiento, J. L. & Gnanadesikan, A.全球粒子从海洋表面输出并在海洋内部和海底循环的综合。全球Biogeochem。周期21， gb4006(2007)。

    文章广告谷歌学者

  30. 赖特，V. P.和Cherns, L.不遗余力:增加生物多样性和奥陶纪早期成岩作用之间的反馈。j .青烟。Soc。173， 241-244(2016)。

    文章广告中科院谷歌学者

  31. 自生碳酸盐在新元古代碳同位素偏移中的作用。地球的星球。科学。列托人。549， 116534(2020)。

    文章中科院谷歌学者

  32. Blättler, C. L. & Higgins, J. A.使用沉积碳酸盐的钙同位素组成测试Urey的碳酸盐-硅酸盐循环。地球的星球。科学。列托人。479， 241-251(2017)。

    文章广告谷歌学者

  33. 韦纳，S.和德芙，P. M.生物矿化过程的概述和生命效应的问题。启的矿物质。Geochem。54， 1-29(2003)。

    文章中科院谷歌学者

  34. 罗诺夫，卡恩，巴卢霍夫斯基，谢拉文斯基。显生宙沉积定量分析。沉积物。青烟。25， 311-325(1980)。

    文章广告谷歌学者

  35. Krissansen-Totton, J.， Buick, R. & Catling, D. C.太古宙到显生宙碳同位素记录的统计分析及其对氧气上升的影响。点。j .科学。315， 275-316(2015)。

    文章广告中科院谷歌学者

  36. 刘超，王卓，刘涛。南澳大利亚州Nuccaleena组马里诺系盖白云岩成因的地球化学约束。化学。青烟。351， 95-104(2013)。

    文章广告中科院谷歌学者

  37. 王俊杰，王俊杰，王俊杰，王俊杰，王俊杰。高精密锶同位素分析的影响因素研究(87Sr /86Sr和δ88/86Sr)的MC-ICP-MS。预印在https://arxiv.org/abs/2111.02942(2021)。

  38. Ohno, T. & Hirata, T.用多收集器- icp -质谱同时测定地球化学样品中锶的质量依赖同位素分馏和放射性成因同位素变化。分析的科学。23， 1275-1280(2007)。

    文章中科院PubMed谷歌学者

  39. 马，J. L.等。精确测量稳定(δ88/86Sr)和放射成因(87Sr /86利用MC-ICP-MS研究地质标准参比物质中的锶同位素比值。下巴。科学。公牛。58， 3111-3118(2013)。

    文章中科院谷歌学者

  40. 安德鲁斯，M. G.，雅各布森，A. D.，列恩，G. O.，霍顿，T. W.和克劳，D.放射性成因和稳定Sr同位素比率(87Sr /86Sr,δ88/86Sr)在新西兰峡湾米尔福德海湾地区作为河流阳离子源和生物地球化学循环的示踪剂。Geochim。Cosmochim。学报173， 284-303(2016)。

    文章广告中科院谷歌学者

  41. 马谢尔，H. G. in地球科学中的阴极发光271-301(施普林格，2000)。

  42. 巴瑟斯特，r.g.c.。碳酸盐岩沉积物及其成岩作用(爱思唯尔,1972)。

  43. 张志强，张志强，张志强，等。碳酸盐岩化学成岩作用研究;1、微量元素。j .沉积物。Res。50， 1219-1236(1980)。

    中科院谷歌学者

  44. 安德森，t.f. &亚瑟，文学硕士沉积地质中的稳定同位素(阿瑟，M. A.，安德森，T. F.，卡普兰，i.r.，维泽，J. &兰德，L. S.) (SEPM沉积地质学会，1983)。

  45. Richter, F. M. & DePaolo, D. J.利用DSDP 590B和575数据研究海水成岩作用和Sr同位素演化。地球的星球。科学。列托人。90， 382-394(1988)。

    文章广告中科院谷歌学者

  46. 李福明，梁勇。深海碳酸盐岩Sr成岩作用速率及其后果。地球的星球。科学。列托人。117， 553-565(1993)。

    文章广告中科院谷歌学者

  47. 霍兰，H.，霍兰，H. &穆尼奥斯，J.阳离子与碳酸钙共沉淀3.——。Sr的共沉淀+ 2方解石在90°到100°C之间。Geochim。Cosmochim。学报28， 1287-1301(1964)。

    文章广告中科院谷歌学者

  48. Katz, A.， Sass, E.， Starinsky, A. & Holland, H. D.锶在文石-方解石转化中的行为:40-98°C的实验研究。Geochim。Cosmochim。学报36， 481-496(1972)。

    文章广告中科院谷歌学者

  49. 金斯曼，D. J. J. &霍兰德，H. D.阳离子与碳酸钙的共沉淀3.第四。Sr的共沉淀2 +在16°到96°C之间。Geochim。Cosmochim。学报33， 1-17(1969)。

    文章广告中科院谷歌学者

  50. Derry, L. A.， Kaufman, A. J. & Jacobsen, S. B.晚元古代沉积旋回和环境变化:来自稳定和放射性同位素的证据。Geochim。Cosmochim。学报56， 1317-1329(1992)。

    文章广告中科院谷歌学者

  51. Cruse, A. M. & Lyons, T. W.宾夕法尼亚(上石炭统)黑色页岩区域古环境变异的微量金属记录。化学。青烟。206， 319-345(2004)。

    文章广告中科院谷歌学者

  52. Sageman, b.b.等人。页岩的故事:生产、分解和稀释在富有机质地层积累中的相对作用，阿巴拉契亚盆地中上泥盆统。化学。青烟。195， 229-273(2003)。

    文章广告中科院谷歌学者

  53. 派珀，D. Z. &卡尔弗特，S. E.黑页岩沉积的海洋生物地球化学视角。Earth-Sci。牧师。95， 63-96(2009)。

    文章广告中科院谷歌学者

  54. 班纳，J. L. & Hanson, G. N.水-岩相互作用过程中同步同位素和微量元素变化的计算及其在碳酸盐岩成岩作用中的应用。Geochim。Cosmochim。学报54， 3123-3137(1990)。

    文章广告中科院谷歌学者

  55. Baker, p.a.， Gieskes, J. M. & Elderfield, H.深海沉积物碳酸盐岩成岩作用;Sr/Ca比值和间质溶解Sr的证据2 +数据。j .沉积物。Res。52， 71-82(1982)。

    中科院谷歌学者

  56. Chaudhuri, S. & Clauer, N.沉积盆地地层水的锶同位素组成和钾、铷含量:溶质起源的线索。Geochim。Cosmochim。学报57， 429-437(1993)。

    文章广告中科院谷歌学者

  57. 斯图伯，A. M.，普什卡尔，P. &赫瑟林顿，E. A.阿肯色州南部斯马科弗盐水和相关固体的锶同位素研究。Geochim。Cosmochim。学报48， 1637-1649(1984)。

    文章广告中科院谷歌学者

  58. 麦克纳特，R. H.，弗莱普，S. K.，弗里茨，P.，琼斯，M. G. &麦克唐纳，i.m.87Sr /86加拿大盾构卤水和断裂矿物的Sr值及其在地下水混合、断裂历史和地质年代学中的应用。Geochim。Cosmochim。学报54， 205-215(1990)。

    文章广告中科院谷歌学者

  59. 麦克纳特，R. H.， Frape, S. K. & Fritz, P.加拿大前寒武纪地盾中一些盐水的锶同位素组成。化学。青烟。46， 205-215(1984)。

    文章广告谷歌学者

  60. 威尔考克斯，J.吉尔伯特，P. U. P. A. & Bergmann, K. D.埃迪卡拉纪白云岩的纳米级晶体结构。预印在ESS开放档案https://doi.org/10.1002/essoar.10507750.1(2021)。

  61. 大野，T.，小宫，T.，上野，Y.，平田，T. &丸山，S.88Sr /86Sr质量依赖同位素分馏和放射性成因同位素变化87Sr /86新元古代陡山沱组中的Sr。冈瓦那大陆Res。14， 126-133(2008)。

    文章广告中科院谷歌学者

  62. Sawaki, Y.等人。三峡地区前寒武系-寒武纪界线上Sr同位素的偏移冈瓦那大陆Res。14， 134-147(2008)。

    文章广告中科院谷歌学者

  63. 皮尔斯，c.r.等。重新评估稳定(δ88/86Sr)和放射成因(87Sr /86Sr)海洋输入物锶同位素组成。Geochim。Cosmochim。学报157， 125-146(2015)。

    文章广告中科院谷歌学者

  64. 麦克阿瑟，J. M.豪沃思，R. J. & Shields, G. A. in地质时间尺度(葛拉斯坦，F. M.， Ogg, J. G.，施密茨，M. & Ogg, gm .) 127-144(爱思唯尔，2012)。

下载参考

确认

我们感谢S. Nicolescu、B. Kalderon-Asael和Y. Wang为访问耶鲁大学皮博迪博物馆和伍兹霍尔海洋研究所的藏品提供便利，并在样本选择方面提供帮助;D. Asael协助MC-ICP-MS方法开发;R. P. Reid和E. P. Suosaari获得哈默林池叠层石样品;S. Ye协助Macrostrat数据库;以及D. Schrag、M. Arthur、K. Bergmann、Z. Zhang和Y. Cui的有益讨论。本研究由Agouron地球生物学博士后奖学金J.W.和国家航空航天局天体生物学研究跨学科联盟资助(NNA15BB03A) N.J.P.支持

作者信息

作者及隶属关系

  1. 耶鲁大学地球与行星科学系，美国康涅狄格州纽黑文

    王九元，利佳·g·塔汉，诺亚·j·普拉纳夫斯基

  2. 西北大学地球与行星科学系，美国伊利诺伊州埃文斯顿

    安德鲁·d·雅各布森

  3. 迈阿密大学Rosenstiel海洋、大气和地球科学学院，美国佛罗里达州迈阿密

    阿曼达·m·厄勒特

作者
  1. Jiuyuan王
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  2. Lidya G. Tarhan
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  3. 安德鲁·d·雅各布森
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  4. 阿曼达·m·厄勒特
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  5. 诺亚·j·普拉纳夫斯基
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贡献

j.w.， L.G.T.和N.J.P.构思了这项研究并获得了资金。j.w.， l.g.t.， A.D.J.和N.J.P.开发了这个方法。J.W.进行了质谱分析。J.W.和L.G.T.进行了统计分析。J.W.和L.G.T.撰写了这篇论文，a.d.j.、A.M.O.和N.J.P.都参与了研究结果的解释和手稿的编辑。

相应的作者

对应到Jiuyuan王或Lidya G. Tarhan．

道德声明

相互竞争的利益

作者声明没有利益竞争。

同行评审

同行评审信息

自然感谢Adina Paytan和其他匿名审稿人对这项工作的同行评审所做的贡献。

额外的信息

出版商的注意施普林格自然对出版的地图和机构从属关系中的管辖权主张保持中立。

扩展的数据图形和表格

图1地球历史上海相碳酸盐锶同位素记录。

一个， δ的总结88/86在海洋方解石和白云石中测量的Sr值。这项研究的新数据(n= 139)的颜色轮廓表示相应的放射成因Sr同位素比率(87Sr /86Sr)由相同样品生成:圆形、方解石;钻石,白云石;×，方解石含异常高87Sr /86Sr比率。误差条表示δ的长期外部再现性88/86Sr (2σSD=±0.03‰,n= 273)。紫色叉表示同一样品的重复测量(见方法对于重复策略的描述)。金线表示δ88/86大块硅酸盐土Sr值(0.27‰)27．蓝色虚线代表δ88/86现代海相碳酸盐岩Sr值63．其他符号表示其他研究发表的数据(n= 299;看到方法):粉红色方块，非骨架碳酸盐;灰色方格，碳酸盐盖;灰色三角形，大块骨骼方解石;灰色十字，菱铁矿;灰色倒三角，腕足动物。b，海相碳酸盐87Sr /86Sr比率。这项研究的新数据用彩色符号表示:圆形，方解石;钻石,白云石;×，方解石含异常高87Sr /86Sr比率。灰色圆圈代表前寒武纪碳酸盐岩87Sr /86高级纪录(n= 1494)23．虚线表示前寒武纪最低10%的黄土拟合87Sr /86Sr比率23实体曲线为显生宙黄土拟合87Sr /86老的记录64．

图2前寒武纪方解石和白云石δ实测和自举重采样直方图88/86Sr值。

一个，测得的前寒武纪方解石(红色)和白云石(黄色)δ88/86Sr值。b，自举重采样(n= 10,000)前寒武纪方解石(红色)和白云石(黄色)δ88/86Sr值。均为前寒武纪方解石和白云石δ88/86Sr值来自本研究。紫色和绿色曲线代表δ的密度分布88/86前寒武纪方解石中的Sr(紫色，n= 72)和白云石(绿色，n= 43)。

图3 δ88/86老和87Sr /86分析白云岩中的Sr。

一个，分析白云岩的Sr同位素稳定与放射性成因关系(n= 43)。SMA回归模型得出R2= 0.223和P= 0.001。b，该数据集中蚀变较小的白云岩样品的Sr同位素稳定值和放射性成因值，即以87Sr /86埃迪卡拉系海水Sr值小于0.70864．

图4 δ的交叉图88/86Sr与不同元素含量和比例的关系。

一个,δ88/86Sr vs CaCO3.重量百分比(wt%)。碳酸盐wt%计算采用钙含量假设化学计量CaCO3.．b,δ88/86Sr与Sr内容。c,δ88/86Sr和Mn/Sr。d,δ88/86Sr和Rb含量。e,δ88/86Sr和Ti含量。f,δ88/86Sr与Pb含量。δ88/86Sr值以‰为单位，归一化到NIST 987;除特别注明外，所有元素浓度均以PPM为单位。采用SMA回归模型评估各相关性的统计显著性。R2而且P-值列在每个面板的顶部。在0.01的显著性水平上，无统计学相关性。

图5 δ的箱线图88/86现代二叠纪-三叠纪和前寒武纪沉积中骨骼(绿色)、微生物(红色)和非骨骼、非微生物碳酸盐(蓝色)的Sr值。

在箱形图中，中线代表数据的中位数(第50百分位数)，框限代表上四分位数和下四分位数(第75和第25百分位数)，胡须代表1.5倍的四分位数范围，空白点代表异常值，彩色点代表所有数据。这些数据表明，δ88/86表征前寒武纪方解石的Sr值不能归因于碳酸盐沉淀微生物途径与非微生物途径之间的差异，同样，也不能归因于前寒武纪升高与显生界δ升高之间的转移88/86Sr值不能轻易归因于碳酸盐沉淀的骨架途径和非骨架途径之间的差异。现代δ88/86高级记录来自史蒂文森等人。20.(骨骼n= 10)和这项研究(微生物n= 5;不属于骨骼的,non-microbialn= 8);二叠纪-三叠纪δ88/86高级纪录(骨架)n= 6;微生物n= 8;不属于骨骼的,non-microbialn= 20)为Wang等人的研究结果。24；前寒武纪方解石(微生物方解石)n= 12;非骨骼，非微生物方解石n= 47)和白云石(微生物白云石n= 6;无骨架、无微生物白云岩n= 37) δ88/86Sr记录来自本研究。

补充信息

补充信息

此文件包含补充讨论、补充参考和补充图1和2。

报告总结

补充表1

分析前寒武纪碳酸盐岩样品的描述及地球化学特征。

补充表2

现代和古近系碳酸盐岩样品的描述及Sr同位素比值。

权利和权限

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王杰，塔汉，l.g.，雅各布森，A.D.et al。海洋碳酸盐工厂的演化。自然(2023)。https://doi.org/10.1038/s41586-022-05654-5

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