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我院沈冰課題組揭示成冰紀全球冰封事件結束時的海洋甲烷生產過程

日期：2021-02-15

編者按：“雪球地球學說（The Snowball Earth Scenario）”在上世紀90年代由美國科學院院士Joe Kirschvink和Paul Hoffman提出后，迅速引起科學界的關注。近年來，北京大學地球與空間科學學院沈冰研究團隊開展的一系列研究重新梳理了全球冰凍事件。2021年2月11日，該團隊報道了全球冰期結束過程中存在活躍的甲烷菌微生物代謝和甲烷生產活動。

恰逢地球與空間科學學院成立20周年之際，本報道為院慶20周年系列成果展示之一。

成冰紀時期，地球上發生了兩次全球冰期事件：Sturtian冰期（7.17 – 6.59億年前）與Marinoan冰期（6.5 – 6.35億年前）。全球冰期的地質記錄—冰磧巖地層，在全球廣泛分布，表明當時的海冰已覆蓋到了低緯度地區甚至赤道區域，呈現出全球冰封狀態，稱之為“雪球地球事件”。全球冰封的解封需要極強的溫室條件。數值計算結果認為雪球地球的結束需要大氣CO2濃度達到10萬ppm以上，即工業革命前數值的350倍以上。冰川表面的灰塵積累以及大氣中其他溫室氣體（例如甲烷）的積累可以降低全球冰封解封的CO2閾值。前人研究發現雪球地球融化時存在甲烷的釋放，但是對于這些甲烷的來源缺乏有效的示蹤，產生過程和機理尚不清楚。

針對這一問題，北京大學地球與空間科學學院沈冰課題組與國內多家單位合作，對我國華南地區南沱組（Marinoan冰期沉積）頂部的黃鐵礦結核進行了系統Ni同位素和稀土元素地球化學研究。結果顯示，黃鐵礦的Ni同位素與Ni含量、中稀土同重稀土比值與Ni含量之間存在負相關關系。考慮到甲烷菌活動優先吸收輕Ni同位素和重稀土組分，該研究結果表明黃鐵礦的Ni同位素和稀土組分記錄了甲烷菌與海水的混合過程，指示了在全球冰封結束時深海及海底的存在大量甲烷的生產過程（圖1）。

圖1雪球地球冰期結束時海洋生物地球化學循環過程

成冰紀雪球地球事件解體之后甲烷，真核生物迅速演化，開啟了構建現代地球復雜生物圈的序幕，該研究為深入理解全球冰封的結束過程及之后海洋生態演化奠定了基礎。另外甲烷，該研究原創了Ni同位素和稀土組分體系示蹤甲烷菌活動的新手段甲烷柴油報警器，為今后了解古代海洋甲烷菌活動和海洋生物地球化學循環提供了一個新的思路和新的工具。

沈冰課題組長期從事新元古代全球冰期事件研究，該研究成果是繼課題組在《美國科學院院報》（PNAS，Huang et al.，2016）、《自然?通訊》（Nature Communications，Lang et al., 2019）等論文后，又一篇關于全球冰封結束過程的研究文章。該系列工作為深入理解成冰紀全球冰封事件后地球氣候、環境、生物演化過程具有重要的科學意義。

該成果于2021年2月11日發表于《自然?通訊》（Nature Communications）雜志上。沈冰研究員與中國地質大學（北京）的朱建明教授、成都理工大學的郎咸國教授為本文的共同通訊作者氧氣檢測儀，地空學院本科生趙洲嶠（現為北京大學物理學院在讀博士生）為本文第一作者。中國地質大學（北京）博士生吳廣亮、中國科學院地球化學研究所博士生譚德燦、中國地質科學院博士生裴浩翔、地空學院博士生黃天正、甯濛、馬浩然為本文共同作者。該成果獲中國科學院戰略性先導科技專項（B類）和國家自然科學基金共同資助。

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