地學前沿||《Geology》2020年第12期論文導讀(下)

2020-12-03 中科院地質地球所

10

侏羅紀早託阿爾期滅絕事件時的海洋酸化:來自腕足類殼體B同位素組成的證據

託阿爾期大洋缺氧事件(T-OAE)發生時,海洋碳酸鹽沉積明顯減少,其原因被認為與卡魯-費拉爾大火成巖省巖漿作用導致的海洋酸化有關。然而,對這一階段海洋酸化的過程卻很少有直接的定量評估。

最近來自斯洛伐克科學院地球科學研究所的Tamás Müller博士及其合作者,通過對葡萄牙盧西塔尼亞盆地腕足類殼體B同位素組成的研究,首次得到了普林斯巴期-早託阿爾期海水pH的變化曲線。

結果顯示δ11B在普林斯巴期-早託阿爾期之交不斷降低,在T-OAE發生前和發生時達到最低值,隨後在波動中緩慢升高。δ11B的變化與全球CaCO3沉積和大氣CO2含量的變化相同,都呈兩階段模式。在T-OAE發生前,海水pH逐漸降低,可能與火山作用釋放的CO2有關。T-OAE的早期階段,海水pH有明顯升高,可能與大陸風化和有機碳埋藏導致的CO2消耗有關。隨後,海水pH急劇降低,在T-OAE中期達到最低。

研究認為侏羅紀早託阿爾期海洋生物的滅絕和CaCO3產量的降低至少部分程度上是由海洋酸化引起的。與顯生宙其他事件相似,海洋酸化與大氣CO2含量的增加有關。

侏羅紀普林斯巴期-早託阿爾期多指標變化曲線

A. 全巖和腕足類殼體δ13C,B. 腕足類殼體δ18O和溫度校正曲線,C. 腕足類殼體δ11B和海水pH,D. 鈣質超微Schizosphaerella大小和全巖CaCO3,E. 大氣CO2含量

文章來源:

Geology(2020) 48(12): 1184-1188.

原文連結:

https://doi.org/ 10.1130/G47781.1

(譯者:三口刀)

11 基於古湖制約火星早期的降水和乾濕分布

儘管大量原位和遙感數據都表明曾經的火星存在流體活動,但是目前對火星的古氣候仍不清楚。通過對地貌的研究、化學蝕變的觀測以及數值氣候模型,這個問題的關鍵在於地表水和降水是以固態還是液態的形式存在。該文研究了共96個開放型及封閉型湖泊,並通過簡單的平衡水文模型來約束火星早期的一定時間範圍內流域盆地的降水量。並且這些湖泊系統中還包含13個由封閉湖泊和開放型湖泊所構成的水文系統,從而使得對降水的估算更加準確。研究表明降水量的均值在4~159 m之間;但是降水量空間變化很大,並受到複雜的行星尺度的氣候的控制。開闊湖盆的乾旱指數表明火星上的一些區域在溼潤程度類似於現今地球的半乾旱區。該研究提供了廣泛分布且定量的水文氣候的約束條件,並可用於檢驗古氣候模型且有助於彌補地質觀測與火星早期的氣候理論之間的差距。

火星(A)與地球(B)的乾旱指數分布。

文章來源:

Geology(2020) 48 (12): 1210-1215.

原文連結:

https://doi.org/10.1130/G47886.1

(譯者:IEECAS@小爪爪)

12 晚中新世等深流沉積巖河道體系間歇性溢流特徵的揭示

海洋通道附近海底溢流的古海洋學信息對於解決海洋環流能夠調節地球氣候的作用具有重要意義。雖然地球系統模型是目前研究通道對全球尺度的影響過程的有利方法,但研究溢流相沉積更適於了解其詳細的變化。然而這些沉積還沒有露頭中記錄。該研究基於與地中海溢流水(MOW)啟動形成有關的Rifian走廊(摩洛哥)的(工作),提出了一個獨特的晚中新世等深流沉積巖的河道體系。研究識別了了兩個由三個垂向堆疊的河道化砂巖單元組成的分支河道,並且這些砂巖單元被包裹在泥質沉積物之中。這兩個分支河道具有不同的河道填充特徵。該研究結果為構造過程和區域氣候變化能夠控制間歇性溢流活動提供了有力的證據。這些古MOW的波動間歇地影響著全球海洋環流。

晚中新世西地中海的古地理重建(由Capella et al.,2017a後修改)。灰色為水下Prerif脊(PR)。紅色(下)和橙色(上)箭頭表示地中海溢流水(MOW)分支。地球儀顯示MOW(橙色)和主要地表環流(紅色)和深水環流模式(藍色)。地圖數據為©2018 Google™,地形覆蓋來自美國地質調查局地形圖(http://earthpoint.us/ TopoMap.aspx)。

文章來源:

Geology(2020) 48 (12): 1194–1199.

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https://doi.org/10.1130/G47944.1

(譯者:袁夢)

13 石化的生殖方式揭示了幾丁蟲的原生生物親緣性

繁殖是生命演化中的重要環節,但現有的化石記錄中很少保存繁殖過程。幸運地是保存完好、經歷了繁殖的生物為闡明已滅絕屬種尤其是系統發育位置不明確的屬種的生物學特徵提供了一個特殊的視窗。該研究報告了罕見的幾丁蟲標本(神秘的古生代有機壁微體化石),保存為「殼中殼」的形態,這些形態以前被解釋為畸形形態。該研究將先進的成像技術應用到新恢復和再研究的奧陶紀材料上,首次發現了殼體內部超微結構的關鍵形態細節記錄。結果顯示幾丁蟲殼體內部或者表面新發現的海綿狀構造和枝狀結構連同殼壁本身都是由球狀顆粒組成。形態學細節揭示了這些屬種反映了迄今為止未描述的新無性生殖方式的重要階段,其一次可以繁殖一個或者多個後代。這個觀察挑戰了認為幾丁蟲是滅絕的神秘海洋後生動物卵的主流觀點。相反,這些生物更可能代表一類獨立的原生生物。

顯微CT下的特異標本;均可在母體標本體室內清晰地觀測到子代的殼體

文章來源:

Geology(2020) 48 (12): 1200–1204.

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https://doi.org/10.1130/G47865.1

(譯者:南京大學@申博恆)

14 「裂紋泡泡」:火山灰顆粒記錄了破裂後的脆韌性變形

「裂紋泡泡」是一個以前未描述的火山碎屑,它為後破裂通道動力學提供了獨特的見解。該研究所描述的這些顆粒來自於約7 Ma響尾蛇凝灰巖沉積(美國俄勒岡州)和約15 Ka的莫勒湖(智利)沉積。碎屑直徑約1毫米的相互分離的完整空心球狀體組成,這些球狀體主要是高矽質流紋巖玻璃,其外殼有一系列橫切裂紋,類似於火山彈上的裂紋結構。研究人員把這些球狀體解釋為厚壁巖漿泡沫碎裂的結果,隨著火山碎屑加速沿管道向上移動,裂紋結構記錄了脆性和韌性變形的循環,以緩解超高的壓力。研究人員利用這個結構來量化不能通過直接觀察得到的參數,包括應變調節和它產生所需的時間尺度。並認為裂紋結構有額外的潛力可以更好地描述和量化高矽流紋巖噴發過程中的的破裂特徵和運移狀態。

圖1. 該文研究的火山碎屑圖像

文章來源:

Geology(2020) 48 (12):1205-1209.

原文連結:

https://doi.org/10.1130/G47811.1

(譯者:中國地質科學院@李智超)

15

熱帶地區的環境壓力?海水δ18O緯向梯度分布對低緯地區中侏羅紀溫度重建的影響

過去的研究中,多認為歐洲鈣質化石的氧同位素(δ18Oshell)反應了侏羅紀時期的強烈的氣候波動。但由於缺少來自其他地區的數據,所以歐洲鈣質化石的氧同位素記錄能否代表侏羅紀時期全球氣候變化仍存疑問。該研究中,作者以西亞和北非的雙殼和腕足介殼為載體,來探究中侏羅紀低緯度地區的海水溫度以及緯向的海水溫度梯度。該研究首次估算了西亞和北非大部分地區在中侏羅紀的海水的絕對溫度,並發現用海水δ18O值(δ18Osea)的緯度方向的梯度重建熱帶地區水溫更準確,而前人的研究方法低估了這一值。我們用殼體的δ18O值重建中侏羅紀赤道的平均水溫,所得結果表明中侏羅紀時比現今的赤道海水溫度高出幾度(高達34~35°C)。如此高的溫度會引起環境壓力,這可能解釋了前人文獻中這段時間範圍內低緯度生態系統(例如珊瑚礁)多樣性低的原因。通過文獻數據對比,作者認為前人發表的歐洲溫度曲線可能無法切實反映全球模式,而可能反映了受海水δ18O的區域和/或短期變化所影響的歐洲的盆地複雜的古地理變化。

圖(A)中侏羅紀古地理圖及研究區位置;圖(B)侏羅紀至早白堊紀不同研究區的古緯度圖示。

文章來源:

Geology (2020) 48 (12): 1210-1215.

原文連結:

https://doi.org/10.1130/G47824.1

(譯者:CAGS@張瑜)

16

加利福尼亞北部中更新世三處拉斑玄武巖同期噴發:弧後伸展背景下地殼巖漿的運移

地質填圖和年代學研究對於了解不同構造背景中的火山時空趨勢至關重要。美國加利福尼亞北部的喀斯喀特山脈弧後區擁有豐富的熔巖流和正斷層,但是用經典的填圖方法很難區分年齡大於200 ka的拉斑玄武巖。研究人員對Tennant,Dry Lake和Hammond Crossing等地的玄武巖使用古地磁和地球化學獨立方法進行了研究。這些化學相似的玄武巖的古地磁分析得出顯著的重疊,而統計分析則以百萬分之七的概率顯示它們相似的平均剩磁方向是隨機的。這些玄武巖還具有重疊的Ar/40 39ArAr年齡,分別為272.5±30.6 ka(Tennant),305.8±23.9 ka(Dry Lake)和300.4±15.2和322.6±17.4 ka(Hammond Crossing)。地球化學和古地磁分析表明,空間上分散的玄武巖代表了同時爆發(不確定性<100年),因此採用305.5±9.8 ka(加權平均值)作為噴發年齡。它們的火山口在39 km的距離上按照N25°W的走向排列,Tennant海拔最高,噴出體積最大(3.55±0.75 km3),向南南東往Dry Lake(0.75±0.15 km3)和Hammond Crossing(0.15±0.05 km)海拔和體積都變小。研究人員認為在Tennant火山口區域下方巖漿是垂直上升的,並在該處劇烈噴發處出高SiO3 2巖漿,同時巖漿在脆性地殼中以巖牆方式橫向運移,運移方向則是沿著北北西走向的正斷層,該方向正好與與東西向伸展(0.3-0.6 mm/yr)的方向垂直。

圖1. (A)北美西部的構造環境,紅色三角形表示主要的火山中心,黑色箭頭表示北美部分地區和俯衝洋板的運動方向;(B)加利福尼亞北部地圖,顯示了Shasta山和Medicine Lake火山之間的Tennant,Dry Lake和Hammond Cross玄武巖區噴口;(C)從Tennant到Hammond Crossing噴口沿A-A'一線的地形圖和剖面簡圖

文章來源:

Geology (2020) 48 (12): 1216–1220.

原文連結:

https://doi.org/10.1130/G48076.1

(譯者:CUGB@唐演)

17 600℃洋中脊熱液具有地熱能與成礦潛力

冰島深鑽項目(IDDP)的IDDP-2井深度為4500m,它穿透了大西洋中脊下一個活躍的海水補給熱液系統的根源。由於無法對原始自由流體進行直接取樣,研究人員利用流體包裹體來限制熱液對流池底部的原位條件和流體成分。流體溫度約為 600 °C,壓力接近靜水壓力(約45 MPa)。流體以兩種不同的相存在:一種是富H2O的蒸氣(焓約為59.4 kJ/mol),另一種是富鐵富鉀的滷水,具有2000 ppm Cu、3.5 ppm Ag、1.4 ppm U和0.14 ppm Au。有時,流體包裹體與流紋巖熔融包裹體共存。該鑽孔揭示了具有能源生產價值的高能蒸汽,並發現了一種潛在的成礦滷水。該研究認為,類似的流體在世界各處的大洋中脊深處循環,並形成火山成因的塊狀硫化物(VMS)銅-鋅-金-銀礦床。

圖1. 冰島西南部冰島深鑽項目IDDP-2井流體包裹體的巖石學特徵。(A)石英(Qtz)陰極發光圖像顯示,在晶粒邊界的癒合裂隙中存在次級流體包裹體組合(FIAs)。(B)由氣泡(V)和液膜(L)組成的富蒸氣包裹體顯微照片。(C)含四種不同固相(S1-S4)和不規則汽泡(V)的滷水包裹體顯微照片,該圖像中未見液體H2O。(D)與富蒸汽包裹體相關的矽酸鹽熔體包裹體(MI)顯微照片;MIs由氣相(V)和矽酸鹽玻璃(Gl)組成;富氣包體由氣泡(V)和液膜(L)組成。照片B和D在單偏光下拍攝,照片C在正交偏光下拍攝。Plag指斜長石。

文章來源:

Geology (2020) 48 (12): 1221–1225.

原文連結:

https://doi.org/10.1130/G47791.1

(譯者:南京大學@陳博洋)

美編:陳昱吟

校對:覃華清

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