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Matthew S. Dodd(博士后),张子虎(博士生), 李超*等, BGEG国家重点实验室.Geochimica et Cosmochimica Acta(2021),Development of carbonate-associated phosphate (CAP) as a proxy for reconstructing ancient ocean phosphate levels
发布时间:2021-03-24 11:07:47

2021310日,BGEG国家重点实验室李超教授团队的研究成果——Development of carbonate-associated phosphate (CAP) as a proxy for reconstructing ancient ocean phosphate levels 在国际著名地球化学期刊《Geochimica et Cosmochimica Acta》上在线发表。论文第一、第二作者是李超教授的博士后Matt Dodd博士和张子虎博士,李超教授为该文唯一通讯作者。该方法的开创将有效推动古海洋磷含量及磷循环演化等领域的研究,其应用工作目前已经在学界展开,预计后续将产生更多重要成果和影响。

作为细胞核酸和膜磷脂的必需元素,磷(元素符号“P”)是生命存在的主要生源要素之一。对于海洋生物来说,由于磷不能像碳、氮等生源要素可以从其周围环境中“取之不尽”,故其成为了控制生产力大小乃至整个生态系统演化的首要营养盐。通过复杂的生物地球化学循环,海洋磷循环对地球碳循环、气候变化、大气-海洋的氧化以及生命的演化进程都产生了深远的影响,因此重建古海洋的磷循环演化是研究地球环境与生命协同演化中的关键一环。

海洋中的磷含量是研究海洋磷循环最重要的指标。目前古海洋磷含量演化的重建主要依靠页岩总P含量和富铁岩石(如条带含铁建造)P/Fe比值这两个指标。然而,页岩中的P含量容易受沉积底水氧化还原状态的影响,故页岩总P含量只能间接地记录古海洋中P含量;而海水中H2SiO3Ca2+Mg2+等物质往往会对P在氧化铁上的吸附产生严重影响,使得用富铁岩石P/Fe比值指示古海洋P含量变得非常不可靠。更为重要的是,由于页岩,特别是富铁岩石在摩登3平台登陆历史上的沉积极为分散,难以实现对摩登3平台登陆历史时期古海洋磷含量及磷循环进行直接而连续地重建。直接且能连续重建古海洋P含量技术手段的匮乏严重阻碍了我们对地球环境与生命协同演化以及地球宜居性演化的理解,因而,这一技术瓶颈急需突破。

针对这一瓶颈,李超教授团队研发了碳酸盐晶格中磷酸盐含量(Carbonate-Associated Phosphate, 简称“CAP”)测定与应用方法作为直接追踪或重建古海洋磷含量的新手段。该方法通过用弱酸分阶段定量提取古海洋碳酸盐矿物在沉淀时捕获在其晶格中的、来自周围海水的微量磷酸盐,因而可以直接用来重建当时海水的P含量。该团队通过控制环境溶液的磷含量、pH、温度以及碳酸盐矿物相来研究CAP的响应结果,建立起了CAP和海洋P含量之间的定量关系和CAP的应用方法(1)。在此基础上,该团队通过现代和古代自然沉积碳酸盐的研究,进一步证实了在特定地史条件下,只要样品未受到明显的后期成岩作用,无论是从灰岩还是从白云岩中提取的CAP均能很好地记录当时海水中的磷含量。由于碳酸盐岩沉积在摩登3平台登陆历史时期,特别是摩登3平台登陆环境与生命演化的关键期内广泛发育(图2),故相对于前人利用页岩总P含量和富铁岩石P/Fe比值来约束海洋P含量,CAP技术具有直接且可以连续重建古海洋P含量演化的优点,因而具有更加广泛的应用前景。

1. 碳酸盐沉淀CAP与溶液P含量、pH和温度的定量关系。(A)实验室合成文石、方解石及现代海洋自然沉积碳酸盐与溶液中磷酸盐含量的线性定量关系。(B)本研究与前人就这一线性定量关系研究对比。(C)实验室合成文石中CAPpH之间的定量关系。(D)实验室合成文石中CAP与实验温度之间的定量关系。CAP含量均归一化至碳酸盐沉淀Ca+Mg含量(mmol/mol)。

2. 代表性环境与生命演化关键期埃迪卡拉纪巨厚碳酸盐沉积。图片为中国三峡地区埃迪卡拉系陡山陀组(Doushantuo Fm.)和灯影组(Dengying Fm.)巨厚碳酸盐岩地层。这些地层记录了早期地球大气和海洋的氧化和早期动物和复杂真核藻类的快速演化。图片据Lu et al. (2013)修改

论文信息:

Title: Development of carbonate-associated phosphate (CAP) as a proxy for reconstructing ancient ocean phosphate levels

AuthorsMatthew S. Dodd, Zihu Zhang, Chao Li*, Thomas J. Algeo, Timothy W. Lyons, Dalton S. Hardisty, Sean J. Loyd, David L. Meyer, Benjamin C. Gill, Wei Shi, Wei Wang.

SourceGeochimica et Cosmochimica Acta

DOI10.1016/j.gca.2021.02.038

Available online: 10 March 2021

论文链接: http://doi.org/10.1098/rspb.2020.2934


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