畸形的贝壳，古老的沉积物提供了关于地球过去的线索

从意大利古比奥发现的微小的古老浮游有孔虫的扫描电子显微镜图像。版权：加布里埃拉·基奇

来自印度洋东部，澳大利亚西南部近海的沉积物岩心。颜色较浅的沉积岩（右下）富含海洋酸化事件前沉积的碳酸盐微化石，较深的泥岩（左）代表海洋酸化发生的时间间隔。由于在酸化事件中没有腐蚀性更强的海水引起的碳酸盐微化石，这些石头颜色较深。版权：马特琼斯

（化石网）据美国物理学家组织网（西北大学）：近1亿年前，地球经历了一次极端的环境破坏，使海洋中的氧气窒息，导致海洋灭绝水平升高，影响了整个地球。

现在，在两项互补的新研究中，两个西北大学领导的地球科学家团队报告了导致这一事件发生的事件的时间顺序和特征的新发现，称为海洋缺氧事件2（OAE2），这是40多年前由已故西北大学教授西摩·施兰格（Seymour Schlanger）共同发现的。

通过研究从全球三个地点提取的保存完好的浮游微化石和大量沉积物，研究小组收集了直接证据表明，由于二氧化碳（CO2）海底大规模火山复合体喷发的排放。

在其中一项新研究中，研究人员还提出了一个新的假设来解释为什么海洋酸化导致奇怪的低温（被称为“Plenus冷事件”），这短暂地中断了原本非常炎热的温室时期。

通过分析一氧化碳的涌入2从火山影响海洋化学，生物矿化和气候，研究人员希望更好地了解当今地球如何应对CO的增加。2由于人类活动，这可能会导致适应和减轻预期后果的解决方案。

一篇论文，其中包含深海岩心的发现，包括澳大利亚西南部附近新钻探的地点，将于周四（1月19日）发表在《自然地球科学》杂志上。12月13日，一篇详细介绍古代畸形微化石发现的补充论文发表在《自然》杂志《通信地球与环境》上。

“海洋酸化和缺氧是由大量一氧化碳引起的2从火山中释放，“西北大学的布拉德·萨格曼（Brad Sageman）说，他是这两项研究的高级合著者。“这些主要的 CO2地球历史上的排放事件为我们提供了地球系统如何响应大量一氧化碳的最佳例子。2.这项工作对于我们对气候系统的理解以及我们预测未来会发生什么的能力具有根本的适用性。

“基于元素钙的同位素分析，我们提出了对Plenus冷事件的可能解释，即由于海洋酸化而导致的生物钙化速率减慢允许碱度积聚在海水中，”西北大学的Andrew Jacobson说，他是这两项研究的高级合著者。“碱度增加导致一氧化碳减少2从大气层。很可能是，这种变冷是变暖的可预测但短暂的后果。我们的OAE2结果为海洋碱度增强提供了地质模拟，这是缓解人为气候危机的领先策略。

白垩纪气候和同位素地球化学专家萨格曼和雅各布森都是西北大学温伯格艺术与科学学院的地球和行星科学教授。这两项研究由他们以前的博士生Gabriella Kitch和Matthew M. Jones领导，他们在西北大学时发起了这项研究。

基于40多年的研究，OAE2是地球上发生的全球碳循环中最重要的扰动之一。研究人员假设，在OAE2期间，海洋中的氧气含量下降得如此之低，以至于海洋灭绝率显着增加。为了更好地了解这一事件及其导致这一事件的条件，研究人员研究了广泛分布的露头地点的古代有机富碳和含化石沉积岩层，以及国际海洋发现计划（IODP）获得的深海岩芯。

这些遗址包括意大利的古比奥（意大利大陆的一个著名地区，曾经是一个深海盆地），西部内陆海道（从墨西哥湾延伸到北美北冰洋的古老海底）和几个深海遗址，包括来自澳大利亚西南部近海印度洋东部的新遗址。

深海岩心提供了在开发海洋钻探计划之前完全未知的古海洋部分地区的宝贵记录。在所有三个核心中，研究人员都专注于白垩纪中期的部分，就在图罗尼亚和塞诺曼时代边界之前，以重建导致OAE2的条件。

“在地质过去研究海洋酸化的挑战部分是我们没有古老的海水，”琼斯说，他现在是史密森学会的彼得巴克博士后研究员。“你很少能找到任何类似于岩石或矿物中的古代海水的东西。因此，我们必须寻找间接证据，特别是化石贝壳和岩化沉积物化学的变化。

对于发表在Communications Earth & Environment上的研究，Kitch和她的合著者专注于化石有孔虫，海洋栖息的单细胞生物，外壳由碳酸钙制成，由意大利合作者，乌尔比诺大学的Rodolfo Coccioni教授在Gubbio站点收集。

Kitch和她的合作者被Gubbio标本所吸引，因为Coccioni对其壳的光学观察和测量显示出异常，包括一致的“侏儒”模式或整体尺寸的减小，与OAE2的发病相吻合。

“这些是压力的光学迹象，”Kitch说，他现在是国家海洋和大气管理局的Knauss研究员。“我们假设压力可能是由海洋酸化引起的，然后影响了生物构建贝壳的方式。

为了验证这一假设，基奇分析了化石的钙同位素组成。在溶解化石外壳并用热电离质谱仪分析其成分后，西北大学的研究小组观察到畸形标本中的钙同位素比率以与酸化应力一致的方式移动。

“这是第一篇将钙同位素证据与压力生物指标观察相结合的论文，”Sageman说。“正是这些独立的生物和地球化学观察证实了OAE2开始时对生物矿化的影响。

在发表在《自然地球科学》上的第二项研究中，琼斯和他的合著者专注于澳大利亚西南部近海岩化沉积物的深海核心，他和同事在2017年的IODP探险中收集了这些沉积物。对于这块拼图，研究人员对沉积物中的东西不太感兴趣，而对沉积物明显缺乏的东西更感兴趣。

核心包含成堆的石灰石，富含碳酸钙矿物质，但在OAE2之前突然没有碳酸盐。

“在这个时间间隔内，我们发现方解石不存在，”琼斯说。“没有碳酸盐矿物。核心的这一部分明显更暗;它直接向我们跳了出来。碳酸盐要么溶解在海底，要么更少的生物在地表水中制造碳酸钙壳。这是对海洋酸化事件的直接观察。

在与杜伦大学的Dave Selby教授合作进行的地球化学分析中，琼斯注意到碳酸盐并不是唯一显示出显着变化的成分。与OAE2的开始相吻合，锇同位素比率也发生了显着变化，这表明地幔衍生的锇大量输入，这是一次重大海底火山活动的指纹。这一观察结果与许多其他研究人员的工作一致，他们发现了OAE2之前大型火成岩省（LIP）喷发的证据。

这些大规模火山活动的事件发生在整个地球历史中，并越来越被认为是全球变化的主要推动者。许多LIP是潜艇，注入了数吨一氧化碳2直接进入海洋。当一氧化碳2溶解在海水中，形成弱酸，可以抑制碳酸钙的形成，甚至可能溶解预先存在的碳酸盐壳和沉积物。

“就在OAE2开始时，锇同位素比率转变为非常非常低的值，”琼斯说。“唯一可能发生的方法是通过大型火成岩省喷发。这有助于我们建立因果关系。我们可以看到火山真正活跃的证据，因为锇值崩溃。然后，突然之间，没有碳酸盐了。

虽然LIP之后的海洋酸化并不一定令人惊讶，但西北大学团队确实发现了一些不寻常的东西。OAE2期间的酸性条件比古代世界其他被广泛认可的酸化事件持续时间要长得多。琼斯认为，海水中缺氧可能延长了酸化状态。

“在OAE2期间消耗下沉浮游生物和水柱中有机物的生物也在呼吸一氧化碳2，这导致了最初由一氧化碳引发的海洋酸化2LIP火山活动的排放，“琼斯说。“因此，海洋缺氧可能是对海洋酸化的'正反馈'。这很重要，因为今天的全球海洋除了pH值下降外，氧气含量也在下降。这表明氧气的减少可能会延长酸化，并突出表明这两种现象密切相关。

在Kitch的研究中，她发现生物学在事件中发挥了另一个作用。全球变暖和海洋酸化不仅被动地影响有孔虫。生物体在构建外壳时也通过降低钙化率来积极响应。随着钙化减慢，有孔虫消耗的海水碱度减少，这有助于缓冲海洋不断增加的酸度。这也提高了海洋吸收一氧化碳的能力2，可能会触发全会冷事件。

“我们称这一阶段为'温室时期'，因为温度非常非常温暖，”基奇说。“然而，有证据表明OAE2间隔期间相对冷却。没有人能够解释为什么会发生这种冷却。我们的研究表明，通过减少海洋中的碳酸盐产量，你实际上提高了碱度，这使海洋具有缓冲吸收一氧化碳的能力。2.海洋突然有能力吸收一氧化碳2并平衡碳通量。

但仅仅因为短暂的冷却打断了这个温室时期，研究人员警告说，海洋缓冲一氧化碳的自然能力。2不是当前人为气候变化的答案。萨格曼通过将气候变化与癌症进行比较来解释这一情景。

“这就像一个病人得了癌症，癌症消失了一个月，”萨格曼说。“但后来它回来了，杀死了病人。不要被愚弄，以为海洋会让我们降温，一切都会好起来的。有一小段时间很酷。

“虽然地球反弹并自我治愈，但海洋领域的灭绝有助于实现这一目标，”雅各布森补充道。“地球有一些稳定的反馈，但它们是有代价的。