早石炭纪时期海洋碳酸盐岩中碳同位素组成（δ13C）出现了显著的正向偏移（KOBE），其成因一直是个谜。近日《地质学》期刊发表最新文章，对美国三个地层剖面进行了详细的碳同位素（δ13C）、钙同位素（δ44/40Ca）、锶/钙比值、团簇同位素等进行了分析，研究表发现早石炭纪发生的全球碳同位素偏移并非由地质作用造成的，而是源于全球碳循环的巨大变化，从而揭开了困扰地质学界多年的早石炭纪气候巨变谜团。研究成果对理解地球历史中气候变化的驱动机制具有重要意义。
早石炭纪时期（约 3.53 亿年前），地球经历了从温暖湿润的温室气候向寒冷干燥的冰室气候的转变。这一转变在全球地质记录中留下了明显的印记，其中最显著的便是早石炭纪浅海碳酸盐岩记录了一个显著的 δ13C 正向偏移(幅度高达7‰)，被称为肯德胡克-奥塞奇边界偏移 (Kinderhookian Osagean boundary excursion, KOBE)。长期以来，关于 KOBE 的成因究竟是地质成岩作用，还是全球碳循环变化的结果，学界一直争论不休。浅水碳酸盐岩是地球化学信息的宝库，可以用来破译地球历史中海洋-大气-生物圈系统内部的因果关系。
↑ 图1. (A) 早石炭纪古地理图，展示了研究地点：Briggs Woods（红色）、Strawberry Creek（蓝色）和Funeral Mountains（绿色）。
北美、欧洲和中国的部分(KOBE地层剖面用灰色圆圈表示，表明其全球性。
(B) 华南地块的碳和氧同位素趋势，显示了KOBE和研究剖面的近似范围（δ13C未在此图中绘制；见图 2）。IA——爱荷华州；
WY——怀俄明州；CA——加利福尼亚州；VPDB——维也纳标准贝壳；VSMOW——维也纳标准平均海水。
为了解开这一谜团，研究团队对来自美国三个不同地区的三个地层剖面进行了详细的分析，包括爱荷华州的Briggs Woods、怀俄明州的Strawberry Creek以及加利福尼亚州的Funeral Mountains。研究人员对这些地层剖面中的碳同位素（δ13C）、钙同位素（δ44/40Ca）以及锶/钙比进行了分析，并对Briggs Woods最浅层地层进行了团簇同位素测定。
↑ 图2. (A) 按水深递增排列的地球化学数据地层图。(B) 剖面位置示意图和横截面图。
(C) 鲕粒薄片照片（50 倍放大，2.6 毫米视野），突出了鲕粒的放射状结构。
(D) 钙质充填的近垂直裂缝（箭头）的岩心扫描图。
研究结果表明，在 KOBE 期间，δ13C值在所有三个地层剖面中都出现了显著的正向偏移，而δ44/40Ca几乎没有变化，δ44/40Ca和δ13C之间几乎没有共变关系。这与早期海洋成岩作用不相符，因为成岩作用通常会导致δ13C和δ44/40Ca之间出现共变关系。同时，来自最浅层地层的团簇同位素分析结果表明，成岩作用主要是在相对较低的温度下以沉积物为缓冲的。因此，浅水碳酸盐中KOBE的δ13C记录与溶解无机碳库的转变一致，古代浅水碳酸盐可以保留原始海水化学的记录。
↑ 图3. (A)碳同位素偏移（CIE）的散点图。(B) δ44/40Ca对 Sr/Ca散点图。(C) 布里格斯伍兹的团簇同位素，
显示了 TΔ47 和 δ18Ofluid 空间中的 δ18Omineral趋势。
箭头显示了基于水岩比 (W/R) 的预测成岩趋势。灰色点表示没有配对δ44/40Ca的TΔ47。
研究人员由此得出结论：KOBE并非由地质作用造成的，而是反映了早石炭纪时期全球碳循环的巨大变化。这一结论也得到了其他研究的佐证，例如，早石炭纪时期海洋缺氧现象的加剧以及陆地植物的快速扩张，都指向了全球碳循环的重大变化。
↑ 图4. δ44/40Ca和δ13C箱线图，按从浅到深的顺序排列
这项研究的成果对于理解地球历史中气候变化的驱动机制具有重要的意义。它表明，全球碳循环的波动是导致地球气候发生剧烈变化的重要因素。当前，人类活动正在加速排放温室气体，导致全球碳循环发生前所未有的改变。这项研究的成果提醒我们，人类活动对地球气候的影响是巨大的，需要我们高度重视并采取措施应对气候变化。
论文信息：Matthew G. Braun, Noah T. Anderson, Kristin D. Bergmann, Elizabeth M. Griffith, Matthew R. Saltzman; Early Mississippian global δ13C excursion is not a diagenetic artifact. Geology 2024; doi: https://doi.org/10.1130/G52109.1
原标题：《Geology：早石炭纪气候巨变——全球碳循环变化主导》
来源：地刊速览
作者：geoman
编辑：诸鹏飞
审核：盛捷