白垩纪中期（约1.25-0.9亿年前）是地球历史上火山活动频发、气候剧烈变化的时期，大规模火山喷发释放大量二氧化碳，引发温室效应与海洋缺氧事件，显著影响了全球碳循环和有机质的保存。有孔虫作为从埃迪卡拉晚期延续至今的原生生物，其化石记录了地质演化和环境变迁的关键信息。然而，有机成分在埋藏和成岩过程中易受高温高压等极端条件影响，导致结构降解或相变，传统分析手段难以精准识别其残余物。本研究聚焦西藏拉萨地块白垩纪地层中的有孔虫化石，旨在揭示其矿物组成和碳质残留的演化特征，为追溯该时期地质事件提供新证据。
图1 地质背景图和K1、K2样品中的有孔虫照片
中国科学院南京地质古生物研究所盛青怡副研究员和许艺炜博士通过X射线衍射（XRD）、扫描电镜（SEM）、能谱分析（EDS）和拉曼光谱等技术，对西藏阿章剖面白垩世郎山组下部和上部的有孔虫化石（K1和K2样品）进行对比分析。研究材料是西藏白垩纪的一类有孔虫——圆笠虫，这是白垩纪中期广泛分布、演化迅速的一类海相底栖大有孔虫，对地层划分起关键作用。K1样品采自白垩纪阿普特晚期，K2样品采自白垩纪赛诺曼早期。首次在K1样品中发现了非常规正交晶系石墨，其形成可能与白垩纪中期火山活动引发的高温高压环境有关。SEM和拉曼光谱进一步证实其层状结构与碳富集特征，而K2样品仅含方解石和石英，未检测到石墨残留。理论计算表明正交相石墨能量高于常规六方石墨，暗示其形成依赖瞬时极端条件。白垩纪中期1.1亿年前即阿尔布早期火山活动很活跃，之后相对平静。样品K1采自1.1亿年前，K2采自1.1亿年之后。推测K1中有孔虫体内形成的非常规正交晶系石墨可能与1.1亿年前活跃的火山活动相关。
图2 K1和K2样品的XRD、SEM和EDS分析图
图3 K1、K2拉曼分析和理论计算正交相石墨的能量
通过有孔虫化石开展地质-纳米科学交叉研究，尝试多种实验技术手段在有孔虫化石中首次发现了非常规正交相石墨。该成果是地质类研究成果首次发表在纳米科学专业期刊《Nano Research》上，该期刊影响因子9.6。该发现不仅为白垩纪地质事件提供了直接矿物学证据，也为新型碳材料的多晶型合成研究开辟了潜在路径。有孔虫是时间和物质的承载者，一直以来都是古气候研究的重要材料，研究长期集中在同位素方面，可惜应用到古生代和中生代样品常有局限；该研究尝试另辟蹊径，采用新技术和理论研究矿物和晶体结构，通过可精确判断时代的有孔虫内的矿物判断火山活动。该研究方法后续可更多地应用到大火成岩省的研究中，为重建古气候发挥作用。
图4 非常规正交晶系石墨形成的概念图
研究得到了国家自然科学基金委和科技部第二次青藏高原综合科学考察等项目的联合资助。
论文信息：Qingyi Sheng ，Yiwei Xu. 2025. Unconventional orthorhombic-phase graphite in Cretaceous foraminiferal fossils. Nano Research ，18 (4):94907262. https://doi.org/10.26599/NR.2025.94907262
编辑：诸鹏飞
审核：盛捷