地质学家提出了地球古生代气候变化的新时间表

行星的温度与其可以支持的生命多样性有关。麻省理工学院的地质学家现在已经重建了古生代早期(510至4.4亿年前)地球温度的时间轴,这是动物在以前由微生物控制的世界变得丰富的关键时期。

在今天出现的一项研究中 美国国家科学院院刊,研究人员绘制了古生代早期全球温度的高峰和低谷。他们报告说,这些温度变化与地球上不断变化的生物多样性相吻合:更温暖的气候有利于微生物的生存,而较低的温度则使更多种类的动物得以繁衍。

这项新记录比该时期以前的时间表更为详尽,是基于该团队对碳酸盐泥的分析得出的。碳酸盐泥是一种常见的石灰石,由沉积在海底并经过数亿年压实的富含碳酸盐的沉积物形成。

“现在我们已经证明您可以将这些碳酸盐泥浆用作气候记录,这为回顾地球历史上没有化石的整个其他部分打开了大门,那时人们对气候是什么并不十分了解。 ”的主要作者山姆·戈德堡(Sam Goldberg)说,他是麻省理工学院地球,大气与行星科学系(EAPS)的研究生。

戈德堡的合著者是克里斯汀·伯格曼(Kristin Bergmann),EAPS的D. Reid Weedon,Jr.职业发展教授,以及加州理工学院的Theodore Present和加州大学伯克利分校的Seth Finnegan。

化石之外

为了估算数百万年前的地球温度,科学家分析了化石,特别是化石,这些化石是从海水中沉淀下来的,生长在海底或沉入海底的古老带壳生物的遗骸。当发生沉淀时,周围水温会改变壳的组成,从而改变两种氧的氧同位素:氧16和氧18的相对丰度。

“举例来说,如果碳酸盐沉淀在4摄氏度,则从相同的水起始成分开始,更多的氧18就会在矿物中最终富集,(相比之下,碳酸盐在30摄氏度下沉淀,”伯格曼解释说。 “因此,氧气18与-16之比随温度降低而增加。”

这样,科学家们使用古老的碳酸盐壳来回溯周围刚开始沉淀时海水的温度(这是地球总体气候的指标)。但是这种方法直到今天才使科学家走到了最早的化石。

戈德堡说:“地球历史上大约有40亿年没有壳,所以壳只给了我们最后一章。”

聚集的同位素信号

壳中的沉淀反应也发生在碳酸盐泥中。但是地质学家认为碳酸盐泥浆中的同位素平衡更容易受到化学变化的影响。

人们经常忽略泥土。他们认为,如果您尝试将其用作温度指示器,则可能不是在查看其形成的原始海洋温度,而是在稍后将泥浆埋在地表以下一英里时发生的过程温度。 ”,戈德堡说。

为了了解碳酸盐泥浆是否可以保留其原始环境温度的特征,研究小组使用了“结块同位素地球化学”技术,该技术是Bergmann实验室使用的一种技术,用于分析沉积物的结块或成对,以分析两种重同位素:氧气18和碳同位素。 13这些同位素在碳酸盐泥浆中配对的可能性取决于温度,但不受泥浆形成的海洋化学的影响。

将此分析与传统的氧同位素测量相结合,可为样品在其原始形成与当前之间所经历的条件提供额外的限制。该小组认为,该分析可以很好地表明自形成以来碳酸盐泥的成分是否保持不变。通过扩展,这可能意味着某些泥浆中的氧比18至-16可以准确地代表岩石形成的原始温度,从而可以用作气候记录。

阴晴圆缺

研究人员在从两个地点提取的碳酸盐泥样品上测试了他们的想法,一个地点在斯瓦尔巴特群岛,北冰洋群岛,另一个在纽芬兰西部。这两个地点都以其裸露的岩石而闻名,这些岩石可以追溯到古生代早期。

在2016年和2017年,小组首先前往斯瓦尔巴群岛,然后前往纽芬兰,从寒武纪中期(动物开始在地球上繁衍生息)以来,通过奥陶纪从七千万年的沉积沉积物层中收集碳酸盐泥的样本。古生代时期。

当他们分析样本中的聚集同位素时,他们发现许多岩石自形成以来几乎没有化学变化。他们利用这个结果来编制来自10个不同的古生代早期地点的岩石的氧同位素比,以计算岩石形成的温度。从这些站点中的大多数站点计算出的温度与以前发布的分辨率较低的化石温度记录相似。最后,他们绘制了古生代早期温度的时间轴,并将其与该时期的化石记录进行了比较,以表明温度对地球生命的多样性影响很大。

戈德伯格说:“我们发现,在寒武纪末期和奥陶纪初期变暖时,微生物的丰度也达到了峰值。” “从那里冷却下来,一直到奥陶纪的中晚期,当我们看到大量的动物化石时,才开始经历大量的冰河时代结束奥陶纪。以前,人们只能使用化石观察总体趋势。因为我们使用的材料非常丰富,所以我们可以创建更高分辨率的记录,并且可以看到更清晰的起伏。”

“这是最近关于同位素的最佳研究,解决了早期动物是否经历过高温的关键问题,” Texas A地质学教授Ethan Grossman说&M大学,不是该研究的贡献者。 “我们应该使用所有可用的工具来探索这个重要的时间间隔。”

该小组现在正在寻找分析可追溯到动物出现之前的较旧泥浆的方法,以测量5.4亿年前的地球温度变化。

伯格曼说:“要追溯到5.4亿年前,我们必须解决碳酸盐泥,因为它们确实是我们必须限制远古气候的少数记录之一。”

这项研究部分得到了NASA和David and Lucile Packard基金会的支持。



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