本站讯 近日，国际综合期刊《自然·通讯》（Nature Communications）刊登了题为“Maintenance of the Great Late Ediacaran Ice Age”（埃迪卡拉纪大冰期的维持机制）的研究论文，该研究利用气候模式和风化模式进行了数值模拟研究，报道了地球系统真极移活动对维持晚埃迪卡拉纪大冰期的重要作用。此项成果由中国海洋大学海底科学与探测技术教育部重点实验室李三忠教授团队刘鹏副教授作为第一作者完成。
前期研究表明，晚埃迪卡拉纪在固体地球真极移发生时可能伴随存在一个持续时间长达2千万年的大冰期（约580Ma-560Ma），冰线延伸至南北纬约30-40°（图1）（Wang et al., 2023），同时这段时期内的真极移事件引发的全球陆地位置的极速变化，可能对地表反照率和风化速率均存在显著影响，但其在维持晚埃迪卡拉纪大冰期中所起到的作用尚不明确。
图1. 晚埃迪卡拉纪大冰期示意图
本研究利用气候模式与风化模式进行了耦合模拟研究。首先利用气候模式（CESM1.2）估计了在晚埃迪卡拉纪不同时期的海陆分布下（图2），符合冰川观测的二氧化碳浓度。模拟试验表明，大气二氧化碳浓度在575-565Ma可能低于280ppmv，在580和560Ma可能低于140ppmv，但应该均高于35ppmv否则将可能进入雪球地球。值得说明的是，以上模式估计的二氧化碳浓度具有较大的模式和边界条件依赖性，但本研究主要聚焦于真极移对风化通量和冰期维持的作用。如果假设通过火山喷发的二氧化碳在晚埃迪卡拉纪变化不大，且580Ma处于碳循环平衡状态，则580Ma之后，由于真极移事件使得低纬度地区的陆地面积减小（尤其是575-560Ma）。模式模拟表明，若仅考虑海陆分布改变对气候和陆地风化通量的影响，则575-570Ma的大气二氧化碳浓度可能升高至560ppmv，无法维持晚埃迪卡拉纪的连续大冰期，这与地质观测不相符。
图2. 真极移通过提高风化速率维持晚埃迪卡拉纪大冰期。（a-e）：假设580Ma二氧化碳浓度为35ppmv时的全球陆地风化速率。通过真极移事件，可以使部分陆地从高纬度有冰区移动至低纬度无冰区（红框区域），根据古土壤资料其风化速率可能增加到初始水平的10倍；（f-j）与（a-e）相同，除了假设580Ma二氧化碳浓度为70ppmv。灰色实线表示海冰边缘。全球总风化速率标注在（a-j）右上角，单位为：mol C/年。（k，l）分别表示（a-e和f-j）中全球风化速率总和的变化，以及580Ma全球风化速率总和的10%变化范围（橙色区域）。
然而，在晚埃迪卡拉纪大冰期中，真极移可以将部分中高纬度被冰盖覆盖的陆地移动至低纬度无冰区，前人通过古土壤数据表明这些暴露出的经历过冰川刨蚀作用的新鲜母岩，具有更高的风化活性。本研究利用气候模式和风化模式表明，这种机制可以显著提高陆地风化通量，使二氧化碳浓度在约580-560Ma中稳定地保持在较低的水平，且波动范围不会超过580Ma的2倍（图2），从而使晚埃迪卡拉纪大冰期得以维持，与地质观测一致。同时，风化通量的增加可以提高河流输入进海洋的营养物质，可能为晚埃迪卡拉纪大规模的成磷事件和生命演化提供重要前提条件，加深了对早期地球多圈层相互作用的理解。
此项研究得到国家重点研发计划和国家自然科学基金等多个项目的联合资助。
通讯员：刘鹏
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