Geyman发表的高级论文研究为碳酸盐如何记录全球碳循环提供了新的思路

当科学家们想要研究地球非常古老的地质历史时——通常是在1亿年前——他们往往会转向一种叫做碳酸盐岩的岩石。

碳酸钙是最普遍存在的碳酸盐，是一种从海水中沉淀并在海底形成层状沉积的矿物质。它们通常被称为石灰岩。超过35亿年的地球历史记录在碳酸盐岩中。许多科学家用它们来重建气候变化和过去全球碳循环的历史——也就是碳在海洋、大气、生物圈和固体岩石之间流动的过程。

“你可以从碳酸盐岩中学到很多东西，”2019年毕业于普林斯顿大学地球科学专业的艾米丽·盖曼(Emily Geyman)说。这篇论文是Geyman的毕业论文研究的结果，她研究了碳酸盐的化学成分以及这些碳酸盐如何记录碳循环。

Geyman潜水寻找巴哈马群岛的沉积物样本。分析这些样本有助于重建地球过去复杂的化学结构。

Photo courtesy of Emily Geyman

“与砂岩相比，碳酸盐特别有用，”Geyman说，“碳酸盐是直接从海水中沉淀出来的，所以我们的想法是碳酸盐的化学成分，我们可以测量，可以告诉我们一些关于古代海洋的事情。”

但并不是所有的碳酸盐岩都保存在地质记录中。例如，深海的碳酸盐通常会被俯冲下来，这就是为什么科学家们经常转向堆积在浅层大陆架上的碳酸盐。然而，问题是科学家们对诸如海洋化学、海洋温度、波浪能和水深等性质如何转化成浅层碳酸盐岩记录的了解还不够。

然而现在，普林斯顿大学的研究人员正致力于解决这个问题。

与Geyman合作撰写论文的地球科学教授Adam Maloof说:“没有人真正观察过今天形成的这些古代石灰岩，并理解其翻译。”“这就像试图在没有罗塞塔石碑的情况下翻译古老的文本。我们需要罗塞塔石碑。”

研究人员不仅以一种创新假设的形式发现了他们的罗塞塔石碑，而且他们的发现还挑战了用碳酸盐重建过去全球碳循环的传统逻辑。

Geyman说:“我们对古代碳酸盐最常用的测量方法之一是碳同位素组成。”“我们将碳同位素组成与碳循环中的全球扰动联系起来。”

研究古代的同位素——同一元素的不同形式——是了解地球的全球碳循环在过去发生了多大变化以及为什么发生变化的关键。马卢夫说，这一点至关重要，因为碳循环就像恒温器一样调节着地球的温度。了解这个恒温器的工作原理将有助于我们预测未来的气候变化。

他们的研究把他们带到了巴哈马群岛的安德罗斯岛，这是位于大巴哈马河岸上的一个几乎无人居住的大岛屿。

巴哈马是研究地球古代地质历史的好地方。“在地球历史的大部分时期，”Geyman说，“地球表面的很多地方看起来像今天的巴哈马。”

其目的是了解水的化学成分是如何控制岩石的化学成分的——基本上，碳同位素是如何在当代环境中被记录下来的，以及这对过去的碳循环有什么影响。

Geyman说:“如果你想通过研究古代的碳酸盐来了解过去的海平面和海水化学，你必须找到现代的模拟物，然后问‘根据现在的海洋化学和海平面，现在的碳酸盐是如何形成的?’”

他们的发现和之前的研究表明，在巴哈马的沉积物中发生了一些奇怪的事情。在那里形成的石灰岩含有碳13，与漂浮在开阔海域周围的单细胞浮游生物相比似乎太高了。

大量的古代碳酸盐也显示出这种异常高的碳13。马卢夫指出，如果你假设这反映了全球海洋状况，“你就无法对碳循环的巨大变化做出激烈的推论。”

相反，Geyman和Maloof提出了一个假设，他们称之为“每日碳循环引擎”。顾名思义，这个过程需要24小时的循环。当白天阳光普照时，水生植物通过光合作用从水中吸收碳- 12，并利用它制造植物材料。由于植物优先吸收碳- 12，水中剩余的碳被碳- 13富集。

在这个过程中最重要的成分是石灰岩在一天中光合作用发生的高峰期形成最快，因为光合作用使水中的碳酸钙更加饱和。夜间，光合作用让位给有氧呼吸，植物组织中储存的碳又回到水中。但是马卢夫说，石灰岩的形成“几乎没有夜间的记录”，因为几乎没有降水。如果降水在夜间平均发生，碳13的平均水平将是正常的，因为碳12将被引入系统。

研究人员断言，这一过程只有在水足够浅，并且在像巴哈马群岛这样的大陆架和平台上受到保护的情况下才会发生。同样的日变化过程也发生在开放的海洋中，但海浪的运动不断地混合并带来新的水，因此碳13从未上升到如此极端的水平。

巴哈马沉积物从海水中吸收碳酸钙的特殊方式，使利用古代石灰岩记录全球碳循环的情况复杂化。马卢夫说，不能假定过去有一个单一的、统一的碳循环过程。 

“我们正在用一个现代的模拟来研究过去，”Geyman补充道，“过去在很多方面是理解未来的关键。”

Geyman目前追求硕士重点大学的冰川学Tromsø在北极挪威的一部分(goldman Sachs)全球从普林斯顿大学奖学金。

她在巴哈马的工作是她在普林斯顿大学大三和大四的独立工作的一部分。作为一名有成就的年轻科学家，她已经获得了无数的奖项和荣誉。她获得了Peter W. Stroh ‘ 51年的环境高级论文奖，普林斯顿大学工程与应用科学学院的Calvin Dodd MacCracken奖和Edward Sampson 1914年环境地球科学杰出工作奖。

马卢夫对Geyman评价很高。“她什么都能做，”他说。“大多数时候，真正优秀的观察者会进行实地考察……他们不是同时进行惊人分析的计算机科学家。”她两者兼而有之。”

埃米莉·格曼和亚当·马卢夫的论文《每日碳引擎在不增加全球氧气产量的情况下解释13c含量高的碳酸盐》发表在11月8日的《美国国家科学院院刊》网络版上，网址是www.pnas.org/lookup/suppl/doi:10.1073/pnas.1908783116/-/ dc。这项工作得到了美国国家科学基金会(NSF) EAR 1410317和普林斯顿大学普林斯顿环境研究所(Princeton Environmental Institute)通过史密斯-牛顿学者计划(Smith-Newton Scholars Program)的支持。GSA斯蒂芬·g·波洛克学生研究基金、进化中的地球基金会、高梅多斯基金会、Sigma Xi研究会和普林斯顿地球科学学生研究基金提供了额外的支持。