南京大学国际同位素效应研究中心教授彭永波团队联合美国内华达大学、以色列魏茨曼科学研究所、上海海洋大学等团队，揭示了最古老的冷泉碳酸盐岩成因之谜。该工作的相关研究成果于5月2日以“最古老冷泉碳酸盐岩揭示‘雪球地球’大冰期后海洋硫酸根浓度”为题在线发表于美国《国家科学院院刊》。彭永波为第一作者，南京大学国际同位素效应研究中心教授鲍惠铭为通讯作者。

冷泉碳酸盐岩广义上指微生物以甲烷作为主要的碳源，以硫酸根、铁锰氧化物、硝酸根等作为电子受体，通过生理代谢过程产生HCO3-增加水体碱度，从而形成的自生碳酸盐矿物沉淀。目前，最老的冷泉碳酸盐岩是大约635万年前三峡地区陡山沱组底部方解石，无机碳同位素δ13C小于-30‰甚至可以到-50‰。但是，科学界通过方解石的clumped的古温度推算，认为δ13C很负的方解石是后期热液成岩的产物。这些方解石的成因对于科学界了解“雪球地球”全球大冰期之后海洋中的硫酸根浓度，大气二氧化碳和氧气的浓度以及海洋的物理空间状态至关重要。

彭永波团队在厘定现代冷泉碳酸盐岩特有的高维度同位素特征的基础上，对标测试了陡山沱组底部这些超低的无机碳同位素的方解石，发现方解石中黄铁矿的硫同位素（δ34S值22.8‰到73.9‰ VCDT)，无机碳同位素（δ13C值–44.3‰到–4.0‰），有机碳同位素（δ13Corg值–46.1‰到–27.2‰），碳酸盐晶格硫酸根（CAS）的硫氧同位素（δ34S: 37.1‰到80.1‰，δ18O：12.9‰到22.2‰），?33Spyrite和δ34Spyrite的关系以及碳酸盐岩晶格硫酸根的硫氧同位素无一例外的和现代冷泉碳酸盐岩完全吻合。也就是说，陡山沱组底部这些超低的无机碳同位素的方解石是当时微生物硫酸盐还原作用耦合的甲烷厌氧氧化过程的产物。

在此基础之上，通过对比三峡地区7个剖面的地层化学指标发现，这些方解石是在盖帽白云岩溶蚀那一层之后才开始出现，而且在上面的白云岩无机碳同位素正飘之后，就消失了。这段时间也恰好对应白云岩中同生重晶石硫酸根17O负异常的时期。研究人员推断，这应该是海洋硫酸根浓度突然增加的结果，并推测硫酸根浓度可能达到了现在海洋的水平（~30 mM）。

这个地质时期，是地球地质历史上经历过的“最动荡的年代”。地球刚从“雪球地球”全球冰期中挣脱出来，海洋和大气的物理化学状态，仍然处于剧烈的动荡期。17O负异常的重晶石，碳同位素负异常的方解石，盖帽白云岩的地球化学和岩石学，结合模型，研究人员把海洋硫酸根浓度突然增加和17O负异常事件的发生时间限定在冰川开始融化后的5万年的时间内。这对认识地球的各个圈层面对极端事件如何相互作用和响应有重要帮助。

相关论文信息: https://doi.org/10.1073/pnas.2117341119