我院沈冰课题组揭示成冰纪全球冰封事件结束时的海洋甲烷生产过程

日期：2021-02-15

编者按：“雪球地球学说（The Snowball Earth Scenario）”在上世纪90年代由美国科学院院士Joe Kirschvink和Paul Hoffman提出后，迅速引起科学界的关注。近年来，北京大学地球与空间科学学院沈冰研究团队开展的一系列研究重新梳理了全球冰冻事件。2021年2月11日，该团队报道了全球冰期结束过程中存在活跃的甲烷菌微生物代谢和甲烷生产活动。

恰逢地球与空间科学学院成立20周年之际，本报道为院庆20周年系列成果展示之一。

成冰纪时期，地球上发生了两次全球冰期事件：Sturtian冰期（7.17 – 6.59亿年前）与Marinoan冰期（6.5 – 6.35亿年前）。全球冰期的地质记录—冰碛岩地层，在全球广泛分布，表明当时的海冰已覆盖到了低纬度地区甚至赤道区域，呈现出全球冰封状态，称之为“雪球地球事件”。全球冰封的解封需要极强的温室条件。数值计算结果认为雪球地球的结束需要大气CO2浓度达到10万ppm以上，即工业革命前数值的350倍以上。冰川表面的灰尘积累以及大气中其他温室气体（例如甲烷）的积累可以降低全球冰封解封的CO2阈值。前人研究发现雪球地球融化时存在甲烷的释放，但是对于这些甲烷的来源缺乏有效的示踪，产生过程和机理尚不清楚。

针对这一问题，北京大学地球与空间科学学院沈冰课题组与国内多家单位合作，对我国华南地区南沱组（Marinoan冰期沉积）顶部的黄铁矿结核进行了系统Ni同位素和稀土元素地球化学研究。结果显示，黄铁矿的Ni同位素与Ni含量、中稀土同重稀土比值与Ni含量之间存在负相关关系。考虑到甲烷菌活动优先吸收轻Ni同位素和重稀土组分，该研究结果表明黄铁矿的Ni同位素和稀土组分记录了甲烷菌与海水的混合过程，指示了在全球冰封结束时深海及海底的存在大量甲烷的生产过程（图1）。

图1雪球地球冰期结束时海洋生物地球化学循环过程

成冰纪雪球地球事件解体之后甲烷，真核生物迅速演化，开启了构建现代地球复杂生物圈的序幕，该研究为深入理解全球冰封的结束过程及之后海洋生态演化奠定了基础。另外甲烷，该研究原创了Ni同位素和稀土组分体系示踪甲烷菌活动的新手段甲烷柴油报警器，为今后了解古代海洋甲烷菌活动和海洋生物地球化学循环提供了一个新的思路和新的工具。

沈冰课题组长期从事新元古代全球冰期事件研究，该研究成果是继课题组在《美国科学院院报》（PNAS，Huang et al.，2016）、《自然⋅通讯》（Nature Communications，Lang et al., 2019）等论文后，又一篇关于全球冰封结束过程的研究文章。该系列工作为深入理解成冰纪全球冰封事件后地球气候、环境、生物演化过程具有重要的科学意义。

该成果于2021年2月11日发表于《自然⋅通讯》（Nature Communications）杂志上。沈冰研究员与中国地质大学（北京）的朱建明教授、成都理工大学的郎咸国教授为本文的共同通讯作者氧气检测仪，地空学院本科生赵洲峤（现为北京大学物理学院在读博士生）为本文第一作者。中国地质大学（北京）博士生吴广亮、中国科学院地球化学研究所博士生谭德灿、中国地质科学院博士生裴浩翔、地空学院博士生黄天正、甯濛、马浩然为本文共同作者。该成果获中国科学院战略性先导科技专项（B类）和国家自然科学基金共同资助。

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