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神祕“封印”破解4.4億年前的海水成分之謎

http://finance.sina.com   2018年12月04日 18:53   北京新浪網

  來源:科學大院

  海水是善變的。

  當你面朝大海之時,你可知,億萬年來,海水的成分一直在“方解石海”和“文石海”之間波動着。

  美國Sandberg教授在1983年,曾做過這樣的猜想:自距今5.4億年的新元古代以來,海水主要成分在方解石與文石中變化,相對應的被稱爲“方解石海”與“文石海”。

美國教授在1983年,曾做過這樣的猜想:自距今5.4億年的新元古代以來,大致在寒武紀-早石炭世、早侏羅世-新生代早期的兩個階段,海水主要成分由方解石構成,爲“方解石海”;其餘三個階段——新元古代-寒武紀早期、晚石炭世-晚三疊世或者早侏羅世、新生代中期-現代,其海水主要成分由文石構成,被稱爲“文石海”。美國教授在1983年,曾做過這樣的猜想:自距今5.4億年的新元古代以來,大致在寒武紀-早石炭世、早侏羅世-新生代早期的兩個階段,海水主要成分由方解石構成,爲“方解石海”;其餘三個階段——新元古代-寒武紀早期、晚石炭世-晚三疊世或者早侏羅世、新生代中期-現代,其海水主要成分由文石構成,被稱爲“文石海”。

  但是,這些真的只是一個猜想!

  如何區分是“方解石海”與“文石海”?

  “方解石海”和“文石海”是根據海水中海相非生物殼碳酸鹽巖的成分推測的。

翻拍於《礦物日曆》中的礦物:方解石與文石翻拍於《礦物日曆》中的礦物:方解石與文石

  之所以稱爲“方解石海”,是其中含有的礦物主要由方解石構成,即:富鈣離子(Ca2+)低硫酸根離子(SO42-)。

  而稱爲“文石海”,則是因爲其中含有的礦物成分主要由文石構成,即富鎂離子(Mg2+)高硫酸根離子(SO42-)。

  現代海水是“文石海”成分。

  簡而言之,就是裏面的主要元素成分不同。那麼,如何去分析古老的海水中的元素成分呢?

  奇特的“封印”讓“時間倒流”

  一種奇特的“封印”要閃亮登場……流體包裹體!

  海水中蒸發形成的石鹽礦物(即:海鹽)中的原生流體包裹體內,“封印”了當時的原始海水。

圖爲礦物中的流體包裹體(圖片源自網絡)圖爲礦物中的流體包裹體(圖片源自網絡)

  科研人員從其中提取原始海水的成分(貨真價實的“過期”的海水),還原那時的海水成分。

  流體包裹體是礦物形成期間的晶體缺陷孔洞,可以記錄礦物形成時期的流體成分,比如:瑪瑙中的水膽。

  流體包裹體的研究方法:

  前蘇聯科學家是從70年代開始,利用超微地球化學方法用毛細玻璃管提取石鹽流體包裹體中的成分進行分析;

  2001年,美國科學家的科研團隊使用冷凍掃描電鏡方法,分析地質時期的石鹽流體包裹體中的成分,來恢復地質時期的海水成分;

  直到2006年,來自中國的科研人員纔開始按照國際上的方法來進行石鹽流體包裹體的研究。

  爲何奧陶紀的海水成分是個空白?

  從上世紀70年代開始,科研人員陸續分析出,自新元古代以來,各個階段的海水的礦物成分。

  這些研究結果,紛紛驗證了Sandberg教授在1983年的猜想,僅剩下地質歷史時期中較爲重要的一環——奧陶紀,其海水成分一直是個謎。

奧陶紀時期的古地理圖 (網絡)奧陶紀時期的古地理圖 (網絡)

  究其原因,這主要是由於地質歷史時期,石鹽沉積不連續沉積導致的。

  因爲全球範圍內,奧陶紀海鹽十分稀少。一直以來,科學家都沒有來自奧陶紀時期的石鹽流體包裹體成分的直接證據。

  奧陶紀時期是生命演化的關鍵時期,在此期間發生了“奧陶紀大輻射”。奧陶紀生物大輻射事件中,較低的生物分類單元(目、科、屬和種級別)多樣性大量增加,海洋生物的丰度和分異度達到了一個高峯,分異度幾乎是寒武紀的三倍。

  實錘!中國科學家填補空白!

  但,這個空白,在四十年後,被填上了!!!!

  上世紀90年代中國鄂爾多斯盆地的石油勘探中發現了奧陶紀馬家溝組石鹽,而且,巨厚!!

  近日,中國科學院南京地質古生物研究所的孟凡巍副研究員、中國地質科學院的張永生研究員、南京大學倪培教授與國內外的地質學家合作,在這個奧陶紀的馬家溝組石鹽中,科研人員也發現了原生的石鹽流體包裹體。

奧陶紀石鹽中的原生(左)與次生流體包裹體(右)奧陶紀石鹽中的原生(左)與次生流體包裹體(右)

  雖說,現如今,中國鄂爾多斯盆地的奧陶紀馬家溝組,是一片黃土高坡。但是,4.43億年前的奧陶紀時期,這是乾旱帶上的盆地,其古地理環境均符合海鹽的形成。

  此次科研使用的這些石鹽流體包裹體,便來自於奧陶紀石鹽。80年代到90年代初時,石油單位在當地鑽井時打出的巖芯中,發現了它們的蹤跡。

孟凡巍手持其中一塊奧陶紀石鹽孟凡巍手持其中一塊奧陶紀石鹽

  2009年開始,孟凡巍副研究員與國外合作,開始着手對該流體包裹體成分進行研究。

保存有流體包裹體的石鹽保存有流體包裹體的石鹽

  經過對流體包裹體中的滷水進行分析,表明:

  1、該時期的海水成分與寒武紀海水成分相似,是富鈣離子(Ca2+)低硫酸根離子(SO42-)的“方解石海”;

  2、“奧陶紀大輻射”所處時期的海水長期穩定且溫暖;

  3、奧陶紀海水成分與其他地質時代相比鉀離子更高,是一個十分適宜形成鉀鹽沉積的時期。

  此次研究的意義在於:

  1、該科研成果給“4.4億年前的奧陶紀海水成分爲‘方解石’加以實錘,填補了相關空白,也標誌了中國在該研究領域佔有了一席之地。

  2、證實了奧陶紀生物演化時的環境穩定,給大輻射提供了條件。生物在穩定的環境中,可以長出鈣質外殼,讓生物外骨骼繼續發展與演化。

  3、中國是鉀鹽較爲缺乏的國家,此次科研人員在海水成分中發現了高濃度的鉀離子,這也爲未來尋找鉀鹽礦提供了證據。

  本研究得到國家自然科學基金與中國科學院國際合作局“俄烏白項目”的支持。該文章近日在線發表於國際學術期刊Geological Quarterly上。

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