科学家研究板块构造变化对海洋含氧量影响(2)

Kast团队首次将该方法用到百万年尺度的氮循环研究，对太平洋、北大西洋和南大西洋3个钻孔70—25百万年前（Ma）的浮游有孔虫的氮同位素进行了分析，建立了这一时期较高分辨率的氮同位素组成的变化特征：古新世（~56—65 Ma）较为稳定的高值阶段，始新世早期（~56—50 Ma）的快速下降阶段，始新世中—晚期（~50—34 Ma）的低值阶段以及渐新世早期的逐渐升高阶段。

有孔虫壳体的氮同位素组成（FB—?啄15N）主要受控于反硝化（将硝酸盐还原成氮气）过程所发生的位置及通量。“当反硝化作用发生在缺氧的水柱中时，其同位素效应能够很好表现出来，使得残余的硝酸盐富集15N，而当反硝化发生在沉积物中时，由于该过程比较彻底，反硝化作用会消耗水体的生物可利用氮，但对水体的氮同位素组成没有影响。”罗根明说。

结合大地构造背景、不同水层温度变化特征及两极冰盖的演化，Kast等人对上述氮同位素组成的变化进行了探讨。罗根明提到，古新世高的FB—?啄15N与当时高海水温度相一致，可能与高温所引起的海洋中层低含氧带的扩张有关，后者使得反硝化作用加强。相对应的，始新世中—晚期以来的低FB—?啄15N值与低的温度相对应，说明这时期海洋中层水缺氧程度和水体反硝化作用减弱。

隐藏的“凶手”

当研究人员收集了前所未有的海洋氮地质记录后，他们发现在恐龙灭绝后的1000万年里，15N/14N的比例很高，这表明海洋的氧气水平很低。起初，他们认为这是当时温暖的气候造成的，因为氧气在温暖的水中不容易溶解。但时间却告诉人们另一个故事：海洋氧气含量的增加发生在5500万年前，当时气候持续变暖。

“与我们最初的预期相反，全球气候并不是海洋氧氮循环变化的主要原因。”Kast说。更有可能的罪魁祸首是谁？板块构造。

印度与亚洲的碰撞——被现代气候研究创始人之一、地球科学家Wally Broecker称为“改变世界的碰撞”——封闭了古特提斯海，扰乱了大陆架及其与公海的联系。

研究人员推测，由于特提斯洋的关闭，终止了特提斯洋高温、高盐及低氧的水体进入大西洋，进而减弱了水体的反硝化作用。同样，渐新世以来的FB-?啄15N升高可能也受到了冰盖扩张的影响。

“冰盖扩张使得陆架水域面积减小，进而降低了沉积物中的反硝化作用，减缓了固氮微生物补充的氮量（具有低的氮同位素组成）。”罗根明说。

罗根明还提到，这篇文章构建了基于有孔虫壳体的长时间尺度的氮同位素变化特征，并探讨了氮循环与气候和大地构造背景的内在联系，为理解当前全球变暖背景下氮循环波动及其对气候的反馈机制有重要的参考价值，论文对后者的讨论较为不足。此外，对于一些细节问题，如特提斯洋的关闭为何对太平洋的影响更为明显，以及区域性固氮微生物的活动对氮同位素组成的影响，也值得更进一步讨论。

“论文提出了很多问题，未来有无数工作等着我们。例如，我们想做一些更严格的气候和海洋模型，了解海洋环流变化的可能性及其对海洋氮和氧的影响。”Kast说。