研究：4億年前氣候調節的變化伴隨著碳矽迴圈的根本改變

粘土是怎麼形成的

據外媒報道，地球的氣候在很長一段時間內相對穩定。在30億年的時間裡，氣溫一直很溫暖，二氧化碳含量也很高，直到大約4億年前發生了一次轉變。

一項新研究表明，這一變化伴隨著碳矽迴圈的根本改變。

美因茨大學（Johannes Gutenberg University Mainz，簡稱JGU）的地球科學家Philip Pogge von Strandmann教授表示：“前寒武紀的穩定狀態轉變為我們今天看到的更不穩定的氣候，可能是由於新生命形式的出現和傳播。”

他跟耶魯大學的研究人員在海洋沉積物中鋰同位素的幫助下對碳矽迴圈的長期演化進行了追蹤。這個迴圈被認為是控制地球氣候的關鍵機制，因為它會調節二氧化碳水平並隨之調節溫度。研究人員的發現最近發表在《自然》上。

碳矽迴圈是氣候的關鍵調節器

儘管太陽光度、大氣氧濃度和地殼的組成有很大的變化，但碳矽迴圈使地球的氣候在很長一段時間內保持穩定。這種穩定的氣候為生命在地球上長期定居創造了條件並使最初的簡單生命形式和後來的複雜生命形式在數十億年的時間裡得以發展。碳矽迴圈透過調節大氣中二氧化碳的水平而促成了這一點。

由於風化作用和沉積作用，矽酸鹽岩石轉變為碳酸鹽巖，而碳酸鹽巖又透過火山作用等因素重新轉變為矽酸鹽岩石。當矽酸鹽岩石轉化為碳酸鹽岩石時，二氧化碳從大氣中被去除，而相反的過程則會再次釋放出二氧化碳。“我們認為這是地球氣候長期穩定的主要機制，”Pogge von Strandmann說道。

為了追溯碳矽迴圈的長期歷史和更好地理解控制地球氣候的精確關係，研究小組研究了海洋碳酸鹽中鋰同位素的比例。鋰只存在於矽酸鹽岩石及其矽酸鹽和碳酸鹽風化產物中。研究小組分析了600多份沉積在淺層原始海水中的沉積物樣本，這些樣本來自世界各地的100多個不同的岩層，其中包括加拿大、非洲和中國。“我們用這些樣本建立了一個涵蓋過去30億年的新資料庫，”Pogge von Strandmann說道。

這些資料顯示，從30億年前到4億年前，海洋中鋰-7和鋰-6同位素的比例很低，然後突然出現增加。正是在這個時期，陸地植物進化了，同時，海綿動物和放射蟲等骨骼由矽組成的海洋動物遍佈了海洋。Philip Pogge von Strandmann教授補充稱：“兩者都起了作用，但到目前為止，我們還不知道這兩個過程是如何耦合的。”

“粘土工廠”向土地的遷移影響了碳矽迴圈

研究結果表明，在地球的過去，粘土（一種由非常細的顆粒組成的次生矽酸鹽岩石）的形成程度發生了巨大的變化——可能是由於陸地上粘土形成的增加和海洋中粘土形成的減少。粘土的形成是碳矽迴圈的關鍵組成部分，它影響鋰同位素的比例。在陸地上，它是由矽酸鹽岩石的廣泛風化作用造成的，但在海洋中，涉及到一系列不同的過程。增加的大陸粘土形成被認為降低了大氣中的二氧化碳水平。相比之下，被稱為“反向風化”的海洋粘土的形成則會釋放二氧化碳，所以它的減少同樣會降低大氣中的二氧化碳水平。

研究人員們表示，這表明，隨著時間的推移，地球上的氣候調節模式及這一過程發生的主要地點發生了巨大的變化：“前寒武紀的地球狀態向現代狀態的轉變可能要歸功於重大的生物創新——海綿動物、放射蟲、矽藻和陸生植物的輻射。”從那以後，這種氣候調節的改變的結果已經非常明顯，其表現為寒冷的冰川期和溫暖的冰川期之間的頻繁交替。然而這種氣候的不穩定性反過來又有助於加速進化。