Toarcian海洋缺氧事件及其对现代气候变化的启示

Toarcian海洋缺氧事件（T-OAE）及其对现代气候变化的启示

大约在1.83亿年前，现代南非的火山活动在30万到50万年间释放了约20500亿吨二氧化碳（CO2）进入海洋-大气系统。这一时期被称为Toarcian海洋缺氧事件（T-OAE），水中的缺氧导致了海洋物种的大规模灭绝。自工业革命以来，人类活动已经在不到0.1%的时间内累计排放了相当于T-OAE期间总CO2排放量的12%。T-OAE预示了如果温室气体排放继续增加，海洋可能会发生的情况。加州理工学院（2024USNews美国大学排名：7）的地球化学教授Francois Tissot表示，在T-OAE之前的海洋沉积物中可以看到大量化石，但随后它们突然消失。Tissot是6月24日发表在《美国国家科学院院刊》上的一项新研究的合著者，该研究描述了T-OAE期间海洋缺氧的程度。由乔治梅森大学的研究人员领导的团队从意大利南部的Mercato San Severino地区收集了30个分层石灰岩样本，以评估T-OAE期间海洋脱氧的严重程度。团队分析了样本的铀含量和同位素组成。通过测量海洋中铀的同位素组成，科学家可以推断出海洋中的缺氧量。研究发现，T-OAE期间的缺氧程度是现代海洋的28到38倍。研究结果表明，过去的OAE事件可以预示人为CO2排放对海洋生态系统的影响。如果不减少碳排放并继续增加CO2排放，海洋生态系统将受到严重负面影响。

Toarcian海洋缺氧事件（T-OAE）及其对海洋生物的影响

Toarcian海洋缺氧事件（T-OAE）是地球历史上一次重要的环境事件，对海洋生态系统造成了毁灭性打击。根据加州理工学院、乔治梅森大学、那不勒斯大学等国际研究人员的新研究，T-OAE的破坏性影响在30万到50万年间逐渐显现，但人类在极短时间内可能会造成更严重的影响。T-OAE期间，现代南非的火山活动释放了约20500亿吨二氧化碳，导致海平面上升、水温升高和酸化，进而引发海洋缺氧（缺氧症）和大规模海洋生物灭绝。研究人员通过分析意大利南部Mercato San Severino地区的石灰岩样本中的铀同位素，估算了当时的缺氧水平。结果显示，T-OAE期间的缺氧水平是现代海洋的28到38倍。自工业革命以来，人类排放的二氧化碳已经相当于T-OAE期间总排放量的12%，但时间仅为其0.1%。如果不减少碳排放，未来海洋生态系统将面临严重威胁。研究强调了迅速采取可持续实践的重要性，以避免重蹈T-OAE的覆辙。

T-OAE与工业革命期间二氧化碳排放的比较

早侏罗世大火成岩省的喷发及其碳排放常常与严重的环境扰动相吻合，并被假设为驱动这些扰动的原因。然而，由于大火成岩省的巨大规模以及岩浆挥发物含量和放射性同位素日期的不确定性，限制了我们详细解析气体排放的能力。本文利用威尔士Llanbedr（Mochras农场）钻孔的高分辨率（约5-200千年）沉积汞数据，推导出195-175百万年前的早侏罗世期间大火成岩省的脱气估算。相对较高的沉积汞水平与碳循环变化的时期相吻合，包括Toarcian海洋缺氧事件（183-182百万年前）。我们使用过量汞负荷来估算与大火成岩省相关的碳排放，揭示了多千年活动可能驱动了已知的二氧化碳分压和温度的增加。然而，先前基于碳循环模型的碳排放情景需要比我们提出的排放更快和更大的碳输入。解决这一差异可能需要气候-碳循环反馈或共同排放的气体来显著加剧碳循环响应，这些过程在当前模型中可能被低估了。我们长时间且几乎连续的早侏罗世大火成岩省活动记录展示了汞作为解决过去碳通量的工具的潜力。沉积汞测量表明，早侏罗世大火成岩省活动的碳排放低于碳循环模型的估算，暗示了未被考虑的反馈机制。

铀同位素在研究古代海洋条件中的作用

铀同位素在岩石记录中作为地球过去氧化还原条件的代理。然而，这些同位素显示出显著的变异性，复杂了特定氧化还原条件的解释。使用模式铀还原细菌Shewanella oneidensis MR-1，研究表明电子供体（如易降解有机碳）的丰度控制铀同位素分馏，高电子通量抑制分馏。此外，通过纯化关键的铀还原酶MtrC，研究显示分馏的幅度由蛋白质的氧化还原状态明确控制。最后，使用数学框架，研究表明这些分馏差异源于六价铀多步还原过程中的反应倾向。为了改进对自然环境中观察到的分馏的解释，研究建议在铀同位素系统模型中应纳入可变的内在分馏因子，以解释由有机碳可用性引起的电子通量差异。实验表明，有机物中的电子供体丰度控制了细菌还原过程中的铀同位素分馏，并将影响岩石记录中的铀同位素特征。

T-OAE研究对现代气候变化预测的启示

本文探讨了通过增强风化（EW）和海洋碱度增强（OAE）来去除二氧化碳（CO2）的潜在风险和共益。为了在21世纪末将全球变暖控制在2°C以内，人类需要从大气中去除数百亿吨的CO2。EW和OAE是两种被广泛认可的负排放技术（NETs），通过加速矿物风化反应来消耗CO2。EW是将粉碎的矿物分布在陆地上，而OAE则是将其分布在海洋表面。尽管这些方法可以有效地消耗大气中的CO2，但也会释放矿物溶解产物（如碱度、硅、钙、镁、铁、镍等），这些产物可能对海洋生态系统产生影响。研究表明，铁、镍和硅的增加可能对海洋初级生产者和生物地球化学通量产生显著影响，而碱度、钙和镁的影响相对较小。EW和OAE的生态和生物地球化学后果在很大程度上取决于所使用的矿物类型。本文提出了“白色海洋”和“绿色海洋”假说，分别描述了以碳酸钙和硅酸盐为主的EW/OAE方案可能导致的生态系统变化。为了评估这些技术的环境风险和共益，未来需要进行专门的研究。尽管EW和OAE可能成为实现大规模CO2去除的重要工具，但在决定实施之前，必须揭示其相关风险和共益。

综合总结

Toarcian海洋缺氧事件（T-OAE）为我们提供了一个重要的历史教训，揭示了大规模二氧化碳排放对海洋生态系统的毁灭性影响。通过对意大利南部Mercato San Severino地区石灰岩样本的铀同位素分析，研究人员发现T-OAE期间的缺氧程度是现代海洋的28到38倍。这一发现强调了如果不减少碳排放，现代海洋生态系统将面临类似的威胁。通过比较T-OAE与工业革命期间的二氧化碳排放，我们可以更好地理解当前气候变化的潜在风险。铀同位素在研究古代海洋条件中的作用也为我们提供了新的研究方法和工具。最后，T-OAE研究对现代气候变化预测的启示，强调了通过增强风化和海洋碱度增强等负排放技术来减少大气中的二氧化碳的重要性。然而，在实施这些技术之前，我们必须全面评估其潜在的环境风险和共益。总之，T-OAE的研究为我们提供了宝贵的历史教训，提醒我们必须采取紧急行动，以避免重蹈覆辙。

参考新闻资料:

1. Sediments Reveal the Ancient Ocean During a Mass Extinction Event
2. Mass extinction 183 million years ago offers dire warning for modern oceans
3. Early Jurassic large igneous province carbon emissions constrained by sedimentary mercury | Nature Geoscience
4. Electron flux is a key determinant of uranium isotope fractionation during bacterial reduction
5. CO2 Removal With Enhanced Weathering and Ocean Alkalinity Enhancement: Potential Risks and Co-benefits for Marine Pelagic Ecosystems

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