学院胡文瑄教授团队在古湖泊甲烷循环及气候效应方面取得重要进展

发布者:陆昀乔发布时间:2022-08-30浏览次数:10


甲烷作为重要的温室气体,在地质尺度的记录与影响因素不很清楚,限制了对全球气候变化意义的理解,是当前地球科学的重大前沿问题。晚古生代大冰期(约3.4亿~2.9亿年前)具有与当今所处第四纪大冰期相当的大气CO2O2浓度,因此是研究现代地球宜居性和全球变化的重要参照,并且因具有显生宙最高的大气CH4浓度,所以是研究深时甲烷循环及其气候效应的重要对象,然而相关研究因地球系统的复杂性还较少。

南京大学地球科学与工程学院胡文瑄教授团队以我国西北地区新疆准噶尔盆地南缘的芦草沟组湖相沉积岩为研究对象,在前期工作基础上(Geology, 2021; 报道了产甲烷古菌微化石群),与沈树忠院士团队合作,开展了同位素年代学和有机-无机地球化学综合研究,揭示了早二叠世关键气候转折期发生了持续加剧的湖泊CH4动态循环,提出湖泊CH4排放是促进晚古生代大冰期结束和气候变暖的重要因素。

1)获得了芦草沟组首个高精度CA-ID-TIMS火山灰锆石年龄,明确了其为早二叠世沉积,修正了长期以来认为是中二叠世的传统认识。芦草沟组是准噶尔盆地所处北疆地区的一套重要烃源岩,也是关键的页岩油、油页岩资源勘探开发层位,具有重要的经济价值。长期以来该层位缺乏绝对年代约束,其时代归属存在争议。本次研究在芦草沟组上部发现了一层厚约4 cm的火山灰,锆石U-Pb CA-ID-TIMS年龄为286.39 ± 0.25/0.30/0.43 Ma;下伏井井子沟组近顶部的凝灰质粉砂岩的最大沉积年龄为294.1 ± 1.4 Ma(图1),共同限定芦草沟组沉积于早二叠世萨克马尔期(Sakmarian-亚丁斯克期(Artinskian)。该年龄数据确立了新的年代地层格架,对准噶尔盆地地层对比、构造演化和石油地质研究具有重要的时限意义。

1 准噶尔盆地南缘芦草沟组上部火山灰及关键层位的高精度绝对年龄

2)揭示了芦草沟组记录的湖泊CH4动态循环,不断增加的CH4排放有助于晚古生代大冰期的结束和气候变暖。自生白云石和细菌来源藿烷生物标志物的碳同位素组成揭示了微生物CH4动态循环:富13C的自生白云石(δ13C > +10‰)表明缺氧湖泊沉积物中强烈的CH4生成;贫13C的藿烷(δ13C值低至-63‰)指示上覆水柱中活跃的好氧CH4氧化(图2)。CH4循环的加剧与早二叠世亚丁斯克期气候变暖同步发展,持续了至少3~5个百万年。此时全球冰川沉积数量下降6倍,标志着晚古生代冰期的结束。大量的温室气体CH4从古准噶尔湖排放到大气中,初步计算通量为6.4 Tg CH4 yr-1(占当今湖泊年排放总量的5~28%)。湖泊CH4排放可能是全球碳循环扰动的重要驱动机制,并为气候变暖提供正反馈,推动了一个长期冰室向温室气候的转变。这一认识有助于深化理解地球显生宙历史上最显著、最神秘的气候转变,明确湖泊CH4排放在气候变化中的重要作用,特别是在当今全球不断变暖、冰川加速消融的背景下,除了CO2,需要进一步重视CH4在不同时间尺度的增温效应,这是全球变化研究的重要科学问题。

2 准噶尔盆地芦草沟组碳同位素、地表温度及早二叠世气候演变

这项成果以“Sustained and intensified lacustrine methane cycling during Early Permian climate warming”为题,于2022818日在线发表于Nature Communications。论文第一作者是南京大学博士研究生孙福宁,通讯作者为胡文瑄教授,共同作者包括沈树忠院士、曹剑教授、王小林教授、中石化无锡石油地质研究所张志荣研究员、麻省理工学院Jahandar Ramezani博士。该研究得到了国家自然科学基金重点项目、中科院青藏高原第二次科考计划专题项目,以及教育部关键地球物质循环前沿科学中心的资助。论文信息与链接:

1. Sun, F., Hu, W.*, Cao, J., Wang, X., Zhang, Z., Ramezani, J., Shen, S., 2022. Sustained and intensified lacustrine methane cycling during Early Permian climate warming. Nature Communications, 13, 4856. https://doi.org/10.1038/s41467-022-32438-2

2. Sun, F., Hu, W.*, Wang, X., Cao, J., Fu, B., Wu, H., Yang, S., 2021. Methanogen microfossils and methanogenesis in Permian lake deposits. Geology, 49, 13–18. https://doi.org/10.1130/G47857.1