神秘“封印”破解4.4亿年前的海水成分之谜

作者：盛捷 陈孝政（中国科学院南京地质古生物研究所）

文章来源于科学大院公众号（ID：kexuedayuan）

——

海水是善变的。

当你面朝大海之时，你可知，亿万年来，海水的成分一直在“方解石海”和“文石海”之间波动着。

美国Sandberg教授在1983年，曾做过这样的猜想：自距今5.4亿年的新元古代以来，海水主要成分在方解石与文石中变化，相对应的被称为“方解石海”与“文石海”。

美国教授在1983年，曾做过这样的猜想：自距今5.4亿年的新元古代以来，大致在寒武纪-早石炭世、早侏罗世-新生代早期的两个阶段，海水主要成分由方解石构成，为“方解石海”；其余三个阶段——新元古代-寒武纪早期、晚石炭世-晚三叠世或者早侏罗世、新生代中期-现代，其海水主要成分由文石构成，被称为“文石海”。

但是，这些真的只是一个猜想！

如何区分是“方解石海”与“文石海”？

“方解石海”和“文石海”是根据海水中海相非生物壳碳酸盐岩的成分推测的。

翻拍于《矿物日历》中的矿物：方解石与文石

之所以称为“方解石海”，是其中含有的矿物主要由方解石构成，即：富钙离子（Ca2+）低硫酸根离子（SO42-）。

而称为“文石海”，则是因为其中含有的矿物成分主要由文石构成，即富镁离子（Mg2+）高硫酸根离子（SO42-）。

现代海水是“文石海”成分。

简而言之，就是里面的主要元素成分不同。那么，如何去分析古老的海水中的元素成分呢？

奇特的“封印”让“时间倒流”

一种奇特的“封印”要闪亮登场……流体包裹体！

海水中蒸发形成的石盐矿物（即：海盐）中的原生流体包裹体内，“封印”了当时的原始海水。

图为矿物中的流体包裹体（图片源自网络）

科研人员从其中提取原始海水的成分（货真价实的“过期”的海水），还原那时的海水成分。

流体包裹体是矿物形成期间的晶体缺陷孔洞，可以记录矿物形成时期的流体成分，比如:玛瑙中的水胆。

流体包裹体的研究方法：

前苏联科学家是从70年代开始，利用超微地球化学方法用毛细玻璃管提取石盐流体包裹体中的成分进行分析；

2001年，美国科学家的科研团队使用冷冻扫描电镜方法，分析地质时期的石盐流体包裹体中的成分，来恢复地质时期的海水成分；

直到2006年，来自中国的科研人员才开始按照国际上的方法来进行石盐流体包裹体的研究。

为何奥陶纪的海水成分是个空白？

从上世纪70年代开始，科研人员陆续分析出，自新元古代以来，各个阶段的海水的矿物成分。

这些研究结果，纷纷验证了Sandberg教授在1983年的猜想，仅剩下地质历史时期中较为重要的一环——奥陶纪，其海水成分一直是个谜。

奥陶纪时期的古地理图 （网络）

究其原因，这主要是由于地质历史时期，石盐沉积不连续沉积导致的。

因为全球范围内，奥陶纪海盐十分稀少。一直以来，科学家都没有来自奥陶纪时期的石盐流体包裹体成分的直接证据。

奥陶纪时期是生命演化的关键时期，在此期间发生了“奥陶纪大辐射”。奥陶纪生物大辐射事件中，较低的生物分类单元（目、科、属和种级别）多样性大量增加，海洋生物的丰度和分异度达到了一个高峰，分异度几乎是寒武纪的三倍。

实锤！中国科学家填补空白！

但，这个空白，在四十年后，被填上了！！！！

上世纪90年代中国鄂尔多斯盆地的石油勘探中发现了奥陶纪马家沟组石盐，而且，巨厚！！

近日，中国科学院南京地质古生物研究所的孟凡巍副研究员、中国地质科学院的张永生研究员、南京大学倪培教授与国内外的地质学家合作，在这个奥陶纪的马家沟组石盐中，科研人员也发现了原生的石盐流体包裹体。

奥陶纪石盐中的原生（左）与次生流体包裹体（右）

虽说，现如今，中国鄂尔多斯盆地的奥陶纪马家沟组，是一片黄土高坡。但是，4.43亿年前的奥陶纪时期，这是干旱带上的盆地，其古地理环境均符合海盐的形成。

此次科研使用的这些石盐流体包裹体，便来自于奥陶纪石盐。80年代到90年代初时，石油单位在当地钻井时打出的岩芯中，发现了它们的踪迹。

孟凡巍手持其中一块奥陶纪石盐

2009年开始，孟凡巍副研究员与国外合作，开始着手对该流体包裹体成分进行研究。

保存有流体包裹体的石盐

经过对流体包裹体中的卤水进行分析，表明：

1、该时期的海水成分与寒武纪海水成分相似，是富钙离子（Ca2+）低硫酸根离子（SO42-）的“方解石海”；

2、“奥陶纪大辐射”所处时期的海水长期稳定且温暖；

3、奥陶纪海水成分与其他地质时代相比钾离子更高，是一个十分适宜形成钾盐沉积的时期。

此次研究的意义在于：

1、该科研成果给“4.4亿年前的奥陶纪海水成分为‘方解石’加以实锤，填补了相关空白，也标志了中国在该研究领域占有了一席之地。

2、证实了奥陶纪生物演化时的环境稳定，给大辐射提供了条件。生物在稳定的环境中，可以长出钙质外壳，让生物外骨骼继续发展与演化。

3. 中国是钾盐较为缺乏的国家，此次科研人员在海水成分中发现了高浓度的钾离子，这也为未来寻找钾盐矿提供了证据。

本研究得到国家自然科学基金与中国科学院国际合作局“俄乌白项目”的支持。该文章近日在线发表于国际学术期刊Geological Quarterly上。

本文由中国科学院战略性先导科技专项（B类）“关键地史时期生物与环境演变过程及其机制”项目支持，中国科学院南京地质古生物研究所创作出品。