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张雅琦,March 29, 2024
透光层是海洋的最上层，离海洋表面最近。在这个区域，足够的光穿透水进行光合作用。透光带深度通常为0-200m，可以根据水的浊度来改变。初级生产者在透光层进行光合作用，是初级生产力的主要发生层位，所以透光层是海洋生物地球化学循环最活跃的层位。Ba元素呈现类营养元素的分布，在透光层表面贫化，富含Ba的物质再矿化导致深水富集，Ba同位素在透光层表面偏重，向深处逐渐变轻。Ba的主要赋存形式是重晶石（BaSO4），但海洋中的硫酸钡是不饱和的。虽然海洋中BaSO4不饱和，但是依旧能形成重晶石沉淀，因为微生物席中的有机物（OM）聚集体和细胞外聚合物（EPS）为微重晶石的前体无定形磷酸钡结晶创造了有利的微环境条件，当磷酸钡遇到硫酸根，就会产生硫酸钡沉淀。前人研究表明全海洋范围内的Ba循环演化是与S耦合的。但是对于透光层，Ba循环演化最活跃的层位，以及Ba含量及同位素变化最大的层位，了解透光层的Ba循环演化特征对理解地质历史时期的Ba循环是非常关键的。
为了探究透光层的Ba循环特征，需要寻找一个透光层的载体来进行研究。叠层石或许能够满足这个要求。叠层石是由光合微生物形成的具有层状沉积构造的岩石。叠层石在前寒武纪最为普遍，峰值出现在新元古代早期，而后逐渐减少。在时间上分布相对来说是比较连续存在的，所以，叠层石是否能够记录透光层的Ba循环问题。为此，研究者选取了不同时代的叠层石样品，从太古宙、元古宙、显生宙到全新世的样品，并且样品来自不同的沉积环境，有开放的海洋，也有封闭的环境。对样品进行了淋滤，提取了其中的碳酸盐组分。然后对提取出来的组分进行了碎屑和成岩作用的评估（图1）。通过一个碎屑校正，得到了自生Ba同位素组成与碎屑Ba占比的相关性图解。两者没有明显的相关性，Ba系统上的碎屑污染可以忽略不计。并且δ138Baauth 与Sr、Mg/Ca比、δ18Ocarb之间缺乏相关性意味着沉积后流体-岩石相互作用没有显著的掩盖了初始δ138Baauth值。因此，作者认为叠层石碳酸盐中的Ba同位素信号直接反映了碳酸盐沉淀的环境流体Ba的主要地球化学特征。所研究的叠层石中的Ba同位素可直接用于追踪早期微生物介导的重晶石形成和碳酸盐沉淀期间的Ba循环，直接与硫酸盐限制的微环境下的初级生产力和随后的有机物再矿化有关。
图1.碎屑和成岩作用的评估（Simon et al., 2024, EPSL）
在确定叠层石能够记录透光层的Ba地球化学特征之后，可以继续追究透光层的Ba循环问题。本文的微生物碳酸盐数据库代表了浅水透光带内的微生物微环境，显示CAB在深层时间内没有统计上的显著变化，这与新元古代富含有机质的泥岩形成了鲜明对比，后者显示出Ba含量的增加（G.-Y Wei et al., 2022, Geology）。所以在叠层石微环境中形成的微生物碳酸盐很可能不是全球前寒武纪海洋中溶解钡的重要钡汇，溶解钡的停留时间在过去可能要长得多。
在封闭环境中，重晶石溶解，例如通过嗜盐细菌溶解，以及与低硫酸盐淡水混合，可能是轻Ba同位素进入环境流体的来源，导致这些环境中的叠层石碳酸盐Ba同位素值可变和变轻。从太古宙到全新世，沉积在开放海洋环境中的叠层石碳酸盐岩揭示了过去海洋透光层的δ138Basw值（图2）。在开放海洋中，叠层石碳酸盐中的Ba同位素是重建透光层表面海洋长期Ba同位素组成和Ba生物地球化学循环的一种有用的新指标。
图2. 透光层叠层石中Ba同位素的深时演化（Simon et al., 2024, EPSL）
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