Stromatolite records of environmental change in perennially ice-covered Lake Joyce, McMurdo Dry Valleys, Antarctica

疊層石記錄了南極麥克默多干谷常年被冰覆蓋的喬伊斯湖的環(huán)境變化

來源：Biogeochemistry (2018) 137:73–92

 

論文概述

研究聚焦于南極麥克默多干谷中永冰覆蓋的喬伊斯湖，通過分析現(xiàn)代分支柱狀疊層石的碳、氧同位素組成，揭示了在湖面上升背景下，微生物活動(dòng)與湖泊物理化學(xué)環(huán)境變化的耦合關(guān)系。

1. 摘要核心內(nèi)容

摘要指出，富含方解石的分支柱狀疊層石在喬伊斯湖湖面上升期間生長(zhǎng)。疊層石方解石中的碳、氧同位素記錄了這一過程中，由于光照環(huán)境和水化學(xué)變化所導(dǎo)致的微生物活動(dòng)改變。最內(nèi)部（最古老）方解石帶的δ13C值變化范圍大，反映了光合作用對(duì)局部溶解無機(jī)碳（DIC）碳同位素組成的可變影響。隨后的方解石帶顯示δ13C值隨時(shí)間富集了約+2.6‰，且變異性減小，這很可能記錄了光合作用在數(shù)十年間從DIC庫(kù)中移除12C的過程，同時(shí)光合作用效應(yīng)隨著光照水平降低并趨于穩(wěn)定而減弱。最內(nèi)部方解石帶的平均δ1?O值顯著低于其他帶，這可能與湖面上升引發(fā)水體分層、導(dǎo)致不同同位素組成的源水混合有關(guān)。喬伊斯湖疊層石記錄了相對(duì)光合速率的顯著空間差異以及DIC庫(kù)被微生物改造的長(zhǎng)期湖水分層現(xiàn)象。

2. 研究目的

本研究的主要目的是利用喬伊斯湖現(xiàn)代微生物碳酸鹽（疊層石）的穩(wěn)定同位素地球化學(xué)特征，將微生物活動(dòng)與不斷變化的環(huán)境條件（特別是湖面上升）聯(lián)系起來。通過建立這種聯(lián)系，可以為解釋極地古湖泊沉積物中的微生物活動(dòng)提供標(biāo)準(zhǔn)，并深入理解麥克默多干谷地區(qū)伴隨氣候變化而變化的湖泊環(huán)境。

3. 研究思路

研究采用了將現(xiàn)代環(huán)境觀測(cè)與疊層石生長(zhǎng)檔案相結(jié)合的多尺度、多指標(biāo)研究思路：

 

環(huán)境背景重建：整合歷史航拍照片（圖1， Supplementary Fig. S2）、湖水化學(xué)剖面數(shù)據(jù)（導(dǎo)電率、同位素）和新建的湖底地形模型，重建喬伊斯湖自1947年以來的湖面上升歷史和環(huán)境變化（如淡水透鏡體的形成和演化）。

 

現(xiàn)代過程觀測(cè)：使用丹麥Unisense的pH微電極在12米深度的微生物墊中進(jìn)行原位pH剖面和晝夜時(shí)序測(cè)量（圖3），以揭示微生物光合作用對(duì)微環(huán)境化學(xué)的實(shí)時(shí)影響。同時(shí)測(cè)量水下光合有效輻射（PAR）。

 

疊層石樣本分析：通過SCUBA潛水從21.8-23.0米深度采集完整的柱狀疊層石巖芯（圖2，圖4）。利用X射線CT掃描、巖石切片學(xué)等方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)表征，識(shí)別出三個(gè)連續(xù)的方解石帶（Zone 1-3）。

 

 

同位素記錄解讀：對(duì)疊層石不同生長(zhǎng)帶（層）的方解石進(jìn)行微鉆和 dissection 取樣，分析其δ13Ccalcite和δ1?Ocalcite值（圖5，圖6），并分析相關(guān)有機(jī)質(zhì)的δ13Corg值。將這些同位素記錄與重建的環(huán)境變化歷史進(jìn)行對(duì)比，解釋其控制機(jī)制。

 

 

 

4. 測(cè)量數(shù)據(jù)、來源及其研究意義

測(cè)量的數(shù)據(jù)類型與意義

 

湖面變化與水體分層歷史（來自 圖1, 圖7, Supplementary Fig. S2）

 

數(shù)據(jù)：通過歷史航片和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量確定的湖岸線變化、湖水導(dǎo)電率垂直剖面。

 

研究意義：定量重建了喬伊斯湖自1947年以來約13米的湖面上升過程（平均0.2米/年）及穩(wěn)定的水體鹽度分層結(jié)構(gòu)。這為疊層石生長(zhǎng)提供了精確的環(huán)境時(shí)間框架，是解釋同位素變化的前提。

 

疊層石巖石學(xué)與結(jié)構(gòu)（來自 圖2, 圖4）

 

數(shù)據(jù)：疊層石的宏觀形態(tài)、內(nèi)部紋層結(jié)構(gòu)、方解石礦物學(xué)特征（如針狀叢晶、塊狀晶等）。

 

研究意義：識(shí)別出三個(gè)連續(xù)的方解石帶（Zone 1-3），證明了疊層石是同步生長(zhǎng)的，其結(jié)構(gòu)序列記錄了一個(gè)連續(xù)的環(huán)境變化序列。不同紋理可能反映了不同的沉淀?xiàng)l件。

 

方解石碳、氧同位素（δ13Ccalcite, δ1?Ocalcite）（來自 圖5, 圖6）

 

數(shù)據(jù)：疊層石從內(nèi)到外不同生長(zhǎng)帶的δ13Ccalcite和δ1?Ocalcite值。

 

研究意義：這是論文最核心的證據(jù)。Zone 1的δ13Ccalcite值范圍寬（~4‰），而向外（Zone 2, 3）逐漸富集且變異性減??；Zone 1的δ1?Ocalcite值顯著低于后續(xù)區(qū)域。這些趨勢(shì)直接記錄了微生物光合作用對(duì)碳循環(huán)的影響以及湖水來源/混合歷史的變化。

 

微生物墊原位pH測(cè)量（來自 圖3）

 

數(shù)據(jù)：使用Unisense微電極在微生物墊-水界面附近測(cè)量的pH垂直剖面和晝夜變化。

 

研究意義：直接證明了微生物光合作用會(huì)導(dǎo)致墊體表面pH顯著升高（最高達(dá)10.7），且這種效應(yīng)具有晝夜節(jié)律。這為解釋疊層石δ13Ccalcite變化（光合作用驅(qū)動(dòng)DIC分餾）提供了關(guān)鍵的機(jī)制證明和現(xiàn)代類比。

 

水體與入流河水化學(xué)（來自 文本和補(bǔ)充材料）

 

數(shù)據(jù)：湖水不同深度的DIC濃度、δ13CDIC、δ1?OH2O；入流河水的化學(xué)組成。

 

研究意義：提供了疊層石沉淀流體的化學(xué)背景。顯示了DIC庫(kù)存在強(qiáng)烈的垂向梯度（光合作用導(dǎo)致淺水δ13CDIC偏正，呼吸作用導(dǎo)致深水偏負(fù)），并揭示了不同源水（冰川融水、湖水）的同位素端元，有助于解釋?duì)??Ocalcite的變化。

 

5. 主要結(jié)論

論文得出以下核心結(jié)論：

 

疊層石記錄了湖面上升期間的環(huán)境變化：?jiǎn)桃了购寞B層石生長(zhǎng)于一個(gè)變化的環(huán)境中，其同位素組成忠實(shí)地記錄了伴隨湖面上升而發(fā)生的光照、水體分層和化學(xué)條件的變化。

δ13Ccalcite記錄的光合作用演化：最內(nèi)部（Zone 1）δ13Ccalcite的大的變異性反映了在較淺水深、冰蓋透光性不均一條件下，光合速率在空間上存在巨大差異。隨著湖面上升，疊層石所處水深增加，光照強(qiáng)度降低且變得更均一，導(dǎo)致δ13Ccalcite值逐漸富集（因光合作用長(zhǎng)期移除12C使整個(gè)DIC庫(kù)變重）且變異性減小。

δ1?Ocalcite指示的水體混合與分層：Zone 1偏負(fù)的δ1?Ocalcite值反映了疊層石生長(zhǎng)早期，富1?O的冰川融水與貧1?O的殘留湖水在冰蓋下發(fā)生混合。隨后δ1?Ocalcite值的升高和穩(wěn)定，表明穩(wěn)定的水體分層已經(jīng)建立，疊層石所處的深層水被隔離，水化學(xué)趨于穩(wěn)定。

 

對(duì)古湖泊研究的啟示：研究表明，在解釋古湖泊碳酸鹽同位素記錄時(shí)，必須結(jié)合古水文證據(jù)（如湖岸線）。δ13Ccalcite值的變異性可能指示光合作用的強(qiáng)弱和光照環(huán)境的均一性，而δ1?Ocalcite值有助于判斷水體的分層或混合狀態(tài)。單獨(dú)使用δ13Ccalcite趨勢(shì)可能會(huì)產(chǎn)生多解性（如本文的富集趨勢(shì)既可解釋為湖面上升/分層，也可誤解為湖面下降/光合增強(qiáng)）。

 

6. 詳細(xì)解讀：Unisense電極測(cè)量數(shù)據(jù)的研究意義

論文中使用丹麥Unisense公司的pH微電極（p50型，尖端直徑50μm）進(jìn)行了關(guān)鍵的原位測(cè)量。

測(cè)量數(shù)據(jù)：在12米水深的微生物墊中，獲得了高分辨率（0.5毫米間隔）的pH垂直剖面（圖3b）以及在墊-水界面固定點(diǎn)進(jìn)行的超過24小時(shí)的pH時(shí)序記錄（圖3a）。

詳細(xì)研究意義解讀：

 

提供了光合作用驅(qū)動(dòng)微環(huán)境變化的直接證據(jù)：Unisense微電極能夠穿透微生物墊的擴(kuò)散邊界層，直接測(cè)量墊體內(nèi)部的化學(xué)微環(huán)境。數(shù)據(jù)顯示，在光照下（正午時(shí)分），微生物墊表面的pH可高達(dá)10.6以上，而隨著深度增加，pH逐漸降低至背景湖水水平（約10.3）。這直接、原位地證實(shí)了微底棲生物的光合作用通過消耗HCO??，顯著提高了其微生境中的pH值。這種pH升高是促進(jìn)方解石沉淀的關(guān)鍵因素之一。

揭示了生物地球化學(xué)過程的晝夜動(dòng)態(tài)：時(shí)序測(cè)量數(shù)據(jù)（圖3a）顯示，墊-水界面的pH存在明顯的晝夜波動(dòng)：下午時(shí)分最高（~10.7），午夜至凌晨最低（~10.5）。這種波動(dòng)與模型計(jì)算的光照周期高度吻合，強(qiáng)有力地證明了pH變化是由光合作用的晝夜節(jié)律所驅(qū)動(dòng)。這表明疊層石形成環(huán)境中的化學(xué)條件并非穩(wěn)態(tài)，而是在小時(shí)尺度上動(dòng)態(tài)變化的。

為解釋疊層石同位素記錄提供了機(jī)制鏈接：Unisense數(shù)據(jù)測(cè)得的pH變化（> 0.2個(gè)單位）對(duì)于方解石的沉淀和同位素分餾具有重要影響。

 

對(duì)碳同位素的影響：光合作用不僅改變pH，還會(huì)優(yōu)先吸收12C，導(dǎo)致墊體周圍DIC的δ13C升高。Unisense數(shù)據(jù)證實(shí)了光合作用的強(qiáng)度和動(dòng)態(tài)變化，為解釋疊層石Zone 1中δ13Ccalcite值的巨大空間變異（源于冰蓋透光不均導(dǎo)致的光合速率差異）提供了堅(jiān)實(shí)的機(jī)制支持。同時(shí)，pH升高本身也可能通過影響DIC物種（HCO??, CO?2?）的比例而影響沉淀方解石的δ13C。

 

對(duì)氧同位素的影響：pH的變化會(huì)影響方解石-水之間的氧同位素分餾系數(shù)。Unisense數(shù)據(jù)揭示的pH動(dòng)態(tài)表明，疊層石沉淀時(shí)的水化學(xué)條件是變化的，這可能是導(dǎo)致疊層石δ1?Ocalcite值在穩(wěn)定δ1?OH2O背景下仍存在一定波動(dòng)的原因之一。這提醒我們?cè)诶忙??Ocalcite解釋古溫度或古水體來源時(shí)，需要考慮pH變化的潛在影響。

 

驗(yàn)證了“現(xiàn)代過程類比”的研究方法：通過在高分辨率下觀察現(xiàn)代微生物墊的化學(xué)動(dòng)態(tài)，Unisense電極為我們理解古代疊層石所記錄的古環(huán)境信號(hào)（如同位素變化）提供了一個(gè)可觀測(cè)的現(xiàn)代過程類比。它架起了一座連接現(xiàn)代微生物活動(dòng)與古代沉積記錄的橋梁，極大地增強(qiáng)了對(duì)疊層石化石記錄的解釋能力和可信度。

 

綜上所述，Unisense微電極提供的并不僅僅是幾個(gè)pH數(shù)據(jù)點(diǎn)，而是關(guān)于微生物如何實(shí)時(shí)、原位地改變其周圍微環(huán)境化學(xué)條件的動(dòng)態(tài)電影。這些數(shù)據(jù)將抽象的“微生物活動(dòng)”轉(zhuǎn)化為具體、可測(cè)量的化學(xué)參數(shù)（pH變化），并直接與疊層石的同位素檔案聯(lián)系起來，為整個(gè)研究關(guān)于“環(huán)境變化控制微生物活動(dòng)并記錄于疊層石中”的核心論點(diǎn)提供了最關(guān)鍵、最直觀的實(shí)驗(yàn)證據(jù)和機(jī)制闡釋。