近日，我院Simon V. Hohl副教授在国际著名学术期刊《Earth and Planetary Science Letters》上发表学术论文“Barium isotopes in stromatolites through deep-time: A novel tracer for metal cycling in the photic zone”，研究了35亿年以来叠层石钡同位素组成的深时变化，及其对透光层金属循环的示踪潜力。
数十年来，利用叠层石作为海水信息档案重建古海洋水化学演变一直是一项研究热点，吸引了广泛关注。叠层石碳酸盐，即岩化的微生物席，形成于浅海近岸环境，具有独特的微层结构来记录透光带周围的水体化学信息。叠层石在地层中最早可追溯到35亿年前，这些微生物沉积广泛记录了海洋和湖泊生态系统中微生物栖息水体中的元素含量变化。
图1: 微生物碳酸盐形成过程以及钡元素的摄入。
该研究整合了古太古宙至全新世的大量叠层石样品，通过分析其中钡元素及其同位素的变化，检验了钡元素和同位素用于示踪不同沉积环境中的生物地球化学元素循环的潜力。叠层石中的钡体系能够反映氧和硫酸盐饱和状况的变化下，透光带内局部水性（微）环境中的生物地球化学钡循环。在局限环境和开放环境中，自生钡浓度和同位素组成表现出明显差异：局限的海湾或湖泊环境中的微生物群落显示出与钡浓度呈反比的δ138Ba值，这主要反映了局限环境下的水体交换和钡的（再）循环；而开放海洋沉积环境中的叠层石能够记录环境海水钡的同位素组成，其中太古宙的最重δ138Ba值为0.45‰，元古宙为0.61‰，而古生代为0.57‰（2SD精度：±0.04‰）。局限程度越高，通常表现为更负的自生δ138Ba组成以及δ138Ba与CAB（Carbonate Associated Barium碳酸盐相关钡）之间的正相关关系，可能是有机物和重晶石溶解、低硫酸盐和淡水输入混合所导致。
图2:该研究采集的叠层石样本跨越了 35 亿年，来源于 5 大洲。实验分析在单个叠层岩层上进行微钻采样，利用弱醋酸淋滤获取碳酸盐浸出物，用于后续的地球化学分析。
图3: 局限环境（如淤积盆地、泻湖和湖泊）显示出明显的钡循环特征，其钡同位素组成变化很大，δ138Ba 值一般较负。由于存在产甲烷作用，极端环境也会出现异常的轻碳和重碳同位素组合特征。
该研究表明，在局限环境下，叠层石碳酸盐中δ138Ba值的变化与生物地球化学以及水循环过程紧密相关，微晶重晶石在微生物生物膜上形成以及随后在局限环境中的再循环过程是影响钡同位素组成重要因素。相反，开放海洋环境中的叠层石可以记录局部表层海水的钡同位素组成，并可能作为未来研究透光带中初级生产力演变的档案。从开放海洋环境的叠层石碳酸盐计算，最大海水δ138Ba值可以反映透光带内的表面水体钡同位素组成。
总体而言，太古宙叠层石的平均海水δ138Ba值为0.33 ± 0.11‰ (n=13)，元古宙约为0.39 ± 0.14‰ （n=31），古生代海水具有略微偏重的钡同位素值，约为0.50 ± 0.04‰（n=6）。古生代海水δ138Ba值较重，与来自局限泻湖体系（Lagoa Salgada）的样品一致，较重的钡同位素组成暗示微生物栖息地中钡积累程度升高，与EPS形成有关，这是将无定形钡磷酸盐转化为结晶钡硫酸盐必要的步骤，会导致周围液体中轻钡同位素的耗尽，这可能解释了大多古生代叠层石富集重钡同位素的原因。
该研究重建的海水δ138Ba数据反映了透光带内近岸微生物栖息地中环境水体的钡同位素组成变化。然而，由于古海洋中钡存留时间更长，这些信号可能已经从产氧微生物主导的的陆架环境过渡到开放海洋环境。值得注意的是，该研究计算得出的最高太古宙表层海水δ138Ba值（0.45 ± 0.04‰）与来自3.45亿年前的Dresser Formation（皮尔巴拉，西澳大利亚）重晶石δ138Ba值一致。
图 4：利用开放海洋环境下生长的叠层石重建的35亿年以来的透光层古海水δ138Ba组成
论文第一作者和通讯作者为我院Simon V. Hohl副教授，合作者包括南京大学魏海珍教授级高工、魏广祎副教授和吝祎勃博士。该研究受国家自然科学基金（42150610481）资助。
论文链接:https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0012821X24000724#ack0001
撰稿：Simon V. Hohl
编辑：高小丰