NC：雪球地球消融后盖帽碳酸盐岩形成的新模式

研究背景和科学问题

新元古代（Neoproterozoic Era, 1000–538.8百万年前）是地球历史上气候变化最剧烈的时期之一，经历了两次全球性冰期：Sturtian冰期（717–659百万年前）和Marinoan冰期（645–635百万年前），称为“雪球地球”事件。期间地球大部分区域可能被冰层覆盖，甚至可能扩展到赤道附近的低纬度地区。盖帽碳酸盐岩沉积（Cap carbonates）是“雪球地球”结束后紧接着沉积在冰川沉积物之上的厚层碳酸盐岩，它们分布于全球50多个地点，最大沉积厚度可达到200米。目前普遍认为“雪球地球”冰期结束后大量碳酸盐岩沉积是全球气候快速升温、大量冰川融化、以及大气中CO₂浓度大幅增加所致，但具体的碳酸盐岩形成机制仍存在很大争议。争议的重点科学问题包括：

（1）碳酸盐岩的碱度来源不足：形成盖帽碳酸盐岩所需的碱性物质（如钙离子和碳酸根离子）必须在冰期结束后迅速供给，才能解释全球如此大规模的碳酸盐岩沉积。但陆地风化是否足够产生这些碱性物质，以及沉积过程如何能够快速发生仍存在争议；

（2）沉积时间尺度的争议：盖帽碳酸盐岩的沉积时间跨度尚未明确。有的证据表明沉积过程可能非常迅速（几千年内完成），而其他证据（如古地磁和放射性同位素定年）则表明沉积过程可能持续几十万年。这种沉积时间的不一致性需要更深入的研究来解释；

（3）海洋化学与物理环境如何变化：冰期结束后，随着冰川融化，大量淡水注入海洋，导致海洋形成分层。这种环境对碳酸盐岩沉积的影响尚未得到充分研究，特别是深海和浅海水体之间的碱度、温度及化学成分变化的相互作用。

科学内涵

本文首先提出了当前单一假设无法解释全球盖帽碳酸盐岩的规模、沉积时间及其化学特征的问题。在此基础上，文章假设盖帽碳酸盐岩的形成是一个多阶段的过程，冰期结束后不仅仅依赖大陆风化，还需要考虑洋底风化对碱性物质的贡献，特别是在冰期期间洋底释放的碱性物质积累。

因此，本研究构建了一个多阶段的洋底-海水-大气循环模型去模拟“雪球地球”前后海水的地球化学循环以及碳酸盐岩的沉积速率。该模型包含了四个阶段三种循环模式（图1）：（1）新元古代背景阶段（冰期前）：模型模拟了新元古代时期（冰期前）的背景气候和化学循环状态，作为基准状态；（2）冰期阶段：冰期期间，海洋被冰层覆盖，陆地风化几乎停止，洋底低温风化成为主要的碱性物质来源；（3）冰期结束后的分层海洋阶段：冰期结束后，冰川融化导致大量淡水进入海洋，形成了分层海洋；（4）海洋重新混合阶段：随着时间推移，浅层的淡水与深层富含碱性物质的海水混合。

图1  新元古代“雪球地球”前后海洋-大气地球化学循环模式图

（1）洋底风化为盖帽沉积提供了重要的碱度来源

文章首次指出，在全球冰期期间，尽管大陆风化几乎停滞，洋底低温风化的碱性物质贡献与后期的大陆风化一样重要（图2）。这打破了传统上认为大陆风化是碳酸盐岩沉积唯一碱度来源的看法。研究表明，洋底风化在地球历史中可能在多个时间段为碱度起到了关键作用。

图2  新元古代“雪球地球”前后海洋-大气地球化学循环模式图

（2）沉积速率的多样性

通过模拟和对地质证据的分析，发现Marinoan冰期后碳酸盐岩的沉积速率并非均一（图3）。部分区域在冰川消退后快速沉积了大量碳酸盐岩，而其他区域则经历了一个较长的沉积过程，这与区域性的碱度供给差异和海洋分层有关。

（3）盖帽碳酸盐岩形成的三阶段模型

文章提出了一个新的三阶段模型（图4），解释了Marinoan冰期后碳酸盐岩沉积的过程。这一模型整合了海底风化和大陆风化的共同作用，解释了碳酸盐岩沉积的碱度来源：

第一阶段：在冰川覆盖期间，海底低温风化释放出大量碱性物质（如钙离子），这些物质积累在深海中，为后续碳酸盐岩的沉积打下基础。

第二阶段：随着冰川消退，剧烈的大陆风化将更多的碱性物质快速输送到浅层海洋中，迅速形成碳酸盐岩沉积。这解释了为何盖帽碳酸盐岩直接覆盖在冰川沉积物上，并且沉积过程快速。

图4  盖帽碳酸盐岩形成的三阶段模示意图