挖掘更深层次的问题:生物扰动作用增加了保存硫同位素分馏
悉尼Riemer
亚历山德拉诉Turchyn
安德烈Pellerin
吉拉德鹿角- 1地球与环境科学,别是巴,以色列内盖夫的本-古里安大学
- 2大学间的海洋科学研究所,埃拉特,以色列
- 3大学地球科学系的剑桥,剑桥,英国,英国
- 4des科学研究所de la mer de Rimouski魁北克大学Rimouski, Rimouski, QC,加拿大
海洋生物扰动作用增强混合在海底和上覆沉积物的氧化还原状态变化和影响硫等redox-sensitive元素的生物地球化学循环。之前的广泛出现Proterozoic-Phanerozoic过渡穴居动物,海洋沉积物主要是安静的和运输材料的湿地是diffusion-dominated。通过一个缩影实验和数值模型,我们表明,生物扰动作用的影响对海洋沉积物是提高硫酸的撤军水柱进入沉积物,因此“开放”的沉积体系。关键的发现是,生物扰动作用增加的区别硫化海水硫酸盐和孔隙水的同位素特征,后者是保存在沉积硫化物矿物。我们的研究经验表明一个长期以来的假设并帮助确定同位素在地质记录中生物扰动作用的影响及其在现代海洋环境影响系统。
1。介绍
纵观地球历史,生物的进化和辐射的全球海洋化学(如。Ridgwell齐伯,2005;巴特菲尔德2011;里昂et al ., 2014)。穴居动物的外观在Ediacaran-Cambrian过渡被公认为沉积生物扰动作用的开始(Bottjer et al ., 2000;Bottjer 2010;Tarhan et al ., 2020),它将有一个重大影响海底和海洋生物地球化学(坎菲尔德和法夸尔,2009年;博伊尔et al ., 2014;Schiffbauer et al ., 2016;·范·德·et al ., 2018)。生物扰动作用是指一个广泛的物理和化学过程发生在生物洞穴沉积物,冲洗他们的洞穴和上覆海水混合沉积物颗粒(Meysman et al ., 2006;Kristensen et al ., 2012)。bioirrigation两包体生物扰动作用的过程,是指溶质运输发生在生物体用海水冲洗他们的洞穴,biomixing,指的是生物体发生粒子混合创建他们的洞穴和排便(Kristensen et al ., 2012)。生物扰动作用导致增加粒子的运动和溶质从typically-oxic上层沉积物层typically-anoxic沉积物层较低,反之亦然。这会影响到redox-sensitive元素如铁和硫(Thamdrup et al ., 1994;·范·德·Meysman, 2016)。最近的研究表明,分开bioirrigation和biomixing更复杂的影响比我们测量显示的净效应(·范·德·Meysman, 2016)。例如,威尔德和Meysman (2016)显示使用一个模型bioirrigation和biomixing截然不同,甚至相反,对铁和硫循环沉积物的影响。Biomixing提高运输之间的固体沉淀氧化的沉积物和缺氧区,从而减少氧化物种(如铁硫化物)和减少氧化物种(如铁oxy-hydroxides)。另一方面,bioirrigation删除降低溶质如硫化和二价铁从沉积物孔隙水,在水中的氧化列而不是返回到沉积物(·范·德·Meysman, 2016)。从这个意义上讲,biomixing提高回收铁和硫的沉积而bioirrigation减少回收。有显著增加的区别硫酸盐和硫化物矿物的硫同位素组成和生物扰动作用的发病在地质记录(坎菲尔德和法夸尔,2009年),这表明生物扰动作用可能沉积硫循环的影响。这里我们用微观和增加一个数值模型来实证证明生物扰动作用的差异之间的硫同位素组成孔隙流体硫酸盐和硫化物,提供很强的相关性的巧合生物扰动作用的发生和增加区别硫酸盐和硫化物矿物的硫同位素组成。
先前已经表明生物扰动作用影响沉积硫循环(坎菲尔德和法夸尔,2009年;Tarhan et al ., 2015;Saitoh et al ., 2017)。在沉积环境中,微生物硫酸盐还原(MSR)是一个关键微生物新陈代谢,通过硫酸溶解减少溶解硫化。较轻的同位素(32的硫被硫酸盐还原微生物消耗更快,导致产品硫化被浓缩在硫酸硫,其余的轻同位素变得丰富的重同位素硫(33年代,34年代,等等)。光的优惠分区硫同位素在MSR减少硫分数是0和72‰之间。这个硫同位素分馏的大小是由生理因素(Goldhaber和卡普兰,1980年;Wortmann et al ., 2001;布鲁纳;8:32,2005;Sim et al ., 2011;莱维特et al ., 2013;翼,Halevy 2014;布拉德利et al ., 2016),而且本地(physico-environmental)因素影响MSR的可逆性(里斯,1973;布鲁纳;8:32,2005;翼,Halevy 2014)。在沉积物层,测量不同硫化海水硫酸盐之间的硫同位素组成和孔隙水(Δ34年代SO4_sw-H2S_pw),并进一步沉积矿物,也是由海水硫酸盐的浓度,活性铁的可用性,和连通性的程度,或“开放”,沉积物与上覆水之间的同位素质量平衡的影响硫物种(Habicht et al ., 2002;坎菲尔德和法夸尔,2009年;戈麦斯和Hurtgen, 2015;Sim卡,2019)。底栖动物的穴居活动提高了海水与沉积物的连接,导致供应增加硫酸的沉积物以及减少硫氧化化合物来自MSR (Thamdrup et al ., 1994;坎菲尔德和法夸尔,2009年;·范·德·Meysman, 2016;布兰德et al ., 2017)。在海洋沉积物、硫化物氧化不传授重要的硫同位素分馏(Zerkle et al ., 2009),但可以增加明显的同位素分馏(Δ34S)硫酸盐和硫化物之间通过硫化reoxidizing中间硫化合物如元素硫、促进随后的歧化这些中间体硫。这导致更多的形成34S-depleted硫化和34ΔS-enriched硫酸,可增加34S值大于那些仅由MSR (坎菲尔德和Thamdrup, 1994;Pellerin et al ., 2015)。因此,生物扰动作用可以提高沉积溶解硫化氧化,从而增加Δ34年代SO4_sw-H2S_pw。
在地球的历史,不同的硫同位素组成硫酸盐和硫化物矿物在岩石记录中增加由于一连串的事件包括提高大气氧气浓度(大氧化事件)和随后的海水硫酸盐浓度增加(卡梅隆,1982;坎菲尔德et al ., 2000)。硫酸盐矿物的硫同位素组成之间的区别和硫化矿物在岩石记录中也增加了标记的方式在Precambrian-Cambrian边界附近。Δ这增加的具体机制34年代SO4_sw-H2S_pw仍在争论,虽然怀疑地球表面氧化的增加水库在新元古代可能扮演了一个角色(坎菲尔德和泰斯科,1996;匆匆忙忙et al ., 2006;Krause et al ., 2018)。虽然有Δ的增加34年代SO4_sw-H2S_pw在Shuram CIE (匆匆忙忙et al ., 2006),地质证据指向增加海洋硫酸浓度在这个时候(崔et al ., 2022),Shuram CIE是瞬态事件发生数千万年前Ediacaran-Cambrian边界(鲁尼et al ., 2020)。杞人忧天et al。(2006)解释的增加是由于连续的氧化事件,之前的最后一个阶段的结束Ediacaran-Cambrian边界。因此,任何机制导致增加明显的同位素分馏的硫在瞬态Shuram CIE的埃迪卡拉不一定是相同的机制,导致增加明显的硫同位素分馏Ediacaran-Cambrian边界。因为生物扰动作用可以氧化沉积物孔隙水和运输减少硫化合物氧化表面沉积物(伯纳和Westrich, 1985;·范·德·Meysman, 2016被调用),生物扰动作用的发病机制,增加的元素如硫的氧化循环(McIlroy开发和洛根,1999)。重要的是,生物扰动作用有一个巨大的影响在海底Precambrian-Cambrian过渡期间博伊尔et al ., 2018;Hantsoo et al ., 2018;·范·德·et al ., 2018;克里布疯狂et al ., 2019)。先前的研究已经研究了生物扰动作用对硫循环的演变的影响在地球历史上(坎菲尔德和法夸尔,2009年;Tarhan et al ., 2015;Saitoh et al ., 2017;Hantsoo et al ., 2018)。然而迄今为止,结合实验和模拟方法探索Δ生物扰动作用的影响34年代SO4_sw-H2S_pw是缺乏的。因此,我们进行了实验和应用两种不同的生物扰动作用缩影证明生物扰动作用如何影响Δ数值模型34年代SO4_sw-H2S_pw。实验和理论结果表明,生物扰动作用增加Δ34年代SO4_sw-H2S_pw通过提高混合孔隙水硫酸盐和硫酸覆盖之间,变化相对于MSR通量平衡。
2。材料和方法
2.1。实验装置
重新创建bioturbation-performing生物居住的沉积环境,我们添加了海水和硫化物丰富沉积物Blakeney北诺福克海岸盐沼公司曾英国35厘米高的圆柱形塑料容器,并添加蠕虫作为我们的生物扰动作用的“中介”。Blakeney盐沼泽沉积物的特征是高TOC含量(5 - 10%)和高硫化物浓度(mM-level)和没有任何活的动物(鹿角et al ., 2019;Hutchings et al ., 2019)。使用的生物是环节动物多毛纲的蠕虫(沙蚕属spp),收集从一个富含铁沉淀物从Blakeney北诺福克海岸盐沼公司曾英国。古生物学记录穴居生物提供了这一选择的理由:环节动物蠕虫可能是早在埃迪卡拉纪末(Schiffbauer et al ., 2020;杨et al ., 2020),多毛纲的蠕虫已经出现在寒武纪早期(Vinther et al ., 2011)。之前均质沉积物分布两个容器。沉积物中均质大塑料袋在氮气流。在0.3 L的沉积物被分发到每个容器,上覆水添加仔细以避免沉积物再悬浮。毕竟悬浮沉积物(一夜),解决了上覆水沸腾持续气泵。沉积物是定居的前一个月开始实验。经过一个月的沉淀,Rhizon取样器添加了3厘米的深度在湿地中。融入这个深度,蠕虫在3 - 5厘米之间,在这个领域他们挖到15厘米。他们建造洞穴较快(一天内),而后才宣布他们的洞穴。我们实验的一张照片所示的设置图1。这两个实验容器是安排如下:没有蠕虫的对照实验,实验两条虫子。的初始样本分层non-bioturbated沉积物和上覆水被添加前的蠕虫。蠕虫是随后添加和地球化学监测两周。硫酸的浓度和硫同位素组成和溶解在水中硫化物和沉积物在四个不同的时间点测量与控制实验没有虫子。因为高分辨率采样在更频繁的时间点本身可能会改变孔隙水,我们减少了采样分辨率这四个时间点。
图1实验装置的照片显示sulfidic与氧化蠕虫洞穴沉积物。Rhizon取样器在沉积物孔隙水样本也显示。
2.2。硫酸溶解硫化和测量
衡量硫酸溶解浓度,1毫升的孔隙水是大力都洋溢着湿润N2/公司2(80:20)硫化气体混合物除去,并储存在4°C到分析。硫酸浓度测定的离子色谱法(IC, Dionex dx - 500,剑桥大学)重复间误差2%。溶解spectrophotometrically使用亚甲蓝法测定硫化物含量的误差为2%,检出限1μM (渐变群,1969)。
2.3。硫同位素测量
额外的整除的沉积物间隙水中硫酸盐和硫化物同位素分析收集随后检索孔隙水的地球化学分析。2毫升5%醋酸锌的间隙水添加到400 uL。样本然后离心机。硫酸的硫同位素组成,上层清液的过滤(0.22嗯圆盘过滤机)移除水中的悬浮的硫化锌,分为瓶,添加了一个饱和的氯化钡溶液,以及促使重晶石(贝索4)。重晶石是使用10%盐酸清洗,三重MilliQ水清洗和干燥。测量溶解硫化物的硫同位素组成,沉淀了,MilliQ用水清洗三次。硫同位素分析完成了剑桥大学使用连续流气体source-isotope比率质谱(GS-IRMS)(热,δV +)配备一个元素分析仪(EA)。测量的δ34IAEA-SO-6年代被纠正国家统计局127年,IAEA-SO-5, IAEA-S-3(分别为21.1%,-34.1%,0.5%,和-32.4%)和报告关于维也纳峡谷暗黑破坏神陨硫铁(VCDT)。
2.4。生物扰动作用的实验模型
实验解释了个盒子模型允许我们确定的参数变化之间的实验没有生物扰动作用,在两个盒子是沉积物和上覆水。模型侧重于沉积硫循环和特别关注在如何的浓度硫酸盐和硫化物硫同位素组成随时间变化的孔隙水和上覆水一旦生物扰动作用的开始。模型假定没有MSR硫化或溶解在上覆水的通量的泥沙通量相等,因为由于生物扰动作用大于任何扩散通量。生物扰动作用纳入模型通过增加通量组件进出的沉积物。上覆水,硫酸浓度随时间的变化量等于硫酸进入上覆水的沉积物-硫酸的量从水柱进入沉积物:
在那里,ϕ在和ϕ出是溶解的通量沉积物硫酸盐和硫化物的水,水和沉积物,分别,所以呢4噢所以4PW硫酸溶解浓度在上覆水和沉积物间隙水作为时间的函数,分别。沉积物间隙水中的硫酸盐浓度随时间变化是由:
SRR微生物硫酸盐还原速度,和牛是沉积硫化物(黄铁矿)氧化率定义为:
在哪里阿2是氧气的浓度在海水中(我们假设0.2毫米),8/15(15氧原子用于硫酸生产8分子)是黄铁矿氧化的化学计量系数,然后呢f(0 - 1)是一个分数从0到1的分数代表黄铁矿氧化。黄铁矿氧化的速度也是一个函数向泥沙通量的海水(ϕ在),因为海水携带氧气进入沉积物,因此会有或多或少的氧气送到沉积物通量增加或减少。接下来,我们模仿溶解硫化(H2浓度在生物扰动系统。在这个模型中,我们假设任何硫化物进入上覆水中溶解的沉积物不会影响海洋中硫酸的质量平衡。这种假设是合理的,因为大量的硫酸盐在上覆水是大相对于从沉积物硫回收的数量。因此,只有减少硫组件模型是沉积物中的硫化物溶解浓度随着时间的推移,等于的硫化过程中产生MSR -硫化的逃避进入上覆沉积物和水。沉积物中黄铁矿和一硫化铁产量很小,被忽视的质量平衡(理查德,2012)。我们进一步假设术语的通量溶解硫化的沉积物包括硫化物氧化,因此我们不包括硫化物氧化的一个术语:
制定硫酸盐和硫化物浓度方程后,我们推导出微分方程的硫酸盐硫同位素组成上覆水、沉积物间隙水中,溶解硫化。模型的硫同位素组成在生物扰动作用随着时间的推移,我们开发了基于混合方程两个水库不同δ34年代SO4。对于两个水库的混合,一般方程是:
其中R是通量硫化硫酸溶解或进或出各自的盒子,和δX硫酸或硫化物的硫同位素组成。硫酸的硫同位素组成的上覆水、微分方程是:
扩大的左边方程9用链式法则和隔离微分叶子最后方程:
硫同位素组成的沉积物间隙水中硫酸,硫酸的基本方程是一样的上覆水,除了有一个额外的MSR。因为MSR与同位素分馏(ϵ),一个术语考虑MSR和同位素分馏推导:
因此,对于混合两个水库的一般方程间隙水中硫酸盐的硫同位素组成是:
扩大这个等式的左边用链式法则和孤立的微分留下最后方程硫酸硫同位素组成的沉积物。这里还有一个学期(-10·牛)添加代表沉积硫化物的氧化与平均-10‰的同位素组成。尽管黄铁矿δ34S值是高度可变的现代和古代沉积物,我们使用一个黄铁矿δ34价值-10‰通常被估计平均δ越高34黄铁矿在现代海洋沉积物(施特劳斯,1997):
接下来,我们建模溶解硫化物的硫同位素组成。我们从一般的微分方程,考虑生产硫化在MSR,伴随着硫同位素分馏,硫化和删除从沉积物上覆水:
扩大的左边方程11用链式法则和孤立的微分叶子最后方程溶解硫化物的硫同位素组成与时间:
这些系统的微分方程数值求解。为此,我们使用以下近似:
我们模仿,Y代表的任何组件。我们设置Δt = 1分钟。解决所有六个微分方程(方程1、2、4、7、10和12),Yn被添加到右边的上面的方程。一个初始值为每个组件来自t = 0天(见生物扰动作用的实验表S1)。之后,每一个新的组件的值对于一个给定的时间点在一个计算机程序迭代计算,使用的所有组件的值确定在前面的计算方程。
2.5。生物扰动作用在稳态模型
为了更好地模拟生物扰动作用的影响对全球海洋地质时间尺度,我们推导出一个盒子在稳态模型评估模型在2.4节。目标是描述沉积物如何应对生物扰动作用在时间尺度更长比实验。方程解决了没有时间依赖性。相反,Δ的依赖34年代SO4_sw-H2S_pw生物扰动作用引起的对流通量是检测三个场景:(1)没有溶解硫化氧化、硫化(2)溶解氧化,(3)硫歧化。对于这些模型,我们使用MSR 1摩尔厘米2一天1假设硫化物氧化和硫不均衡利率MSR的速度的一半。我们从清廉摩尔厘米MSR率不同2一天1硫化和氧化和硫不均衡利率从0 - 1摩尔厘米2一天1。这些范围选择评估模型的行为在极端包率。看到补充信息完整的推导的模型和最终的方程。
3所示。结果与讨论
3.1。实验结果和模型的实验
我们开始我们的讨论的bioturbation-free沉积物控制实验。通常,在bioturbation-free沉积物富含有机质,硫酸消耗MSR大于扩散可以从上覆水供应。结果是一个浓缩的重同位素的剩余孔隙水硫酸盐硫池(Goldhaber和卡普兰,1980年)。控制实验没有生物扰动作用赞同这一预测,δ34年代初间隙水中硫酸盐的实验是37‰高于海水硫酸盐和41‰高于溶解硫化孔隙水(图2 b)。此外,实验开始时,间隙水硫酸的浓度是22毫米低于硫酸的浓度在上覆水和18毫米低于孔隙水的浓度溶解硫化(图2一个)。孔隙水的硫酸浓度低于18毫米间隙水中溶解的浓度硫化表明活跃MSR和有限补给的硫酸盐的沉积物上覆水。在实验的持续时间、浓度和δ34年代的孔隙水硫酸盐和硫化物保持约常数(图2 a, B),表明系统处于稳定状态。硫酸在这种情况下,可以通过扩散通量沉积物的补给,但这可以通过MSR平衡使初始浓度和δ34随着时间的推移S值常数。个盒子模型我们用来估计通量交换之间的上覆水和沉积物在我们的实验中考虑硫酸盐和硫化物的通量在湿地中,MSR率和硫化物氧化。该模型的目的是评估生物扰动作用的角色在改变之间的交换通量水体和沉积物。因此,特定的扩散动力学不被认为是在我们的模型中,但其总体影响限制两个盒子之间的交流在Δ是显而易见的34年代SO4_sw-H2S_pw结果(图3)。模型结果表明,硫酸盐和硫化物在湿地中接口的流量控制是7 x103毫米厘米2一天1(表1)。
图2模型输出(行)和实验结果(符号)中硫酸浓度上覆水(SO4,喔),硫酸的孔隙水(SO4 (PW),孔隙水的溶解硫化(H2S),和这些物种的硫同位素组成。情节显示控制实验的结果(没有生物扰动作用,一个,B)和生物扰动作用的实验(C,B)。注意,孔隙水初始值从相同的值在两个实验中,信号在浓度和同位素值相对于正常的变化自然系统非常重要。
图3Δ实验数据34年代SO4_sw-H2S_pw为控制实验和生物扰动作用的实验。Δ34年代SO4_sw-H2S_pw代表的差异δ34S硫酸的上覆水和沉积物孔隙水的溶解硫化。Δ情节显示在这两个实验34年代SO4_sw-H2S_pw随着时间的增加,但有一个更大的增加与生物扰动作用的实验。
表1模型参数为控制实验和生物扰动作用实验。
治疗试验生物扰动作用,沉积物间隙水中的硫酸盐浓度增加从6 ~ 22毫米的硫化实验和孔隙水浓度降低到5毫米~ 23日(图2 c)。此外,有一个减少的δ约33‰34硫酸的孔隙水随着时间的推移,以及减少大约27‰δ34间隙水中硫化物的年代(图2 d)。这减少δ34年代的间隙水硫酸盐和硫化物生物扰动作用在Δ也会导致显著增加34年代SO4_sw-H2S_pw(图3)。模型结果表明,硫酸盐和硫化物在湿地中接口的流量为0.24毫米厘米2一天1,这是近两个数量级高于控制(表1)。硫酸盐和硫化物的通量的结果在湿地中较高的治疗实验生物扰动作用比上面提到的控制可以解释实验结果。因为硫酸的通量的沉积物是高等生物扰动作用,孔隙水硫酸浓度可以提高硫化的综合效应从含氧再氧化上覆水,硫酸和交付上覆水的沉积物。减少硫化物浓度在实验中也可以解释为硫酸盐和硫化物的通量增加湿地中,生物扰动作用可以冲洗硫化的沉积物,使氧气进入沉积物,这re-oxidizes硫化硫酸。由于流量不断增加,生物扰动作用的模型也解释了δ的减少34间隙水中硫酸盐的年代,尽管持续的MSR。通量的增加将硫酸isotopically光从上覆水沉积物(~ 20‰),减少δ34间隙水中硫酸盐的年代。这减少δ34硫酸的孔隙水值接近的上覆水然后允许降低δ34硫化的年代比没有生物扰动作用(图1 b, D),最终推动Δ的增加34年代SO4_sw-H2S_pw(图3)。
而不是控制实验,浓度和δ34年代的硫酸盐和硫化物在孔隙水变化最小值与时间(图2 a, B),生物扰动作用的治疗实验显示了翻天覆地的变化在这些参数从一开始到最后的实验(图2 c, D)。这些差异的潜在原因可以解释为我们的模型,在模型结果表明,硫酸盐和硫化物在湿地中接口的流量是控制低近两个数量级(7 x103毫米厘米2一天1比试验生物扰动作用(0.24毫米)厘米2一天1)(表1)。这种高通量身体去除硫化物的沉淀物和提供氧气和硫酸isotopically-light沉积物。其结果是,Δ34年代SO4_sw-H2S_pw治疗和生物扰动作用~ 25‰高于控制。增强的供应使Δ硫酸的沉积物34年代SO4_sw-H2S_pw表达进一步实证价值最大硫同位素分馏(ϵ= 72‰)MSR(例如,Wortmann et al ., 2001)。实验在这项研究是第一个实验证据证明这种生物扰动作用的影响(图3)。Precambrian-Cambrian过渡期间,一个增强的硫酸供应沉积物由于混合和bioirrigation改变了海底从半封闭式系统,运输是diffusion-dominated (贝利et al ., 2006;Meysman et al ., 2006)打开,溶解硫化可能会更多34硫酸S-depleted相对于同时代的人。而硫化亚铁的形成可以继续以下生物扰动作用区,最大黄铁矿的形成发生在略低于生物扰动区,虽然它下面,铁氧化物的反应性下降导致更少的积累(费舍尔,1986;费雷拉,2010)。
3.2。稳态生物扰动作用的分析模型
因为实验中只显示在短时间尺度上生物扰动作用的影响,三个模型场景硫循环开发的概念证明了我们的实验对全球δ的记录34年代在黄铁矿(图3,4)。场景考虑海洋硫循环中重要的参数也影响Δ34年代SO4_sw-H2S_pw;MSR,硫化物氧化和硫歧化(图3,4)。我们假设稳态全球海水硫酸盐水库是无限的,与硫酸浓度和δ34分别的28毫米和21‰。这三个场景是用于分析如何提高平流的硫酸盐的沉积物通量生物扰动作用在我们的实验观察到影响Δ34年代SO4_sw-H2S_pw,这导致一个“打开”或“关闭”系统的沉积物。在这种情况下,一个“开放”系统是指沉积物哪里有无限供应硫酸从外部源(上覆水),而一个“封闭”系统是指沉积物中硫酸盐的供应是有限的。在我们的模型中,机制来增加系统的“开放”是孔隙水交换由于掘穴,它本质上改变了孔隙水的MSR率比汇率。比例低时系统更加开放,和硫酸的平流通量沉积物超过了MSR的消费,允许Δ34年代SO4_sw-H2S_pw达到尽可能高的价值。在图4,生物扰动作用的平流通量模拟硫酸盐和硫化物的沉积物。我们的模型假定这些通量相等,因此,在低通量模型分解自假设通量的沉积物是相等的只在高通量(相关图4)。如果这个平流通量作为直接代理的生物扰动作用,然后我们的模型显示,生物扰动作用增加Δ程度的增加34年代SO4_sw-H2S_pw可以保存在岩石记录(图4)。在第一个场景中,我们假设没有溶解硫化氧化发生,我们评估Δ如何34年代SO4_sw-H2S_pw变化与不同平流通量和MSR。对于一个给定的平流沉积物通量的海水硫酸盐,Δ34年代SO4_sw-H2S_pw增加MSR的速度减少。然而,在平流通量高硫酸盐由于生物扰动作用,Δ34年代SO4_sw-H2S_pw值在所有的MSR收敛于相同的值。这表明MSR低平流通量高,系统行为“封闭”MSR正在快速发生相对于硫酸的补给。平流通量更高,即使高MSR,大型Δ的价值观34年代SO4_sw-H2S_pw可以获得补给增加的沉积物硫酸盐(图5一个)。率的比值MSR的平流沉积物通量决定开放或关闭,因此多少硫酸的沉积物(见的补给补充信息Eq。1)。当比率高,沉积物硫酸盐的平流通量无法足够快地补给硫酸增加Δ34年代SO4_sw-H2S_pw。比例较低时,平流通量的硫酸沉积物超过了MSR的消费,允许Δ34年代SO4_sw-H2S_pw达到尽可能高的价值。
图4Δ34年代SO4_sw-H2S_pw与平流全球稳态通量生物扰动作用模型。每个模型使用的微生物硫酸盐还原速度是1摩尔厘米2一天1。硫化物氧化和歧化利率硫酸盐还原速度的一半。这三个模型表明Δ34年代SO4_sw-H2S_pw与越来越平流通量增加,通量是一个代理的生物扰动作用。
图5Δ模型34年代SO4_sw-H2S_pw在稳态和通量三种不同的情景:没有硫化氢氧化沉积物中不同硫酸盐还原利率(一)硫化物氧化溶解,不同的氧化率(B)和硫歧化不同的歧化率(C)。所有的模型表明,Δ34年代SO4_sw-H2S_pw更大通量高。SRR =微生物硫酸盐还原速度、SOR =硫化氢氧化率,特别提款权=歧化硫率。
在第二个场景建模,我们假设孔隙水溶解硫化氧化,我们探索Δ34年代SO4_sw-H2S_pw作为硫酸的平流通量函数的沉积物由于生物扰动作用和溶解硫化物氧化的速率,MSR的固定汇率。像没有硫化物氧化的场景,在这个场景中对于一个给定的平流通量具有不同溶解硫氧化率和MSR的固定利率,Δ34年代SO4_sw-H2S_pw高和低利率的溶解硫化氧化收敛,我们观察到整个Δ34年代SO4_sw-H2S_pw平流高通量的增加(图5 b)。这进一步证明了控制平流溶质通量之间的海水和沉积物由于生物扰动作用在塑造Δ34年代SO4_sw-H2S_pw。在第三个场景中,我们假设硫发生歧化(由于减少硫的氧化诱导生物扰动作用)——观察Δ歧化的增加率的影响34年代SO4_sw-H2S_pw。同样的现象也出现在这个场景是在第二个场景中。但是,与在前面的两个场景,Δ的值34年代SO4_sw-H2S_pw不收敛平流高通量(图5 c)。这是因为有一个硫同位素分馏与歧化,较高的歧化作用将导致更高的硫同位素分馏(坎菲尔德和Thamdrup, 1994;Bottcher et al ., 2001;Pellerin et al ., 2015;Pellerin et al ., 2019)。图4还表明,Δ34年代SO4_sw-H2S_pw较高的硫歧化,即使大平流通量。在最低平流通量,歧化和硫化物氧化溶解也导致更高的Δ34年代SO4_sw-H2S_pw(图4)。这表明氧化的硫循环导致Δ增加34年代SO4_sw-H2S_pw,这是由生物扰动作用(去,1994;走,1994 b;彼得森et al ., 1996)。biomixing是包体的生物扰动作用,提高氧化过程硫循环(·范·德·Meysman, 2016),biomixing最好的描述了过程发生在我们的系统。此外,在所有建模场景中,δ34硫酸的孔隙水达到21‰的海水价值(图4;S4- - - - - -6),支持生物扰动作用的观念改变了系统从封闭到开放,并反映与上覆水交换。一般来说,不管MSR或硫化物氧化的速度,更高的平流沉积物和海水之间的溶质通量由于生物扰动作用变化的沉积体系diffusion-dominated advection-dominated,导致Δ增加34年代SO4_sw-H2S_pw(图4)。从最近的工作对海洋沉积物年龄间隔也验证了我们的假设。Chang et al。(2022)表明,缺乏生物扰动作用导致沉重的黄铁矿形成从东海在其核心,而另一个研究表明,epifaunal有孔虫的存在沉积物孔隙度增加,提高沉积物孔隙水和海水之间的沟通,导致较低的黄铁矿硫同位素值在间冰期时期(Pasquier et al ., 2017)。
4所示。结论
总的来说,提高交付的硫酸沉积物由于Δ增加生物扰动作用的结果34年代SO4_sw-H2S_pw。这Δ34年代SO4_sw-H2S_pw,增加了生物扰动作用,可以保存在地质记录。实验和模型研究表明,并发Δ增加34年代Precambrian-Cambrian过渡可以观察到至少部分由生物扰动作用的发病涡轮增压的连接池的海底海水硫酸盐。因此,生物扰动作用可能有重大影响的硫循环和海底生物地球化学发病,其沉积硫同位素记录签名。
数据可用性声明
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作者的贡献
GA对这项研究的概念和设计起到了推波助澜的作用。GA和AVT进行了试验和化学分析。老、GA和AP模型设计和实现。老写的手稿与输入和所有合作者的帮助。所有作者的文章和批准提交的版本。
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关键词:生物扰动作用,硫同位素,Proterozoic-Phanerozoic过渡,数值模拟,实验缩影
引用:Riemer年代,Turchyn AV, Pellerin和鹿角G(2023)挖掘更深层次的问题:生物扰动作用增加了保存硫同位素分馏。前面。3月科学。9:1039193。doi: 10.3389 / fmars.2022.1039193
收到:07年9月2022;接受:2022年12月12日;
发表:2023年1月18日。
编辑:
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