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，微生物活動與湖泊物理化學環境變化的耦合關系。

1. 摘要核心內容

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。疊層石方解石中的碳、氧同位素記錄了這一過程中，由于光照環境和水化學變化所導致的微生物活動改變。最內部（最古老）方解石帶的δ13C值變化范圍大，反映了光合作用對局部溶解無機碳（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十年間從DIC庫中移除12C的過程，同時光合作用效應隨著光照水平降低并趨于穩定而減弱。最內部方解石帶的平均δ1?O值顯著低于其他帶，這可能與湖面上升引發水體分層、導致不同同位素組成的源水混合有關。喬伊斯湖疊層石記錄了相對光合速率的顯著空間差異以及DIC庫被微生物改造的長期湖水分層現象。

2. 研究目的

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

3. 研究思路

研究采用了將現代環境觀測與疊層石生長檔案相結合的多尺度、多指標研究思路：

 

環境背景重建：整合歷史航拍照片（圖1， Supplementary Fig. S2）、湖水化學剖面數據（導電率、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境變化（如淡水透鏡體的形成和演化）。

 

現代過程觀測：使用丹麥Unisense的pH微電極在12米深度的微生物墊中進行原位pH剖面和晝夜時序測量（圖3），以揭示微生物光合作用對微環境化學的實時影響。同時測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、巖石切片學等方法進行結構表征，識別出三個連續的方解石帶（Zone 1-3）。

 

 

同位素記錄解讀：對疊層石不同生長帶（層）的方解石進行微鉆和 dissection 取樣，分析其δ13Ccalcite和δ1?Ocalcite值（圖5，圖6），并分析相關有機質的δ13Corg值。將這些同位素記錄與重建的環境變化歷史進行對比，解釋其控制機制。

 

 

 

4. 測量數據、來源及其研究意義

測量的數據類型與意義

 

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

 

數據：通過歷史航片和現場測量確定的湖岸線變化、湖水導電率垂直剖面。

 

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）及穩定的水體鹽度分層結構。這為疊層石生長提供了精確的環境時間框架，是解釋同位素變化的前提。

 

疊層石巖石學與結構（來自 圖2, 圖4）

 

數據：疊層石的宏觀形態、內部紋層結構、方解石礦物學特征（如針狀叢晶、塊狀晶等）。

 

研究意義：識別出三個連續的方解石帶（Zone 1-3），證明了疊層石是同步生長的，其結構序列記錄了一個連續的環境變化序列。不同紋理可能反映了不同的沉淀條件。

 

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

 

數據：疊層石從內到外不同生長帶的δ13Ccalcite和δ1?Ocalcite值。

 

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

 

微生物墊原位pH測量（來自 圖3）

 

數據：使用Unisense微電極在微生物墊-水界面附近測量的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導致墊體表面pH顯著升高（最高達10.7），且這種效應具有晝夜節律。這為解釋疊層石δ13Ccalcite變化（光合作用驅動DIC分餾）提供了關鍵的機制證明和現代類比。

 

水體與入流河水化學（來自 文本和補充材料）

 

數據：湖水不同深度的DIC濃度、δ13CDIC、δ1?OH2O；入流河水的化學組成。

 

研究意義：提供了疊層石沉淀流體的化學背景。顯示了DIC庫存在強烈的垂向梯度（光合作用導致淺水δ13CDIC偏正，呼吸作用導致深水偏負），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δ1?Ocalcite的變化。

 

5. 主要結論

論文得出以下核心結論：

 

疊層石記錄了湖面上升期間的環境變化：喬伊斯湖的疊層石生長于一個變化的環境中，其同位素組成忠實地記錄了伴隨湖面上升而發生的光照、水體分層和化學條件的變化。

δ13Ccalcite記錄的光合作用演化：最內部（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，光照強度降低且變得更均一，導致δ13Ccalcite值逐漸富集（因光合作用長期移除12C使整個DIC庫變重）且變異性減小。

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

 

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

 

6. 詳細解讀：Unisense電極測量數據的研究意義

論文中使用丹麥Unisense公司的pH微電極（p50型，尖端直徑50μm）進行了關鍵的原位測量。

測量數據：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-水界面固定點進行的超過24小時的pH時序記錄（圖3a）。

詳細研究意義解讀：

 

提供了光合作用驅動微環境變化的直接證據：Unisense微電極能夠穿透微生物墊的擴散邊界層，直接測量墊體內部的化學微環境。數據顯示，在光照下（正午時分），微生物墊表面的pH可高達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升高是促進方解石沉淀的關鍵因素之一。

揭示了生物地球化學過程的晝夜動態：時序測量數據（圖3a）顯示，墊-水界面的pH存在明顯的晝夜波動：下午時分最高（~10.7），午夜至凌晨最低（~10.5）。這種波動與模型計算的光照周期高度吻合，強有力地證明了pH變化是由光合作用的晝夜節律所驅動。這表明疊層石形成環境中的化學條件并非穩態，而是在小時尺度上動態變化的。

為解釋疊層石同位素記錄提供了機制鏈接：Unisense數據測得的pH變化（> 0.2個單位）對于方解石的沉淀和同位素分餾具有重要影響。

 

對碳同位素的影響：光合作用不僅改變pH，還會優先吸收12C，導致墊體周圍DIC的δ13C升高。Unisense數據證實了光合作用的強度和動態變化，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致的光合速率差異）提供了堅實的機制支持。同時，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。

 

對氧同位素的影響：pH的變化會影響方解石-水之間的氧同位素分餾系數。Unisense數據揭示的pH動態表明，疊層石沉淀時的水化學條件是變化的，這可能是導致疊層石δ1?Ocalcite值在穩定δ1?OH2O背景下仍存在一定波動的原因之一。這提醒我們在利用δ1?Ocalcite解釋古溫度或古水體來源時，需要考慮pH變化的潛在影響。

 

驗證了“現代過程類比”的研究方法：通過在高分辨率下觀察現代微生物墊的化學動態，Unisense電極為我們理解古代疊層石所記錄的古環境信號（如同位素變化）提供了一個可觀測的現代過程類比。它架起了一座連接現代微生物活動與古代沉積記錄的橋梁，極大地增強了對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pH數據點，而是關于微生物如何實時、原位地改變其周圍微環境化學條件的動態電影。這些數據將抽象的“微生物活動”轉化為具體、可測量的化學參數（pH變化），并直接與疊層石的同位素檔案聯系起來，為整個研究關于“環境變化控制微生物活動并記錄于疊層石中”的核心論點提供了最關鍵、最直觀的實驗證據和機制闡釋。