[论文解读] Nutrient Supply to Planetary Biospheres from Anoxic Weathering of Mafic Oceanic Crust

Drew D. Syverson, Christopher T. Reinhard+7 more|arXiv (Cornell University)|Feb 18, 2020

Paleontology and Stratigraphy of Fossils参考文献 64被引用 44

一句话总结

本研究表明，缺氧条件下玄武质大洋地壳的风化作用会释放出大量生物可利用的磷，其∑PO₄³⁻/∑CO₂迁移率比为3.99 ± 1.03 µmol mmol⁻¹，与现代河流相当。这一发现挑战了长期以来认为大陆风化是生物可利用磷唯一来源的假设，表明即使在无大陆的系外行星上，只要被海洋覆盖，仍可能维持能够产生可检测大气生物标志的强健生物圈。

ABSTRACT

Phosphorus is an essential element for life, and the phosphorous cycle is widely believed to be a key factor limiting the extent of Earth's biosphere and its impact on remotely detectable features of Earth's atmospheric chemistry. Continental weathering is conventionally considered to be the only source of bioavailable phosphorus to the marine biosphere, with submarine hydrothermal processes acting as a phosphorus sink. Here, we use a novel 29Si tracer technique to demonstrate that alteration of submarine basalt under anoxic conditions leads to significant soluble phosphorus release, with an estimated ratio between phosphorus release and CO2 consumption (P/CO2) of 3.99+/-1.03 umol/mmol. This ratio is comparable to that of modern rivers, suggesting that submarine weathering under anoxic conditions is potentially a significant source of bioavailable phosphorus to planetary oceans and that volatile-rich Earth-like planets lacking exposed continents could develop robust biospheres capable of sustaining remotely detectable atmospheric biosignatures.

研究动机与目标

• 检验缺氧条件下海底玄武岩是否能释放出生物可利用的磷，以挑战‘大陆风化是唯一重要磷源’的假设。
• 利用新型²⁹Si示踪技术，量化缺氧玄武岩风化过程中磷释放与CO₂消耗的比值。
• 评估该过程对早期地球及缺乏大陆暴露的宜居系外行星的生物地球化学影响。
• 评估此类风化作用是否能在无陆地暴露的条件下，仍能维系显著的生物圈O₂通量。
• 通过将缺氧海底磷释放作为关键过程纳入模型，重新评估行星氧化还原演化及生物标志潜力的现有理论。

提出的方法

• 采用²⁹SiO₂富集示踪剂，直接关联原生硅酸盐矿物溶解程度与缺氧海水中PO₄³⁻的迁移行为。
• 在15–75°C条件下，对新鲜及经还原预处理的中洋脊玄武岩（MORB）开展受控实验室实验，以模拟早期地球环境。
• 通过时间序列ICP-MS和pH电极测量，追踪溶解态Si、P、Fe及其他阳离子随时间的变化，从而精确计算磷释放与CO₂消耗量。
• 应用同步辐射X射线荧光（SXRF）和XANES成像技术，表征反应后玄武岩中Fe的形态与P的分布，证实Fe²⁺被氧化且P被迁移。
• 通过时间序列数据的线性回归计算∑PO₄³⁻/∑CO₂迁移率比，获得磷释放效率的关键定量估计。
• 采用简单质量平衡模型，基于磷释放量估算全球生物圈O₂通量，假设磷的捕集效率为50%，C/P埋藏比为300。

实验结果

研究问题

• RQ1 缺氧条件下玄武质大洋地壳的风化作用能否以与大陆风化相当的速率释放出生物可利用的磷？
• RQ2 在类似早期地球的条件下，缺氧玄武岩风化过程中磷释放与CO₂消耗的定量比值是多少？
• RQ3 该过程如何影响无大陆暴露的被海洋覆盖的系外行星上生物标志气体的生成潜力？
• RQ4 Fe²⁺氧化对缺氧海洋系统中磷的迁移性与捕集效率有何影响？
• RQ5 该机制如何改变我们对类地行星长期氧化还原演化及生物标志持久性的理解？

主要发现

• 缺氧条件下海底玄武岩风化作用以每消耗1 mmol CO₂释放3.99 ± 1.03 µmol PO₄³⁻的速率释放出生物可利用的磷，与现代河流输入相当。
• 即使在去除Fe³⁺氧化物的预处理后，该磷释放比值仍保持稳定，表明磷主要来源于原生硅酸盐矿物，而非表面氧化物。
• 时间序列数据显示溶解态Fe²⁺与PO₄³⁻持续增加，证实了在缺氧条件下玄武岩溶解过程中二者协同释放。
• 该迁移率比在多次实验中保持一致，表明在缺氧条件下磷的迁移具有高度稳定性和可重复性。
• 建模结果表明，此类风化作用可维系约10 Tmol y⁻¹的生物圈O₂通量，与现代地球相当甚至更高。
• 结果表明，即使缺乏大陆的富挥发分、被海洋覆盖的系外行星，仍可通过海底磷释放维持能产生生物标志的生物圈。