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PNAS:古新世-始新世极热事件沉积物中巨型针状化石磁小体的磁学识别
2021-02-18 | 作者: | 【 】【打印】【关闭

  古老沉积物或岩石中的化石磁小体是由一类被称为趋磁细菌的原核微生物形成的,它们通常具有独特的晶体形态、相对高的化学纯度、单磁畴尺寸(~30-120 nm)、链状结构,因而磁性强且稳定、形貌独特可识别,被认为是开展古地磁学、古环境和早期生命研究理想的一石三鸟磁性纳米化石(Li et al., 2020a)。由于地质记录中的磁小体化石通常尺寸小、易被改造,且与其他类型磁性矿物杂居混生,因而它的精准识别和量化研究极富挑战(Li et al., 2020b)。 

  最近,来自美国犹他大学的博士生Wagner等人提出了一种基于多磁滞回线测量的FORC图的无损磁学方法,来鉴别沉积物中的巨型化石磁小体,并依此开展古环境研究。与常规的纳米尺寸的化石磁小体不同,这种巨型化石磁小体长度可达几个微米,首先发现于古新世-始新世极热事件(PETM)时期的沉积物中(Schumann et al., 2008)。尽管其生物学成因仍然存在争议,这些巨型化石磁小体通常与常规的立方-八面体形、棱柱形和子弹头形化石磁小体共存,因而被用来指示地质历史时期的极热气候事件(Schumann et al., 2008; Chang et al., 2012)。 

  作者应用FORC技术,对比研究了来自新泽西州威尔逊湖的PETM岩心沉积物样品WL35950b和来自瑞士的Baldeggersee沉积物样品BAL13中的化石磁小体的磁学特征(图1)。结果显示,两个样品的FORC图差别显著(图1C、图1D)。具体而言,WL35950b样品的FORC图在水平和垂直方向的展布更大,指示含有高矫顽力的磁性组分。对FORC图的进一步的分析显示,BAL13样品主要由两个狭窄的矫顽力成分组成,分别代表生物成因软磁组分(~10-50 mTBS)和生物成因硬磁组分(~50-100 mTBH),属于常规的化石磁小体(主要有纳米级的立方-八面体状、棱柱状和子弹头状等)Egli, 2004)。相比较,WL35950b样品除了有类似的两个矫顽力组分外,还存在一个高矫顽力组分(~140-210 mTBN)。 

  为了进一步证实磁学观测,作者通过透射电镜观察沉积物样品中的化石磁小体种类(图2)。他们在WL35950b样品发现了多种不同形态和不同尺寸的常规化石磁小体外,还发现了巨型的子弹头形、纺锤体形和针状磁铁矿晶体。微磁模拟进一步证明,由于颗粒高度拉长,这些巨型针状磁铁矿颗粒的矫顽力可高达~310 mT 

  综合上述研究,作者认为FORC图的中脊偏移特征可明确识别沉积物中的巨型针状化石磁小体,所有化石磁小体的剩磁贡献至少为40%,大大高于前人估计的~10%(Wang et al., 2015)。 

1 样品WL35950bACE)和BAL13BD)的FORC图分析及其对比(F)(Wagner et al., 2021

2 样品WL35900磁选物中巨型化石磁小体的透射电镜图(红色箭头表示)(Wagner et al., 2021

  迄今为止,前人仅在极热事件的沉积物中发现了巨针状化石磁小体,并且它们经常伴有其它形态的巨型化石磁小体(例如矛头状、纺锤状和子弹头状)(Schumann et al., 2008; Chang et al., 2012)。尽管尚不清楚这些合成巨型化石磁小体的生物的生理学和生态学特征,但这些化石磁小体与海水温度和海水化学的急剧变化等全球变化事件相关,表明它们能够有效地识别海水环境扰动。相比于磁选后再用电镜观察的方法,使用无损的磁学测量手段可以鉴别大量沉积物样品是否存在巨型针状化石磁小体。快速在地质记录中找到巨型化石磁小体组合将有助于人们认识它们的起源及能够合成这些化石磁小体的生物的生态学特征。此外,巨型化石磁小体似乎与快速行星变化,特别是全球变暖事件所引发的海洋脱氧有关。通过研究巨型化石磁小体,我们可以更好地了解敏感的海洋生态系统如何响应过去的气候变化事件。

  主要参考文献 

  Chang L, Roberts A P, Williams W, et al. Giant magnetofossils and hyperthermal events[J]. Earth and Planetary Science Letters, 2012, 351: 258-269.  

  Egli R. Characterization of individual rock magnetic components by analysis of remanence curves, 1. Unmixing natural sediments[J]. Studia Geophysica et Geodaetica, 2004, 48(2): 391-446. 

  Li J, Liu Y, Liu S, et al. Classification of a Complexly Mixed Magnetic Mineral Assemblage in Pacific Ocean Surface Sediment by Electron Microscopy and Supervised Magnetic Unmixing[J]. Frontiers in Earth Science, 2020, 8: 609058. 

  Li J, Menguy N, Roberts A P, et al. Bulletshaped magnetite biomineralization within a magnetotactic Deltaproteobacterium: implications for magnetofossil identification[J]. Journal of Geophysical Research: Biogeosciences, 2020, 125(7): e2020JG005680. 

  Schumann D, Raub T D, Kopp R E, et al. Gigantism in unique biogenic magnetite at the Paleocene–Eocene Thermal Maximum[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2008, 105(46): 17648-17653. 

  Wang H, Wang J, Chen-Wiegart Y K, et al. Quantified abundance of magnetofossils at the Paleocene–Eocene boundary from synchrotron-based transmission X-ray microscopy[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2015, 112(41): 12598-12603. 

  Wagner C L, Egli R, Lascu I, et al. In situ magnetic identification of giant, needle-shaped magnetofossils in Paleocene–Eocene Thermal Maximum sediments[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2021, 118(6).原文链接 

  (撰稿:何况,李金华/地星室)

 
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