近日，国产精品九九久久一区hh早期生命与环境研究团队在国际著名期刊《自然·通讯》（Nature Communications）发表题为“Phanerozoic seawater Mg/Ca variations driven by supercontinent cycles”（超大陆旋回驱动显生宙海水镁钙比值演化）的研究论文。该研究运用数据整合与数值模拟方法，系统揭示了显生宙以来海水化学组成、海相沉积矿物类型、钙质生物壳体矿物相及地球长期气候演变之间的内在联系，并提出其背后存在统一的驱动机制。
海洋覆盖地球约71%的表面，其化学组成的长期演化是维持地球宜居性的关键因素之一。镁（Mg）和钙（Ca）是海水中最主要的碱土金属元素。在过去约5.4亿年的显生宙中，海水镁钙比值（Mg/Ca）经历了显著的周期性波动：从现代海水约5.2的高值，到白垩纪时期一度降至1以下。如此剧烈的变化不仅导致海相碳酸盐原生矿物在文石/高镁方解石（Mg/Ca>2）与低镁方解石（Mg/Ca<2）之间交替出现，还直接影响了钙质海洋生物骨骼的矿物组成及海相蒸发岩的沉积类型，并与地质历史上的“冷室期”和“暖室期”气候演化密切耦合（图1）。
图1：显生宙海水镁钙比周期性演化。Mg/Ca>2为“文石海”，Mg/Ca<2为“方解石海”（据Lowenstein et al., 2014）
前人研究指出，海相白云岩沉积和洋中脊扩张过程中的水–岩反应，是移除海水中镁、同时释放海水中钙的主要过程，也是驱动海水Mg/Ca比值演化的主要机制。然而，由于难以直接重建这些深时地质过程的强度与通量，显生宙海水Mg/Ca比值周期性波动的根本驱动因素一直悬而未决。
为解决这一难题，研究团队创新性地引入镁同位素作为示踪指标，构建了耦合海水镁浓度与镁同位素组成的质量平衡箱式模型，并结合蒙特卡洛方法，对显生宙以来海洋镁循环进行了定量反演。研究首次系统重建了海相白云岩和含镁硅酸盐沉积通量的长期演化历史。结果表明：含镁硅酸盐沉积主要受洋中脊扩张及洋壳蚀变强度控制，而白云岩沉积则受板块构造活动、海平面变化及大气成分演化的综合调控（图2）。
图2：显生宙海水Mg/Ca变化（a）、海洋镁汇（b–e）及板块构造演化（f–g）
进一步研究发现，超大陆的聚合与裂解旋回通过调控全球构造活动、海平面变化及气候系统，直接或间接影响海相白云岩与含镁硅酸盐的沉积通量，从而驱动海水Mg/Ca比值的周期性波动。这一认识将海水化学演化、沉积类型变化、生物矿化响应以及全球气候演变统一纳入“超大陆旋回”的宏观地球系统框架之中，为理解地球宜居环境的长期演化机制提供了新的视角（图3）。
图3：超大陆旋回驱动海水Mg/Ca演化机制示意。通过调控洋壳生成、海平面及大气CO₂浓度，影响沉积过程并最终控制海水Mg/Ca变化
本研究基于海洋镁元素及镁同位素质量平衡计算，重建了过去5.4亿年海相白云岩与含镁硅酸盐沉积通量的演化历史，为认识地质历史时期海洋元素循环提供了重要的定量约束。同时，结合板块构造、海平面与大气成分演化，研究明确了超大陆旋回对海水化学组成的一级控制作用。相关成果不仅展示了同位素质量平衡模型在反演沉积通量及提取地球系统信息方面的巨大潜力，也显著深化了对地球系统运行机制的整体认识。
该成果以“Phanerozoic seawater Mg/Ca variations driven by supercontinent cycles”为题，发表于国际学术期刊《Nature Communications》。论文第一作者为国产精品九九久久一区hh地质学系博士后张攀，通讯作者为黄康俊教授。合作者包括韩以贵教授、马龙副教授，以及澳大利亚昆士兰大学Mark Kendrick教授。研究获得国家自然科学基金（42402115、41973008）、中国博士后科学基金（2024M752617）及国家留学基金管理委员会的资助。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-026-70649-z
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