综述：地球海洋碳酸盐“工厂”的演变

《Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology》：The evolution of Earth's marine carbonate factory

海洋碳酸盐工厂的演化及其对气候与碳循环的影响。本文系统综述了不同地质时期的碳酸盐矿物组成、沉积模式及生物群系（如浮游生物钙化器）的演化，探讨Ωcarb饱和度变化、碳酸盐埋藏与火山-变质碳循环的耦合机制，分析底向上（海水化学）与顶向下（生物演化）驱动因素，揭示其对地球气候稳定性和生物圈演化的调控作用。

　　

Lidya G. Tarhan|Noah J. Planavsky

耶鲁大学地球与行星科学系，美国康涅狄格州纽黑文06511

摘要

海洋环境中碳酸盐的形成——即“海洋碳酸盐工厂”——在塑造海水生物地球化学、海底生态和地球气候方面发挥着关键作用。海洋碳酸盐的地层记录跨越了超过三十亿年的历史，提供了关于碳酸盐生成和埋藏过程的沉积学、地球化学和古生物学证据。本文综述了由海洋碳酸盐沉积物记录的几种关键地层模式，包括碳酸盐矿物学的变化、碳酸盐沉积成分的演变以及能够生物矿化碳酸盐的动物、藻类和原生生物的关键群体的出现。我们还探讨了碳酸盐工厂演化领域的一些最新进展，并指出了未来研究工作的重点。我们讨论了历史模型和用于表征海水碳酸盐饱和度（Ω_carb）变化的替代指标，同时分析了环境因素和碳酸盐生物矿化过程对Ω_carb变化及碳酸盐汇分布的潜在影响。最后，我们评估了碳酸盐工厂及其汇的模式、相对丰度和分布的重大变化如何与长期的气体排放变化以及大陆和逆向风化过程共同作用，从而调节地球气候并维持行星的宜居性。我们指出，Ω_carb在整个地球历史上可能呈下降趋势，这一趋势部分归因于生物骨骼中碳酸盐的形成；深水区域的碳酸盐可能在整个地球历史上都很普遍；前寒武纪时期的碳酸盐工厂及其埋藏方式，特别是硅质碎屑沉积物中自生碳酸盐的形成，可能促进了与俯冲作用相关的二氧化碳排放。

引言

海洋碳酸盐工厂——即海洋中碳酸盐沉积物的生成过程——受到地球碳循环的控制并有助于调节这一循环。海洋中碳酸盐的输入量与碳酸盐沉淀量之间的平衡决定了海洋碳酸盐的化学性质以及由生物矿化碳酸盐的动物、藻类和异养原生生物所产生的骨骼碳酸盐的量（Ridgwell和Zeebe，2005）。从行星尺度来看，海底积累的碳酸盐沉积物的俯冲作用将碳从地球表面输送到内部，其中大部分通过火山活动和变质作用以二氧化碳的形式重新释放到地表，从而调节大气成分、气候和地球的长期宜居性（例如，Stewart等人，2019；Isson等人，2020）。

来自中生代和新生代海底沉积物（通过海洋钻探项目采集）以及保存在抬升大陆边缘、增生地块和过去海平面地区的碳酸盐地层的地质档案，为我们提供了关于海洋环境和生态系统演化的关键见解。海洋碳酸盐的沉积特征和地层结构记录了诸如水动力能量、海岸线距离、海底地貌和构造体制等物理环境条件。碳酸盐还作为海洋和大陆生物地球化学变化的重要记录介质；已经开发出多种碳酸盐地球化学指标，用于追踪过去风化类型和强度、海洋温度、pH值、氧化还原状态和生产力等方面的变化（例如，James和Austin，2008；Rae等人，2021）。生物骨骼中的碳酸盐不仅反映了物理和化学环境条件，还揭示了生物矿化生物的多样性、丰度及其构建的框架，从而有助于了解海底及上层海洋水体中生命形式的历史变迁（Grotzinger和Knoll，1999）。此外，碳酸盐还为我们提供了观察海洋微生物生命的窗口，从宏观的微生物岩到记录沉积微生物群落代谢特征的自生碳酸盐（例如，Reid等人，2000）。最后，碳酸盐沉积物还蕴含着重要的资源，从碳氢化合物到在后期流体作用过程中沉淀出的贵金属（Leach等人，2005；Ahr，2008）。

然而，海洋碳酸盐工厂及其沉积汇的分布和组成在地球历史上发生了显著变化。这些变化反映了“自下而上”的因素（如海水化学成分）和“自上而下”的因素（如主要生物矿化生物群体的演化和生态历史）的影响。因此，重建碳酸盐工厂的演化历史及其驱动因素和后果对于我们利用碳酸盐代用指标来解决环境、气候和生物变化相关问题具有重要意义。

本文综述了海洋碳酸盐工厂演化的几个方面，探讨了调控其生成过程和边界条件的因素如何影响碳酸盐的生产模式和矿物学特性、不同碳酸盐工厂和汇的环境分布、海水碳酸盐饱和度的演变以及气候与碳酸盐工厂之间的反馈机制，并重新审视了这些过程在地球历史上是否经历了重大变化这一长期存在的疑问。

碳酸盐化学基础

已有许多关于碳酸盐化学和碳酸酸系统的综合性综述（例如，Zeebe和Wolf-Gladrow，2001；Drever，1997）。这里我们简要概述一下相关内容，以便为后续讨论奠定基础。

碳酸盐矿物的饱和状态是决定其是否、在哪里以及以多快速度形成的关键因素。对于碳酸盐而言，饱和状态是通过钙离子（Ca²⁺）（或钙和镁离子（Mg²⁺）的浓度来计算的，具体取决于所涉及的碳酸盐类型

现代碳酸盐工厂的概述

如今，碳酸盐工厂分布于多种海洋环境中，从附着在基底上的平台到孤立的海底结构（如礁石），这些共同构成了浅水或近海区域的碳酸盐工厂（例如，James和Kendall，1992）；还有主要由钙化浮游生物构成的钙质海底沉积物，即远洋区域的碳酸盐工厂（Wade等人，2020；Reijmer，2021）。尽管这些过程存在诸多不确定性

碳酸盐工厂矿物学的演化及其驱动因素

海洋碳酸盐工厂的主要矿物组成——无论是骨骼型还是非骨骼型——在地球历史上发生了显著变化（Sandberg，1983；Stanley，2006）。特别是浅海碳酸盐沉积物中的矿物多样性，以及其他化学沉积物（如蒸发岩）中的矿物组成，以及含盐流体包裹体中的化学成分，促使人们在几十年前认识到显生宙时期的“方解石海洋”现象

地球历史上碳酸盐工厂的组成变化

前寒武纪时期的碳酸盐记录了碳酸盐工厂在时间上的显著一致性和显著变化（Grotzinger，1988；Grotzinger和James，2000）。已知最古老的碳酸盐平台大约有30亿年的历史（Fralick等人，2025）。然而，由于早期沉积记录的稀缺性，尚不清楚碳酸盐平台的出现与早期沉积系统的保存能力之间是否存在关联。尽管如此，在太古代和

碳平衡与海洋碳酸盐工厂

来自地球内部的二氧化碳通量（例如，火山活动和变质作用）在地质时间尺度上一直被碳酸盐矿物的埋藏所平衡。较高的二氧化碳排放通量会导致更多二氧化碳在大气中积累，从而提高温度并加剧水循环。更温暖湿润的条件，以及在较小程度上的较高大气二氧化碳浓度，反过来又促进了二氧化碳的更快吸收

海洋碳酸盐矿物饱和度的演化

海洋碳酸盐矿物饱和度（Ω_carb）在地球历史上的变化一直是一个备受关注的问题，对此存在不同的解释。一些研究提出Ω_carb在整个地球历史上显著下降（例如，Grotzinger，1990；Sumner和Grotzinger，1996；Ridgwell，2005；Ridgwell和Zeebe，2005；Trower等人，2022；Wang等人，2023）。相比之下，其他研究则认为其平均变化较为有限

海洋碳酸盐工厂的空间分布演化及其与全球碳循环的关联

传统上认为，在中生代中期浮游生物（尤其是颗石藻和有孔虫）的演化过程中，深水区域的碳酸盐埋藏量急剧增加（例如，Zeebe和Westbroek，2003）。根据这种观点，前中生代时期的全球海洋碳酸盐工厂主要由近海环境主导。而这种前中生代的碳酸盐工厂被认为与现代浅水区域的碳酸盐工厂运作方式类似

结论与未来方向

过去几十年对海洋碳酸盐工厂的运作及其在地球历史上的演化有了重要认识，包括对当前、过去和未来气候-碳酸盐系统反馈机制的更深入理解，以及关于Ω_carb空间和时间演化的新模型。然而，关于这一历史的基本问题仍未得到解决；未来几十年的挑战将是应用新兴的研究方法来进一步探讨这些问题

数据声明

本文中讨论的所有数据均可在引用的研究和参考文献中找到。

CRediT作者贡献声明

Lidya G. Tarhan：负责撰写、审稿与编辑、初稿撰写、数据可视化、方法论设计、研究实施和概念构建。Noah J. Planavsky：同样负责撰写、审稿与编辑、初稿撰写、数据可视化、方法论设计、研究实施和概念构建。

利益冲突声明

作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益和个人关系：

作为古地理学、古气候学和古生态学领域的副主编，Lidya Tarhan未参与本文的同行评审过程，也无法获取与其评审相关的信息。本文的编辑工作完全由另一位期刊编辑负责。如果还有其他作者，他们也在此声明

致谢

本文献给R.N. Ginsburg，以纪念他对海洋碳酸盐工厂研究的基础性贡献及其对几代地球科学家的指导。我们还要感谢J. Ague、A. Oehlert、R.P. Reid和J. Wang在讨论中的重要贡献，以及N. Theunissen在图1制作方面的协助。本研究得到了Sloan研究奖学金（FG-2023-20847）和美国国家航空航天局的支持