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标题: SA：基于黄铁矿的大数据分析显现深时缺氧情况规律 [打印本页]

作者: 秋水汇 时间: 2022-8-11 03:51
标题: SA：基于黄铁矿的大数据分析显现深时缺氧情况规律

大气含氧量与海洋氧化还原状态的变革是地球演化的庞大变乱，并直接影响着生命演化的庞大过程（如生物大灭尽）。现今地球的海洋也正在遭受着含氧量降落的“窒息”伤害，对人类可一连发展的寻求造成寻衅（Bretburg et al., 2018 Science）。因此，重修深时海洋缺氧情况的规律对于相识地质汗青和妥善处置惩罚当下所面对的生态情况标题都意义深远。

黄铁矿是海洋还原情况中最常见的矿物，文献中广泛记载的黄铁矿的形态参数与地化信息是反映盆地氧化还原条件的告急指标。这些散落在文献中非布局化的“暗数据”，被Emmings等（2022，Science Advances）利用呆板阅读（machine-reading）技能发掘出来，利用于从环球和整个地史的宏观视角俯瞰海洋缺氧汗青。

科研工作的一个焦点环节是罗致前人文献的英华。针对选定的任何科学标题，如果想阅读主流出书团体所发表的全部文献，并发掘出关键信息，在以往大概穷尽一生都难以完成。现今不绝涌现的大数据分析本领和地学专业数据库，已经能让这一空想得以实现。Emmings等人开展的黄铁矿超大样天职析（mega-analysis）正是地学大数据工作的一个范例。

本文作者起首利用文本发掘和自然语言处置惩罚技能（Stanford NLP），从xDD数字图书馆（之前名称为GeoDeepDive）提取出有关黄铁矿的文献记载。该图书馆通过与Elsevier，Wiley，AGU等大型出书团体互助，得到授权通过呆板学习技能主动发掘海量文献信息。进一步将黄铁矿的文献记载与地层数据库MacroStrata联动，给每个记载增补了地层单元，地理位置和地质期间信息。基于这两部门的数据，统计得出整个地史时期含有草莓状黄铁矿或瘤状黄铁矿的沉积岩（包罗副变质岩）的比例（技能蹊径总结见图1）。

图1 本文研究思绪和技能方法表示图

黄铁矿中微量元素的富集与水体微量元素的含量变革、沉淀动力学、铁锰氧化物和有机质的范例干系联。因此，作者挑选了特定的一些微量元素，通过聚类分析和主因素分析，辨认出5种黄铁矿范例（图2）。这些微量元素包罗：1）与有机物密切关联的元素（Tl, Zn, Se, Cd, Co, Bi），此中元素Co, Bi更易与颗粒有机物（POM）形成螯合物，而别的元素更易与溶解有机物（DOM）形成螯合物；2）与锰氧化物有关联的元素（Mn, Mo）；3）与可溶有机物和铁氧化物二者均有关联的元素（Pt, Te, Au, Ni, Pb, As, Sb, Cu, Ag）。

图2 基于微量元素的黄铁矿聚类分析和元素组合（Emmings et al., 2022）

进一步利用呆板学习的最相近算法（kNN）和多项式回归，将这5种范例应用于所发掘的文献记载，重修了地史时期5种黄铁矿的分布规律（图3）。在此根本上，作者还统计比对了沉积地化与古情况数据库（SGP）中的全岩地化数据，归纳了地史时期缺氧情况（铁化或硫化）的分布规律，以及背后驱动海水硫化的有机物范例（DOM还是POM）的演化规律。末了，通过调用古地理重修Gplates和古高程重修PaleoDEM的应用步调接口（API），增补了这一分布规律的空间格局（图4）。

图3 文本发掘黄铁矿文献记载与黄铁矿微量元素范例地史分布统计结果（Emmings et al., 2022）

作者将统计的结果与海水物化参数的庞大变革、生命演化的告急变乱举行了接洽对比。此中前寒武纪的数据偏少，时间精度也不敷精致，因此可信度不高。显生宙期间，文中梳理了每个地质阶段主导的黄铁矿形态、据微量元素分类的黄铁矿范例，以及海洋中有机物范例等。此中一些风趣的结果包罗：1）晚新元古代到前寒武-寒武边界处（5.8-5.41亿年前），黄铁矿的范例以第5类为主，表明白与复杂生命干系的颗粒有机物（POM）开始登上驱动海水硫化的舞台。2）闻名的五次生物大灭尽中泥盆纪末、二叠纪末、三叠纪末大灭尽均与广泛发育的缺氧情况干系，而白垩纪末彗星撞击所导致的大灭尽则未体现此干系性。3）黄铁矿形态和地化指标团结，可以有效区别铁化和硫化的缺氧情况，并清晰辨认出多个海水广泛发育硫化情况的时期（中元古代，埃迪卡拉纪晚期至寒武纪中期，中二叠世等）。

图4 显生宙氧化还原条件的时空分布，基于Xdd黄铁矿文本发掘，黄铁矿微量元素分析，SGP全岩地化指标（Emmings et al., 2022）

本文的结果是继Peters等（2017，Geology）之后，又一次团结了xDD和Macrostrat数据库，利用大数据技能综合多个指标，重演宏观标准地质情况的乐成探索。其思绪和方法有望鉴戒到许多关键的地学标题，以探究其他对情况因素敏感的沉积（如白云岩、生物礁）或地化（与火山活动有关的Hg元素）指标的深时宏观时空分布。

值得留意的是，本文的数据源具有显着的地理地域的不均衡性。一方面，绝大多数的样品来自于边沿海地域，这是由于地史中深海样品由于俯冲等缘故起因相对更难生存。因此，研究结果能较好的反映近岸浅海的氧化还原情况变革，不敷以重演整个海洋的氧化还原状态。另一方面，文中所利用的焦点数据库，现在告急聚焦的还都是西欧地域的数据，亚洲地域，尤其是中国的数据都显着的短缺。雷同情况在许多地球科学范畴都差别水平的存在，指示我国地学大数据工作具有很好的发展潜力。

同时，本文在论述缺氧情况与生命演化变乱的干系性时，其时间精度尚有较大的提升空间。比年的研究工作表明，随着时间分辨率的大幅提升（Fan et al，2020，Science），物种多样性变革曲线的自身规律，以及与情况变乱的时间关系，常与以往的熟悉存在并不同等之处。因此，在大数据所勾勒的宏观规律根本上，怎样针对关键时期的庞大变乱，进步沉积与地化记载的时间分辨率，大概是未来继承突破的方向。

告急参考文献（上下滑动查察）
Peters S E, Husson J M, Wilcots J. The rise and fall of stromatolites in shallow marine environments[J]. Geology, 2017, 45(6): 487-490.
Breitburg D, Levin L A, Oschlies A, et al. Declining oxygen in the global ocean and coastal waters[J]. Science, 2018, 359(6371): eaam7240.
Fan J, Shen S, Erwin D H, et al. A high-resolution summary of Cambrian to Early Triassic marine invertebrate biodiversity[J]. Science, 2020, 367(6475): 272-277.
Emmings J F, Poulton S W, Walsh J, et al. Pyrite mega-analysis reveals modes of anoxia through geological time[J]. Science Advances, 2022, 8(11): eabj5687.

撰稿：黄浩、冯连君/科技平台
美编：陈菲菲
校对：刘淇郡

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