2024年3月，国际著名地学期刊Geology以“Spatiotemporal distribution of giant magnetofossils holds clues to their biological origin”为题，发表了我室博士后薛鹏飞与合作者的最新研究成果，揭示了巨型生物磁铁矿的时空分布特征，为探索巨型生物磁铁矿的生物起源及演化规律提供了新证据。这是该研究团队关于巨型生物磁铁矿系列研究的重要进展。
巨型生物磁铁矿化石（giant magnetofossil）是一类主要见于新生代海洋沉积物的微米粒级磁铁矿晶体，具有矛头型（Spearhead）、纺锤型（Spindle）、针型（Needle）和大子弹头型（Giant bullet）等四类特殊形貌。截止目前，巨型生物磁铁矿在从晚白垩世（~70 Ma）到中始新世（~40 Ma）的数百至数千米古水深海洋沉积物中都有发现。最初发现的巨型生物磁铁矿位于极热事件及相关的沉积层位中，据此提出了巨型生物磁铁矿矿化可能与极热环境变化相关的经典解释。
尽管这类具有特殊形貌的微米级磁铁矿被称作“巨型生物磁铁矿化石”，但是其生物成因仍存在诸多疑问，一个重要原因是迄今尚未在现代海洋沉积环境中发现巨型生物磁铁矿，也未发现能矿化合成此类特殊磁铁矿的现代生物。由于目前巨型生物磁铁矿的相关报道很少，所以其时空分布及演化特征也鲜为人知。最近，有研究表明在孟加拉湾晚第四纪海洋表层沉积物中存在巨型生物磁铁矿。但是，巨型生物磁铁矿矿化和环境因素之间的关系仍是未解之谜。如果可以确定巨型生物磁铁矿的生物来源及演化特征，将可能识别出一种新的磁铁矿生物矿化过程。
图1. 巨型生物磁铁矿的时空分布。
针对上述科学问题，该研究选取全球广泛分布的、不同海洋环境中的现代海洋表层和中生代—新生代海洋沉积物，通过电子显微观测开展了巨型生物磁铁矿搜寻，进一步通过对观测到的巨型生物磁铁矿颗粒进行系统统计分析，取得以下认识：（1）首次在南大西洋和北印度洋现代海洋表层沉积物中发现巨型生物磁铁矿，同时在北大西洋发现目前为止最古老的巨型生物磁铁矿（~93 Ma）（图1, 2）；（2）相近年代的矛头型巨型生物磁铁矿的颗粒尺寸在不同洋盆间存在显著差异（图3A, B），而在同一大洋不同年代则基本一致（图3C, D）；（3）针型和大子弹头型巨型生物磁铁矿的颗粒尺寸在不同环境中基本保持不变（图3E-H）。
图2. 四类巨型生物磁铁矿的电子显微观测。
图3. 不同地质环境中矛头型（A-D）、针型（E, F）和大子弹头型（G, H）巨型生物磁铁矿的粒径分布特征。
基于以上发现，该研究认为现代海洋中存在某种未知的生物可以矿化形成巨型生物磁铁矿，且巨型生物磁铁矿在现代环境和地质历史时期都广泛分布。不同环境中巨型生物磁铁矿的颗粒尺寸统计结果表明，不同形貌的巨型生物磁铁矿对外界环境的响应具有很大差异，但巨型生物磁铁矿的形貌尺寸和周围环境之间的联系还存在诸多未知，亟需进一步深入研究。总而言之，该研究获得的巨型生物磁铁矿的时空分布为揭示其生物起源及演化特征提供了新的证据。
论文第一作者为我室薛鹏飞博士后，论文通讯作者为北京大学地球与空间科学学院常燎研究员。该研究受到了国家自然科学基金和英国皇家学会牛顿高级学者项目的资助。
原文链接：https://doi.org/10.1130/g51809.1
撰稿：薛鹏飞
编辑：高小丰