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李杏,Dec. 13, 2023
地球系统模型的建立是将地质过程进行简化再返回的过程，其对地质、数学、计算机科学进行了组成交叉。它可以反映海洋-大气-表层地壳之间的系统演化、长时间尺度元素（C-O-S）循环以及关键地质事件。
地球系统模型分为四种。第一种是反算型，例如GEOCARB（GEOlgical CARBon cycle），基于风化、埋藏、反风化等过程的长周期C循环，反算造成C同位素变化需要多少C埋藏通量和黄铁矿埋藏通量，其中的关键驱动数据是δ13Ccarb。在GEOCARB基础上加入S循环可模拟长周期ρO2 、ρCO2 、[SO4]等信息，此时的关键驱动数据为δ13Ccarb和δ34SCAS。第二种是预测型，例如COPSE（Carbon-Oxygen-Phosphorus-Sulfur-Evolution）。通过加入营养物质循环，预测海洋营养物质浓度(磷和氮)的变化，从而计算有机碳埋藏通量。采用反演策略的GEOCARB系列模型证伪困难, 其预测的大气CO2和O2含量变化也依赖于前人统计的碳、硫同位素数据。第三种是三维模型，例如cGENIE（Grid Enabled Integrated Earth system），可对短时间尺度的海洋进行精细栅格化。第四种是空间连续集成模型，例如SCION（Spatial Continuous IntegratiON），实现了时间-空间的二维连续性。利用两个时间戳下的二维气候数据分布计算其全球风化通量，假设两时间戳之间的变化为线性变化, 通过差值计算在特定时间戳下匹配特定CO2含量的风化通量, 并与COPSE模型中的其他地球化学循环过程相平衡。
不同模型进行比较得到的结果有差异。以张莹刚等，2022的文章（图1）为例，GEOCARB模型中古生代-新生代大气CO2含量降低，指示植物演化程度增加，根劈作用增强，腐殖酸增多，大陆硅酸盐风化随之增强。COPSE模型中石炭纪-二叠纪值高可能是碳、氧、磷循环和生物演化耦合的结果。GEOCLIM模型中数据离散。SCION模型中数据较为连续，但白垩纪大气二氧化碳含量偏高。
图1：不同模型直接得出的数据结果比较（张莹刚等，2022）
能否利用金属稳定同位素进行建模计算大气氧含量呢？赵明宇老师在2023年发表的文章中利用Zn同位素计算了大气氧含量。Ba同位素由于在海洋中的非保守性，Mo同位素由于Fe-Mn shuttle以及Fe-Mo-S compounds的影响均不适合用来计算氧含量。U同位素和V同位素与有机质含量以及C埋藏息息相关，或许可以用来制约氧气含量的变化。
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