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【紫金山时政】地球大洋氧化为何迟滞近20亿年?南京古生物所专家为你解密
2021-11-29 | 编辑: | 【

  大气氧含量与生命演化之间的因果联系是备受关注的重要科学问题之一。已有研究显示,早期地球极端缺氧,直至距今大约24亿年前后发生第一次大氧化事件。当时大气中的氧气达到了现代大气氧含量的1%以上,导致真核生物在地球上首次出现。奇怪的是,在随后长达十几亿年的时间内,大气氧含量并没有显著增加。一直到距今5.8-5.2亿年前后发生的第二次大氧化事件,大气中的氧含量才增加到现代大气氧含量的60%以上水平,从而可能触发了多细胞真核生物的大辐射,以及动物的快速起源和寒武纪生命的大爆发。

南京古生物所供图

  为什么在第一次大氧化事件之后,地球大气和海洋的氧化程度迟滞了近20亿年,直到5.8-5.2亿年前后才发生急剧增加呢?

  针对这一科学问题,中国科学院南京地质古生物研究所朱茂炎研究员领导的中英合作团队开展了多年的探索。他们采用多种地球化学指标并结合数学模型首次系统论证了巨大海洋溶解有机碳库(DOC)是迟滞元古宙海洋彻底氧化的关键原因。近日,该成果在地球科学期刊《地球与行星科学通讯》(Earth and Planetary Science Letters)发表。

南京古生物所供图

  溶解有机碳库模型最早由美国麻省理工的Rothman在2003年提出的。该模型认为,前寒武纪海洋表层透光带内进行光合作用的微生物主要是原核生物,这些微生物死亡后的有机质颗粒细小、沉降速率慢,在海水中不断积累形成一个巨大海洋溶解有机碳库,达到现代大洋溶解有机碳库1000倍以上。由于这种以细菌为主的细小有机质颗粒易于氧化降解,大量消耗海水中氧气,从而导致了大洋的长期缺氧并阻止了大气氧化的增加。这种现象可以将前寒武纪海洋想象成一个巨大的现代沼泽池,水体中大量腐殖有机质不断消耗着氧气,导致水体浑浊并缺氧。只有当这个浑浊、高度还原的溶解有机碳库被彻底移除,大气和海洋的氧气含量才能够实现实质增加。但这一模型随后遭受到质疑,质疑的焦点集中在新元古代地球不可能提供足够的氧化剂来消耗/移除这一巨大的还原性碳库。

  直到2019年,该团队在《自然-地球科学》(Nature Geoscience)上发文提出:大规模造山运动可以导致原来海盆中形成巨量蒸发盐矿物的风化,为海洋带来持续性硫酸盐(氧化剂)输入,这些硫酸盐通过硫酸盐还原菌的代谢作用大规模消耗海水中的溶解有机碳,并通过黄铁矿的大规模埋藏(产氧),最终导致海洋中溶解有机碳库的减小和海洋的迅速氧化。这一假说为溶解有机碳库模型面临的氧化剂来源这一挑战提供了解决方案,但该假说主要依赖于生物地球化学模型的数值模拟,缺乏具体地球化学证据的直接论证。

南京古生物所供图

  本次研究,该团队在三峡地区南坨村剖面埃迪卡拉纪陡山沱组Ⅱ段地层(约6亿年之前)中识别出一个与地质历史上全球最大的Shuram/DOUNCE事件(陡山沱碳同位素负偏移事件)级别相同、但持续时间更短的碳同位素负偏移事件,相当于先前识别WANCE事件(瓮安碳同位素负偏移事件)。为了弄清这一负漂移事件发生原因,团队开展了详细的碳、氧、硫、铀、锶等多同位素体系分析,进而论证了这次碳同位素负漂移事件记录的是一次由大陆风化增强导致的硫酸盐输入增加所触发的短暂海洋氧化事件。

湖北宜昌南沱村埃迪卡拉纪陡山沱组剖面的碳、硫、铀、锶同位素变化

  特别有意义的是,WANCE事件(瓮安碳同位素负偏移事件)发生这一过程与随后发生的Shuram/DOUNCE 事件(陡山沱碳同位素负偏移事件)异常极其一致,支持了该团队2019年提出的假说,即造山运动导致大量氧化剂输入增加是导致埃迪卡拉纪海洋氧化和极端碳同位素负偏移事件的主要驱动因素,这种海洋氧化还原状态和氧化剂供应之间的动态平衡完全符合Rothman的有机碳库模型,为溶解有机碳库的存在是迟滞前寒武纪海洋彻底氧化的关键原因模型提供了直接证据。

埃迪卡拉纪重要的生物革新事件、海洋氧化还原状态以及铀、锶、碳同位素记录

  发生在埃迪卡拉纪早期的WANCE事件(瓮安负碳同位素偏移事件),可能标志着这一大型深海溶解有机碳库解体的肇始。随后多次持续时间更长、强度更大的脉冲式氧化剂输入事件,不断消耗大洋中的溶解有机碳库,促使其最终在寒武纪早期消亡,海洋变得更加氧化,为动物在寒武纪早期的大爆发(寒武纪生命大爆发)和复杂海洋生态系统的出现创造了先决条件。

  南报融媒体记者 马金

  通讯员 盛捷








 
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