作者:沈春蕾 来源:中国科学报 发布时间:2021/11/28 15:18:58
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三峡证据揭秘大气含氧量增加为何迟了近20亿年

 

如今,地球大气的含氧量约21%。在很多年前,地球大气中的氧气含量仅为现在的1%,这一数值从1%增加到60%以上,间隔了近20亿年。为什么地球大气中含氧量的增加如此缓慢?

围绕这一科学问题,中国科学院南京地质古生物研究所(以下简称南京古生物所)研究员朱茂炎领导的中英合作团队采用多种地球化学指标并结合数学模型,结合三峡地区的地层剖面,首次系统论证了巨大海洋溶解有机碳库(DOC)的存在是元古宙(约25亿~5.7亿年前)海洋彻底氧化迟缓的关键原因。日前,相关研究成果发表于《地球与行星科学通讯》(Earth and Planetary Science Letters)。

质疑有机碳库模型

从太古宙(40亿~25亿年前)的无氧地球,到元古宙的低氧地球,再到显生宙(5.7亿年前延续至今)的富养地球,地球上的生物也随环境的变化而发生变化,从原核生物,到真核生物,再到动物。地球大气氧含量与生命演化之间的因果联系也成为当今最备受关注的重要科学问题之一。

朱茂炎向《中国科学报》介绍,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,大气中的氧气达到了现代大气氧含量的1%水平以上,导致真核生物在地球上首次出现。

然而,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5.8亿~5.2亿年前后,地球发生了第二次大氧化事件,大气中的氧含量才增加到现代大气氧含量的60%以上的水平,从而可能触发了多细胞真核生物的大爆发,以及动物的快速起源和寒武纪生命大爆发。

关于前寒武纪(地球从诞生到6亿年前)大洋中含氧量长期很低的问题,目前学术界有一个理论模型——溶解有机碳库模型(DOC)。该模型最早由美国麻省理工学院教授Daniel Rothman在2003年提出,其依据是新元古代(10亿~5.4亿年前)地层中记录的海水碳同位素的频繁负异常事件,并表现无机碳和有机碳同位素变化之间的不耦合现象。

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的海洋溶解有机碳库,达到现代大洋溶解有机碳库1000倍以上。

朱茂炎解释道,前寒武纪这种缺氧的海洋就像一个现代的巨大沼泽池,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。“只有当这个浑浊并缺氧海洋得到氧化,海洋和大气中氧气含量才能够增加。”

然而,溶解有机碳库模型随后遭受到学界质疑,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或移除海洋中这一巨大的还原碳库。

地化模型寻找氧化剂

那么,前寒武纪浑浊缺氧的海洋到底是如何变得清澈富含氧气的呢?

还有一种假说是生物与环境协同演化模型。这个模型认为当海水中氧气含量达到原始动物生存的最低需求时,比如像海绵动物的出现可以通过捕食海水悬浮有机质,加速海水有机质的消耗和埋藏,减少了海水中氧气的消耗,最终导致了海洋和大气中氧气的增加。

随着氧气含量的增加,微型浮游动物和复杂动物也会随之出现,从而形成复杂的食物网,进一步消耗海水中有机质,再通过动物大颗粒排泄物和尸体形成沉积物,提高了有机物埋藏的效率,形成了动物演化与氧气增加的正反馈机制。

朱茂炎指出,这种正反馈机制最终将表现为氧气增加的线性加速,却与5.8亿~5.2亿年前后大气和海洋氧气含量多次大规模波动、生物阶段性爆发演化的实际情况却是不一致的。

2005年,《科学》发文提出,5.51亿年前存在一次全球碳同位素负异常事件,与有机碳库的氧化有关,使得海洋和大气中含氧量剧增,从而带来复杂生命的出现。

研究的焦点再次回到有机碳库的氧化,即寻找氧化剂。

朱茂炎团队的研究始于2003年前后,团队利用地层学的研究优势论证了大规模造山运动导致原来海盆中形成的巨量蒸发盐矿物的风化,可以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。相关研究成果2019年发表于《自然—地球科学》。

虽然这一假说为寻找溶解机碳库的氧化剂来源提供了解决方案,但该假说主要依赖于生物地球化学模型的数值模拟,缺乏具体地质记录和地球化学证据的直接论证。

地质记录提供证据

为此,朱茂炎团队来到了湖北宜昌,用他的话说:“这里有我们需要的剖面。”

果不其然,科研团队在三峡地区南坨村剖面埃迪卡拉纪陡山沱组地层(约6亿年前)中识别出一个与地质历史上全球最大的Shuram/DOUNCE事件(陡山沱碳同位素负异常事件)级别相同、但持续时间更短(约1.5百万年)的碳同位素负异常事件,相当于先前识别的WANCE事件(瓮安碳同位素负异常事件)。

关于Shuram/DOUNCE事件,国际上将埃迪卡拉纪发生的地球历史上最大的海洋碳同位素负异常事件称为Shuram事件,在我国华南称为DOUNCE事件。Shuram/DOUNCE事件的年龄、持续时间、全球性和成因机制,是建立埃迪卡拉纪全球年代标准和解决埃迪卡拉纪生命与环境演化问题的关键。

为了弄清上述负异常事件发生的原因,论文第一作者、南京古生物所副研究员陈波等人利用剖面化石开展了详细的碳、氧、硫、铀、锶等多同位素体系分析,论证这次碳同位素负异常事件记录的是一次由大陆风化增强导致硫酸输入增加,进而触发的短暂海洋氧化事件。

这里的大陆风化增强所带来的海水硫酸盐含量增加,使深海溶解有机碳(DOC)被迅速消耗,海洋开始氧化,大量13C(13C是碳的稳定同位素之一)亏损的有机碳被氧化并释放到海水中,导致同期海水碳酸盐的碳同位素值急剧下降。随着风化作用减弱,氧化剂被耗尽,海洋迅速恢复到缺氧状态,同时海水碳酸盐的碳同位素值恢复到正值。

朱茂炎介绍,这一地球化学数据所揭示的过程与利用生物地球化学模型的数值模拟结果非常吻合。特别有意义的是,WANCE事件发生的这一过程与随后发生的Shuram/DOUNCE 异常极其一致,支持了团体在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。

他表示,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的溶解有机碳库模型,为巨大溶解有机碳库的存在导致前寒武纪海洋彻底氧化迟缓提供了直接证据。

科研人员推测,发生在埃迪卡拉纪早期的WANCE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。“自此,原始地球基本完成了向现代地球—生命系统的革命性转变。”朱茂炎说。

 
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